怎样测量直流电流表显示信号源的电流大小

怎样测量直流电流表显示信号源的电流大小？
如何辨别所使用的万用表测量电流是真有效值，还是平均值呢？

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王颖

2021-10-8 14:39:47

智能车比赛电磁类组别中，导引车模运行的是赛道上电磁导线。能够准确测量电磁导线中的交变电流是维持比赛环境标准和一致的基础。为了简化参赛队伍制作电磁组别的信号源，组委会给出信号源的制作标准使用了20kHz的恒流方波电流源，制作方法。
在竞赛规则中，给出了测量这类信号源电流值的标准：使用整流桥，将交流信号整流成直流信号变可以使用普通的直流电流表进行测量了。如果电流信号是方波信号，测量的电流值就是方波信号的峰值电流。
在传统的信号源中，还配有一个直流电流表显示信号源的电流大小。由于这类电源中的恒流部分采用了MOS功率管在放大区间进行稳流控制，它受到功率管温度影响，电流容易发生漂移。通过信号源上的设定电位器，可以修改信号源的大小。
如果电流波形是方波信号，实际上也可以直接使用交流电流表进行测试。只是要求交流电流表是真有效值电流表。比如MC8218型号的万用表，测量信号源在方波电流输出的时候，显示值就接近100mA。这是由于方波信号的有效值与其峰值是一致的。
但是UT58A万用表测试相同的电流信号的时候，则显示为91mA左右。
这是由于UT58A测量交流电流信号的时候，是假设信号为正弦信号。它通过对信号进行整流后，测量其平均值。然后再根据正弦信号的面积与它的有效值之间的比值为2sqrt（2）/pi= 0.9的关系，进行换算后得到对应的显示值。这类万用表只能对于波形接近于正弦波的信号显示值与实际信号的有效值才相符合。所以，如果使用MC8218进行信号源电流校正，可以获得准确的电流值。如果使用MT58A，进行信号源的校正，那么实际上信号源的值比起标准信号源要大11%左右。
如果在输出电路中，串联一个电流取样电阻（比如1欧姆电阻），使用真有效值的交流电压档进行测量，然后再除以取样电阻，也可以获得实际输出方波电流的峰值电流。
但是，实际情况，要比上述方波电流复杂。在前面推文中，有两次进行过相关的讨论。当赛道的面积比较大的时候，赛道电磁线存在比较大的电感感抗，这使得输出电流波形不再是一个方波信号。下图显示波形分别对应的赛道电感值从10uH变化到250uH左右的时候，输出电流波形的变化情况。
根据信号分析理论，可以知道，信号的波形变化，会影响信号中各次谐波的大小。为了保证比赛中，磁场环境不受信号波形改变的影响，下面需要讨论如何测量，才能够使得不同电流波形下，信号所产生的磁场与方波电流信号相同。
根据之前推文中的讨论，智能车实际使用的是信号源中20kHz的正弦基波信号完成车模导航。通过LC谐振选频电路，可以滤除除了20kHz之外的其它干扰信号，可以大大提高检测信号的信噪比。因此，为了使得比赛车模不受电流波形的影响，实际上，只要保证交流信号中，20kHz基波信号的幅值不变即可。可是，普通的万用表，测量信号的时候，并不只是针对某一个频率的信号进行测量，而是测量信号中所有平均分量的综合。
下面分析，使用真有效值万用表MC8218和平均交流值万用表UT58A进行信号测量，会带来的误差。
首先分析UT58A万用表进行信号的校正。它测量的是交流信号的绝对值的平均值。如果使用UT58A对于信号源进行校正，如果电流信号输出为方波信号，根据前面分析，实际信号输出值要比标准信号大11%左右。

当电流出现失真的情况，其中最严重的就是电感值很大，输出电流值已经呈现近似三角电流信号。如果维持信号的绝对值的平均值不变，三角波脉冲的基波分量比起方波信号的基波分量增加了4/pi=1.27倍。
同样的分析，如果使用真有效值表MC8218进校校正，在输出为三角脉冲的情况下，仍然维持有效值为100mA，此时信号的峰值为sqrt（pi）*100=177mA，信号中基波分量与方波电流的基波分量的比值为2/sqrt（pi）=1.128。
通过上述分析，可以知道，如果使用真有效值万用表进行校正信号源，当电流波形受到赛道电感影响变成三角脉冲信号的时候，基波分量会增加12.8%。如果使用普通的平均值万用表进行校正，基波分量会增加27.3%。
那么，如果根据信号源上的电流表的读数进行校正，则误差会远远大于上述范围，具体原因在上依次推文“再谈磁场为何变大”中进行了讨论。
下面通过实验来验证上述分析。仍然使用比赛所使用的工字电感匹配谐振电容作为交变磁场测量传感器。LC选频得到的20kHz基波信号通过运放隔离放大10倍之后，使用FLUKE45电压表进行测量。
使用本文一开始的模拟信号源，分别在输出信号回路中传入MC8218，UT58A进行校准测量。使用上述LC选频放大电路测量输出信号线附近固定位置的交流磁场强度。
实验第一步骤，在输出信号线中不串入任何电感，分别在信号源模拟表，MC8218，UT58A显示值为100mA左右，读交流磁场强度。实验第二步，在输出信号线中传入250uH的电感，此时输出电流值已经为三角波形，然后分别在信号源的模拟表、MC8218，UT58A显示值为100mA左右时，读取交流磁场强度。数据如下表格所示：

从上面实验数据表格中可以看出，在信号线没有串入电感的时候，使用MC8218万用表读出的交流值与信号源模拟表头的值基本一致，都是100mA左右，而使用UT58A读出的电流为101.8mA的时候，模拟表头的数值需要增加到120mA左右，此时交流磁场强度也增加了20%左右。
如果外部串入250uH的电感，此时如果维持模拟电流表、MC8218、UT58A显示在100mA左右不变，此时外部的交流磁场强度分别增加了48.7%， 10.1%， 28.3%。
对于信号源进行简单标定的方法，就是使用一个能够测量真有效值的万用表，直接将万用表传入赛道电磁线中，当读数为100mA的时候，此时实际信号新中20kHz的基波分量的变化范围最多只有10%左右。满足规则所定义的电流强度变化20%的要求。
如果使用普通的平均值交流万用表或者信号源上的电流显示值进行标定，则电流值的误差范围将会超过20%。
如何辨别所使用的万用表测量电流是真有效值，还是平均值呢？可以将信号源直接连接万用表的两端进行测量输出电流。如果在信号源表头显示100mA的时候，万用表读数也是100mA，那么，该万用表是真有效值测量表。如果小于100mA，则万有表是测量交流信号的平均值。

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