如何测量小的尖峰电流？

假设我有一个连接了一定数量外围设备的微控制器，并且希望能够对电池寿命做出合理的估计。因为我有时可能会入睡，并且各种外围设备处于不同的状态，所以我的电流消耗可能在uA（处于睡眠模式）和大约10s mA（唤醒时）之间变化。

现在，我可以装上一块电池，让它用完并测量时间，但这使得在固件和硬件上比较不同的方法既费时又费力（并且可能很昂贵）。

我可以将万用表串联放置，但是即使它有数据记录功能，也要间隔一定的时间，并且我必须进行插值，并且可能会完全错过小于该间隔的变化。（加上负担电压等）。

如果我的设备足够睡眠，则唤醒电流可以忽略不计，但这可能需要1000：1的睡眠时间与唤醒时间之比，因此并非所有设计都可以。

是否有一些可以随时间推移以很小的电流积分的设备（例如，不是千瓦特电表）？基本上，我很想知道“在过去的一个小时中，消耗了20mAh电量”。如果我可以在任何给定时间获得精确的电流测量值，以比较清醒和睡眠时的电流消耗，则可得到加分。

好吧，当然有特定的电流感应IC。在您的情况下，我会“简单地”执行类似的操作：

• 在电池和电子设备之间使用一个较小的串联电阻（例如0.5Ω）。
• 用仪表放大器放大电阻两端的电压
• 记录电压，例如使用ADC

问题：

1. 低电流·低电阻=低压：由于噪声，您的测量精度会变差
2. 由于微控制器的唤醒速度非常快，而睡眠也同样快，因此您的ADC采样率一定需要很高。

但从原理上讲，这是可行的，并且肯定是可行的（尽管设计稳定，低噪声，高放大率的仪表放大器可能并不简单；但是：现有的仪表放大器IC使得这一点变得容易得多）。

幸运的是，您的问题很普遍。所以：包括德州仪器（TI）在内的许多公司都提供电流检测放大器产品组合，其中一些集成了上述并联电阻和数字接口。请参阅TI的产品清单。

实际上，这些IC能够同时测量电流和电源电压-实际测量汲取功率非常有用，如果存在非线性因素（例如， ，MCU）。

例如，INA233可以连接到外部分流器（比方说0.3Ω），每ADC步长的分辨率为2.5 µV。这意味着，单个ADC步骤的电流为I = U / R = 2.5 µV / 0.3Ω= 8.333 µA。

我认为该设备还具有自动采样和平均模式，因此即使在快速变化的负载下也可以轻松获得良好的近似值。

而且，正如我刚刚发现的那样：事物具有“警报”级别，因此，只要电流超过可配置的阈值，就可以唤醒测量系统。真好！这样，您只需要偶尔采样即可。

是否有一些可以随时间推移以很小的电流积分的设备

是的，有几个；最古老的是电镀池（电镀金属的质量代表安培小时），Edison专利，最近使用了电解池（气体积聚在毛细管中）。这些完全等同于长时间使用后分析电池。

如今，使用数字化。

如果您希望波动快于数字采样率，那是可以解决的。可以安排一条两分支的电流路径，其旁路电流传感器的高频电导（一个电容器）和一个并联的低频电导（电感器和电流检测元件）。

如果您期望持续时间短的小电流（这会破坏数字采样粒度），那么这也是可以解决的。向直流电流信号中添加一个小的直流加白噪声源，一小部分位的电流会长时间（统计上）导致正确的数字累加。带抖动的ADC图。5a 但是，必须校准掉添加信号的直流部分。伪随机噪声源对于这种“抖动”很有用。

数字化和累加到寄存器中（就像“杀电”一样）可以使用容易获得的组件工作，并且有些欺骗会驯服其错误测量的潜力。

快速又肮脏：超级电容器！（还搜索超级电容器。）它们将为系统供电，并随着时间的流逝而显示积分电流。

您正在考虑使用什么处理器Vdd和/或电池电压？当然，电容器自然会积分电流，如果使用几法拉超级电容器代替电池电源，则可以测量随时间下降的电压，并精确确定长期平均微安。

如果您的设计需要恒定的Vdd，请选择一个足够大的超级电容值，以使测试运行时电压仅下降XX％。根据平均电流，您也许可以省下几个美元的电容器。例如，几伏特的4.7法拉是多余产品目录中的常见超级电容。（Sparkfun有大约10法拉，最大尺寸是Electronic Goldmine在2.7V时的3000法拉升电容。）将它们串联起来以获得更高的电压限制。

如果期望较大的动态范围，则可以选择使用对数跨阻放大器（例如LOG114）流动的电流镜。调谐良好的电路可以获得超过6年的测量范围。电流镜后可通过电容器调整积分。

这是一个更复杂的解决方案，并且当电池电量发生明显变化时，大电流下的分辨率会降低。精确度与直线，比例感应的关系取决于您在低电流下花费的时间比例。

此外，您可以对ADC分辨率进行蛮力测试。24位或32位可以覆盖4年而没有问题。

对于您的粗略测量（可能为+/- 10％或20％）。

只需将电阻与电源串联，然后将其与电容器并联，即可产生足够大的时间常数，以使采样率不会丢失大量数据。例如，如果您以100Hz采样，则可能会选择0.2秒的时间常数。可能是电解电容器，最好使用低阻抗类型，如果脉冲短于大约10us，则可以将其与1uF-10uF陶瓷并联。该值是非关键的，它必须足够高。选择电阻器，使其不会跌落太多电压，从而不会影响操作，但会产生足够的信号，您可以进行合理的测量。

无需分析放大器或任何其他东西的上升和下降时间-电阻器和电容器即可完成工作。

请记住，依赖于电池是“尖刺”脉冲的低阻抗源的操作会在电池实际耗尽之前失败-将电池与电容器并联会（有时会大大延长）使用寿命-电池内阻随着耗尽而增加。

我的建议可能是矫kill过正...但是，如果您发现标准/廉价解决方案只是没有足够的动态范围，或者如果您定期进行此类测量，则可能需要看一下这种非常整洁的设备：RocketLogger。

它由苏黎世联邦理工学院开发和开源。他们称其为“用于便携式测量的精密混合信号数据记录器”。这是一款基于Beaglebone SBC的便携式电流和电压记录仪，具有很高的动态电流范围。

• 2个电流通道，具有4 nA至±500 mA的高动态范围
• 4个电压通道，测量范围为13uV至±5.5V
• 等等...

免责声明：我与设备的创建者无关。

库仑计数可通过在至少1个重复周期的测量间隔内测量来自已知电荷Q = CV的电压降引起的存储电荷变化来完成。

首先，必须以最小的瓦特秒或焦耳为单位定义电池寿命，以便可以选择所需的总充电寿命能量。

其次，库仑计数法必须 通过某种测试方法在较短的时间间隔（例如1小时左右）中足够准确，如果这可以平均睡眠和脉冲活动的重复周期，以便可以针对能量优化软件效率。

例如，电池的存储寿命可能是或可能是；每次充电之间，主要是1年，次要是1天，但应该指定。

第三，我们可以使用低泄漏帽来更快地计算库仑吗？如在1小时内？
如果期望漏极的平均电流为20mA / h avg，而仅下降0.1V，则需要什么值C？C = Ic * dt / dV = 20mA * 3600s / 0.1V = 700法拉

如果可能，请选择一个具有此电容范围的部件，例如3V CR123A电池，然后验证库仑计数方法并监控电压。

或者，可以从设计中感应电流并使用电流内容来精确计算库仑数。

问题的一小时部分使这一点变得有些困难-但是，如果您的设备正在做周期性的事情（例如大多数嵌入式工作），则实际上并不需要它。

因此，让我们彻底矫kill过正，只是为了说明您可以买到什么。使用Keysight CX3300，您可以采样高达200 MHz模拟带宽和1 GSa / s的电流波形。结合256 MSa的内存，您甚至可以在一小时内获得不错的采样率。价格当然有点高，起价为33,000美元，探头起价为4,800美元。

我通常走的一条便宜的路是将示波器与诸如N2820A这样的电流探头一起使用 -这将使您回到大约4,200美元，并且您无法获得相当的模拟带宽（高达3 MHz），但是我发现了真的有用。这将为您提供一个通道，该通道具有低电流测量值和一个具有高电流测量值的通道，因此分析需要一些手动计算。

我敢肯定，像上述Keysight产品一样，不同制造商也提供类似的产品。

由于我的示波器没有大量内存，因此我通常要做的是测量活动的一个周期并从那里进行计算-我们的设备周期不长，因此效果很好。

如果我需要使用自动Wh计算来进行长时间测量，则可以使用值得信赖的Gossen Metrahit Energy，即使在低电流情况下也能发挥出色的作用。但是数据记录不适用于高度可变的电流，因为采样率不是很高。

当我吹嘘一些昂贵的设备时，请不要误解这个答案，这表明那里有可以满足要求的专业测试设备-因为其他大多数答案都集中在自己做（可能会造成麻烦）如果您不只是为自己进行快乐的测试）。

我与Keysight或Gossen没有任何关系，我只是他们产品的满意用户。

以@marcusmuller的出色答案为例，并将输出反馈给积分器。在开始之前将电容帽置零，并测量累积的mAh或uAh作为直流电压。

您可能需要试验一下积分电容器的选择。一些电容器设计不易渗透，或者内部电阻会阻止它们正确归零。

我可以将万用表串联放置，但是即使它有数据记录功能，也要间隔一定的时间，并且我必须进行插值，并且可能会完全错过小于该间隔的变化。

因此，您可以在测量链中放置一个低通滤波器，以较低的频率记录平均值：

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

对于较短的持续时间（秒），您可以使用连接到示波器的μCurrent之类的设备。

如果您的峰值电流相对不重要（例如，因为它非常短或因为它由一个固定的或已知的值（如微控制器的峰值电流）主导），则可以使用一个并联电阻和一个二极管来限制电压降。使用100Ω分流器和一个SI二极管并联，您可以测量高达〜7mA的电流，并达到数十μA的精度。

我认为您使用电池的想法可能是最好的方法，但是我不确定为什么您说这很困难或昂贵？我确定您可以购买A-Hr表，但它们可能无法准确测量您感兴趣的短电流间隔。另一种方法是将电流探头连接到示波器。这可能是根据幅度和时间表征电流的最准确方法，但除非电流波形具有周期性，否则它不会给出A-Hrs。

很久以前，我不得不使用锂电池解决此问题。该设备每分钟唤醒一次，时间非常短。我可以采样电池两端的电压。在这种情况下，锂电池的问题在于，它们的放电周期会突然出现“拐点”，而当达到该点时，您的时间已不多了，而且取值范围很小。

我实际上已经使用了一个逻辑/模拟分析仪（Saleae Logic 8），并将其连接到µCurrent Gold，并测量了整个电流图以及从完全充电到放电为止的电池电压。您只需运行连接到开发接口的python脚本即可轮询和存储值。这样也制造了TON的数据往往不能够很容易地在Excel中进行操作，但你至少可以开拓的时间一大块，看看有什么瞬时电流在那个特定的时间。

这是我正在做的一些电池寿命验证的屏幕截图，看起来与您想要的类似：

黄色信号是电流（V转换为A）。您可以看到电池的响应（在这种情况下，电池的电量可能超过了Logic 8的最大5V），最重要的是，您可以看到电源轨接通，然后关闭以进行测量（我实际上是通过CAT发送数据的-M到我们的云服务器）。对于您的情况，由于您的占空比小得多，您可能看不到太多令人兴奋的东西（我在这里进行了一些加速电池测试，这就是为什么它如此频繁）

如果您想查看我的设置是什么样的，我最近写了一篇文章，介绍了如何使用我生产的齿轮进行测量，该齿轮产生了上面的捕获结果。

您可以使用GPIB控制的示波器或其他品牌的数据记录器执行类似的操作。我只是想用我手上的东西。

对于扩展捕获，您还可以查看其逻辑分析仪的Saleae 编程参考。在这里，我还创建了用于创建捕获的代码要点。

所有这些答案，只有@wbeaty提到了明显的答案。能将电流与时间整合在一起的设备吗？那我= C dV / dt呢？

如果电流消耗足够低，则几个电容器可能绰绰有余，但更高的电流将需要一个超级电容器。调整电容器以在合理的时间内获得合理的下降。下面的电路可以解决问题。

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

那里有电容分压器，以避免从节点上去除电流。可以通过外围引脚将其预充电到uC的电源以建立初始条件，然后定期测量以读取放电速率。该电路的一个问题是输出电压将改变，这可能意味着负载可变。

为避免此问题，并且对于具有合理尺寸组件的可调式通用电路，可以使用有源电容倍增器代替，如以下概念示意图所示。使用已知负载进行一些校准，然后您便有了定制的消耗量表。

^{模拟该电路}