在設(shè)備及零部件產(chǎn)品開發(fā)和試驗過程中，因產(chǎn)品由電池或其他DC電源供電，所以對于產(chǎn)品工作電流的檢測與分析顯得至關(guān)重要。由于采用復(fù)雜的電源管理機制，產(chǎn)品往往需要在不同工作模式之間連續(xù)切換，從而導(dǎo)致工作電流值范圍跨度極大。針對此類電流測試，常規(guī)測量方法有著很大局限性，而自適應(yīng)量程測量技術(shù)讓該類測試成為可能。德國imc測試測量有限公司攻克各項技術(shù)難點，將自適應(yīng)量程技術(shù)應(yīng)用于其數(shù)據(jù)采集模塊中，采用CAN總線傳輸試 驗數(shù)據(jù)，從而為實驗室、臺架和車載的大動態(tài)范圍電流測試提供了更加精確便捷的解決方案。

       整車電子系統(tǒng)臺架測試分析

        隨著技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)代車輛逐步集成越來越多的電子設(shè)備：從各種裝飾車燈、娛樂 系統(tǒng)到傳動系ECU控制單元。無論功能大小，都不斷配備越來越智能化的電子元件。所有電子設(shè)備通過車輛電池供電進行工作，構(gòu)成龐大的汽車電子系統(tǒng)。在車輛開發(fā)過程中，將所有電子設(shè)備安裝于試驗臺架的模擬面板上，并通過切換不同的工作模式和工作流程，從而準確地測量各電子元件工作狀態(tài)，實現(xiàn)整個電子系統(tǒng)的性能評估。

                                                                                                 圖1: 基于臺架模擬面板的整車電子系統(tǒng)測試分析

 在整個電子系統(tǒng)連續(xù)工作過程中，停車睡眠模式下的nA級滲漏電流與滿載時的工作電流值差異巨大，且需要完整精確地采集不同工作模式切換過程中的瞬態(tài)信息。當以這種方式系統(tǒng)地采集電子系統(tǒng)工作電流信號時，動態(tài)自適應(yīng)量程測試技術(shù)便體現(xiàn)出強大的優(yōu)勢。

 測量中的動態(tài)自適應(yīng)量程

 針對以上測試需求，盡管24位高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器足以覆蓋相當大的測量范圍，然而對于上述試驗所需的高達30位的動態(tài)范圍，常規(guī)測試技術(shù)仍然存在極大的局限性。因此，前置放大 器的調(diào)節(jié)是必要的。實現(xiàn)前置放大器增益調(diào)節(jié)并不足為奇，更為關(guān)鍵的是，需要在測試進行中，根據(jù)采集信號的數(shù)值大小實現(xiàn)量程的實時全自動調(diào)節(jié)，且不受信號變化趨勢影響。此外，該自動調(diào)節(jié)過程不能引入外部干擾信號：由于不間斷測量會采集包含切換過程中的所有實時信號，  因此，一切由量程自動調(diào)節(jié)造成的對被測信號的干擾都要避免。

      切換分流電阻實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)

 與直接電壓測量模式相比，采用分流電阻調(diào)理的電流測量不能只依靠單一的前置放大器放大：當測試電流值非常微弱時，前置放大器放大噪聲信號，很容易被噪聲掩蓋，造成測量值不 準確。因此，針對小電流測試，需要采用高阻抗分流電阻提升被測信號的電壓輸出值，這樣， 便需要在測試過程中，在保證被測信號不受干擾的前提下，實現(xiàn)分流電阻的動態(tài)切換。

       如下圖b所示，將兩個分流電阻以串聯(lián)方式連接于工作電路中。當由于被測電流值增大使輸出電壓值達到某一閾值時，短路開關(guān)快速閉合，完成高阻抗分流電阻短接。這樣，被測電 壓信號通過兩條單獨的路徑進行傳輸。

    圖 2: 單一分流電阻 vs. 可調(diào)分流電阻 – 動態(tài)量程

       30 Bit - 180 dB 動態(tài)量程

 基于上述設(shè)計理念，技術(shù)路線已相當明確：首先，分流電阻值作為電路設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)，  該阻值必須達到足夠大，以保證較大的調(diào)理電壓，從而使被測信號不被噪聲干擾。其次，由于較大的工作電流導(dǎo)致設(shè)備功耗提升，因此需要采用更加先進的熱管理技術(shù)，提升相應(yīng)硬件指標。

 對于50A（量程）電流測量，分流電阻應(yīng)不大于2 mΩ，此時功耗已經(jīng)達到5W。這樣，最大測量電流對應(yīng)的調(diào)理電壓為100 mV ，采用24位AD轉(zhuǎn)換器可以很好地量化編碼 （如： g = 10 ，  1 V ADC）。

 然而，如果仍然以相同的配置同時采集50 nA 分辨率的電流信號，如滲漏電流等，顯然已經(jīng)遠遠超過該配置的物理極限。2 mΩ × 50 nA = 0.1 nV的輸出電壓根本無力抵抗噪聲信號的干擾，即便采用1000倍增益因子實現(xiàn)輸出電壓放大仍然無濟于事（圖.2a）。因此，須采用較大的分流電阻實現(xiàn)調(diào)理電壓信號的放大。阻值為2 Ω的分流電阻可將電阻增益因子提升1000倍，且該分流電阻只能在低電流模式下才參與工作。當被測電流值升高至某一限值(> 100mA)時，該電阻立即被短接，如圖.2b所示。

 這樣，即可實現(xiàn)高達30 bits （最大測量值與最小測量值的比值）的動態(tài)量程，分辨率可達1:1 billion (10^9)（圖.2c）。

 imc CANSAS-IHR 模塊基于上述理念設(shè)計，每個測量通道配置兩條電流測量路徑，實現(xiàn)量程自適應(yīng)調(diào)節(jié)，其供電電壓為9-18VDC。基于完全隔離設(shè)計，該測量模塊可

 連接于測量電路中的任何位置：高電勢位、低電勢位；子系統(tǒng)或整個系統(tǒng)測試均可滿足。

 當信號過載時，可逆式固態(tài)保險絲將快速切斷測試電路，保證測試的安全性。同時，可選配外部連接開關(guān)，用于同外部試驗電路和設(shè)備進行連接，從而完成更加復(fù)雜和靈活的試驗。

    圖3:每個模塊插槽配置兩個相互隔離的測量通道 (圖中僅顯示一個通道)

 兩路信號均以30kSps的采樣速度采樣，采用24-bit AD數(shù)字化，并通過處理單元自動完成 信號選擇、放大及標定。采用CAN總線進行數(shù)據(jù)輸出，輸出頻率范圍為1Hz-1kHz。

 除自動計算信號平均值以外，同樣可分析信號最大值、最小值等其他參數(shù)。和平均值計算一樣， 最大值和最小值基于設(shè)備內(nèi)部30kHz 采樣率并參照設(shè)置的數(shù)據(jù)輸出速度進行計算。

       該模塊可安裝于特制的19寸機架中，機架背板可配置多個大功率連接點，用于和被測對象直接連接（插拔式或焊接式）。

         圖 4:機架背板配有大功率連接點

 同時，測量數(shù)據(jù)可通過任何基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及其他測試系統(tǒng)記錄和分析，從而極大地提高了整個測試系統(tǒng)的的靈活性和擴展性。

 除了針對臺架應(yīng)用的機架式安裝以外，還可選擇獨立的移動式模塊，每個模塊配備兩個相互隔離的測量通道，集成于鋁制外殼中，攜帶非常方便，非常適用于空間分布式測量及車載移動式測量。

    圖 5: 適用于分布式測量的獨立 imc CANSAS-IHR 模塊

      動態(tài)切換

在實際的測量中，分流電阻切換響應(yīng)必須要足夠快，如果電流突然增大，必須立即短接高阻抗分流電阻，不僅可以防止電路燒掉，同時也避免了負載電路中的負載電壓峰值。由于負載電路中的（瞬態(tài)）壓降，會影響甚至斷開測試的負載組件。因此，分流電阻短接通過一個快速比較器控制，重新切換成高阻抗分流電阻會有延遲（圖6）。分流的快速啟用（<1us）以 及緩慢停用（<1ms）的遲滯水平（切換閾值）和時間滯后保證了安全和穩(wěn)定的狀態(tài)過渡。

      圖6：動態(tài)分流電阻切換

 因此，即使在電流以10A /us的速率快速增加（浪涌，沖擊）的情況下，把通過負載的壓降限 制到大約400mV，仍然可以實現(xiàn)無干擾切換。在分流電路中，一個合適的電容有利于平緩過渡區(qū)域的電壓瞬變，直到比較器做出響應(yīng)（圖7）。這個概念也適應(yīng)于具有高動態(tài)特性的測試對象。

                                                                                                               圖7：浪涌情況下通過負載的最大壓降

遲滯截止時間和并行測量路徑（ADC）的建立時間一樣被掩蓋了，數(shù)據(jù)輸出頻率被限制到100Hz，但是，在“固定模式”下，自適應(yīng)量程分流電阻切換可能失效，最大數(shù)據(jù)輸出頻率可到1kHz。