低功耗元器件及電源管理方面的新技術進展產生了大量的低功耗睡眠模式,在運行模式或空閑模式之外提供了更精細的級別,為限制功耗提供了更加完善的戰略。這些模式如待機模式、瞌睡模式、睡眠模式和深度睡眠模式,會有不同的電流,通常從幾十微安到最低幾十納安。圖3是使用帶有18位采樣模數轉換器(ADC)的數字萬用表在100 μA范圍內捕獲的多電平空閑模式電流脈沖波形的實例。有些電流測量技術,比如使用帶有電流探頭的示波器,不能實現超低電流要求的靈敏度。在使用安培表時,低電流測量精度可能會受到各種誤差來源的影響,如來自內部串聯電阻的高達500 mV的負載電壓,以及靜電或壓電效應生成的誤差電流。
圖3多電平空閑模式電流脈沖波形
在并聯電流表或通用數字萬用表DMM中,選擇較小的并聯電阻值可以降低輸入時間常數,加快儀器的響應時間。但是,這會劣化信噪比,影響測量的精度和靈敏度。
更適合的選項是高分辨率的專用DMM,如7位半,其在檢測納安和更小的變化時實現了極高的靈敏度,并使用低壓負載的反饋電流表測量技術。使用擁有大的讀取緩沖器的DMM,對表征睡眠模式能耗也非常關鍵,大的讀取緩沖器要能夠存儲幾百萬個帶有時間標記的讀數。這樣您就可以在多個活動事件和空閑事件上,在更長的時間內查看設備或傳感器節點操作。
3捕獲瞬態信號和快速跳變信號
有源物聯網器件操作通常由簡單而零散但狀態復雜的多種操作模式組成。例如,當設備從睡眠模式喚醒到活動模式時,通常要用幾微秒的時間從睡眠模式轉換到待機模式,然后再進入活動模式,而使用傳統電流表通常很難捕獲喚醒過程。
大多數電流表或基本數字萬用表DMM都是讀取速率較慢的直流儀器儀表。盡管許多DMM規定了電源線周期數(NPLC),以指明捕獲數據的窗口,但這個指標并不包括數據處理開銷。總時間決定了儀器是否準備好下一次讀取,快速瞬變可能會被丟到處理開銷中。
采樣率在確定儀器能夠捕獲的波形細節方面發揮著重要作用。采樣率越快,重建被測原始波形的能力更好。根據內奎斯特或采樣定理,信號采樣率至少是最高頻率分量的兩倍,才能準確地重建信號,避免假信號(采樣不足)。
圖4 使用能夠以1 M樣點/秒同時采樣電壓和電流的高速采樣DMM采樣信號
但是,奈奎斯特只是底線,它只適用于正弦波,假設信號是連續的。對物聯網設備操作中的快速瞬態信號,最高頻率分量速率的兩倍是不夠的。某些DMM規定采樣率為50 k樣點/秒。但在50 k樣點/秒或每個樣點20 μs的情況下,可能會漏掉僅持續幾十微秒的小的瞬態信號。因此,對物聯網應用,最好使用能夠以1 M樣點/秒同時采樣電壓和電流的高速采樣DMM (圖4)。
4觸發隔離特定事件
視不同的應用,物聯網設備操作可能會涉及長時間間隔中極短的事件突發,或者包括多個事件的復雜狀態操作。為分析這些細節,要求使用觸發功能仔細檢查復雜的擴展波形的具體部分。
傳統電流測量儀器可能并不能隔離具體細節。對于更復雜的物聯網應用,由于觸發精度、觸發時延、觸發偏移和抖動等問題,面向波形的邊沿觸發或電平觸發可能是不夠的。微安級或更低的低電平波形會明顯影響觸發精度,具體取決于儀器中實現的觸發采集方式。