低功耗元器件及电源管理方面的新技术进展产生了大量的低功耗睡眠模式,在运行模式或空闲模式之外提供了更精细的级别,为限制功耗提供了更加完善的战略。这些模式如待机模式、瞌睡模式、睡眠模式和深度睡眠模式,会有不同的电流,通常从几十微安到最低几十纳安。图3是使用带有18位采样模数转换器(ADC)的数字万用表在100 μA范围内捕获的多电平空闲模式电流脉冲波形的实例。有些电流测量技术,比如使用带有电流探头的示波器,不能实现超低电流要求的灵敏度。在使用安培表时,低电流测量精度可能会受到各种误差来源的影响,如来自内部串联电阻的高达500 mV的负载电压,以及静电或压电效应生成的误差电流。
图3多电平空闲模式电流脉冲波形
在并联电流表或通用数字万用表DMM中,选择较小的并联电阻值可以降低输入时间常数,加快仪器的响应时间。但是,这会劣化信噪比,影响测量的精度和灵敏度。
更适合的选项是高分辨率的专用DMM,如7位半,其在检测纳安和更小的变化时实现了极高的灵敏度,并使用低压负载的反馈电流表测量技术。使用拥有大的读取缓冲器的DMM,对表征睡眠模式能耗也非常关键,大的读取缓冲器要能够存储几百万个带有时间标记的读数。这样您就可以在多个活动事件和空闲事件上,在更长的时间内查看设备或传感器节点操作。
3捕获瞬态信号和快速跳变信号
有源物联网器件操作通常由简单而零散但状态复杂的多种操作模式组成。例如,当设备从睡眠模式唤醒到活动模式时,通常要用几微秒的时间从睡眠模式转换到待机模式,然后再进入活动模式,而使用传统电流表通常很难捕获唤醒过程。
大多数电流表或基本数字万用表DMM都是读取速率较慢的直流仪器仪表。尽管许多DMM规定了电源线周期数(NPLC),以指明捕获数据的窗口,但这个指标并不包括数据处理开销。总时间决定了仪器是否准备好下一次读取,快速瞬变可能会被丢到处理开销中。
采样率在确定仪器能够捕获的波形细节方面发挥着重要作用。采样率越快,重建被测原始波形的能力更好。根据内奎斯特或采样定理,信号采样率至少是最高频率分量的两倍,才能准确地重建信号,避免假信号(采样不足)。
图4 使用能够以1 M样点/秒同时采样电压和电流的高速采样DMM采样信号
但是,奈奎斯特只是底线,它只适用于正弦波,假设信号是连续的。对物联网设备操作中的快速瞬态信号,最高频率分量速率的两倍是不够的。某些DMM规定采样率为50 k样点/秒。但在50 k样点/秒或每个样点20 µs的情况下,可能会漏掉仅持续几十微秒的小的瞬态信号。因此,对物联网应用,最好使用能够以1 M样点/秒同时采样电压和电流的高速采样DMM (图4)。
4触发隔离特定事件
视不同的应用,物联网设备操作可能会涉及长时间间隔中极短的事件突发,或者包括多个事件的复杂状态操作。为分析这些细节,要求使用触发功能仔细检查复杂的扩展波形的具体部分。
传统电流测量仪器可能并不能隔离具体细节。对于更复杂的物联网应用,由于触发精度、触发时延、触发偏移和抖动等问题,面向波形的边沿触发或电平触发可能是不够的。微安级或更低的低电平波形会明显影响触发精度,具体取决于仪器中实现的触发采集方式。