电流的测量的教案

2024-05-22

电流的测量的教案（精选6篇）

电流的测量的教案第1篇

第四节电流的强弱学习目标：

1.通过灯泡的明亮程度，认识电流

2.会使用流表，会读电流表的读数学习重点：电流表的使用规则和读数学习难点：电流表的正确的连接

自主学习： 1．

是表示电流强弱的物理量，用字母

表示，电流的单位是，符号

。2．雷电的电流可达2×105A＝

mA＝

μA。

3．在实验室中，用

来测量电路中的电流，该仪表用符号

表示。

4．使用电流表要注意：(1)电流只能从电流表的接线柱流入，从

接线柱流出；(2)电流表只能

联在电路中；(3)被测电流

(选填能或不能)超过电流表的量程；(4)读数时，应该认清所用

及

值；(5)绝对不允许不经过用电器而把电流表直接接在上。

5．如图是在一次实验时电流表的示数，由图可知，I＝

A。小组讨论（团结协作）

6．使用电流表时，若被测电流超过电流表的量程，则

若电流表接线柱接反了，则

7．如图所示电路，下列说法正确的是（）。A．L1、L2串联

B．开关S只控制L2 C.电流表测干路中电流

D．电流表测L1的电流

四．精讲释疑

8.如下图所示，将所给的元件连接起来，要求L1、L2并联，电流表测干路电流，开关控制整个电路，根据实物连接图画电路图。

本节内容，你还有何疑问？小结：

1、电流表示电流的强弱。单位是

符号是（）、还有毫安（mA）、微安（μA）；

1A=

mA，1mA=

μA。

2、电流表有两个量程：分别是

（每小格

A）

（每小格

A）使用：（1）、电流表要

联在被测电路中；（2）、接线柱的接法要正确，电流从“

”接线柱流入，从“

”接线柱流出。（3）、被测电流

超过电流表的量程；不确定时用大量程

。（4）、允许不经过用电器把电流表直接接到电源两极上。3.一台家用小型（47厘米）彩色电视机正常工作时，通过它的电流强度与下列哪一组数据最接近（）

A．18A

B．1．8A

C．180 mA

D．18 mA 4.如下图所示，甲电流表的读数是

A，乙电流表的读数是

5（选做）．请你设计一个电路图，要求将L1、L2并联，开关S1作总开关，S2控制灯L2，电流表测A1测干路电流，电流表A2测L1所在支路电流，请按要求将下图中所画的实物连接好，并根据实物图画出电路图。

当堂训练：

6、下列用电器中，工作电流为0.1mA的可能是：（）A、半导体收音机

B、60w的普通照明灯

C、家用电冰箱

D、液晶显示的电子计算器

7、在图所示的四幅电路中，电流表能够测灯L1电流的是（）

8、图是一次实验时电流表指针的偏转情况，王强对此作出了四种估计，其中错误的是（）

A．若使用“—”和“3”两个接线柱接入电

路，则指针所对的示数为2.3A

B．若使用“—”和“0.6”两个接线柱接入电路，则指针所对的示数为0.46A C．若原来使用“—”和“3”两个接线柱接入电路，而后使用“—”和“0.6”两个接线柱接入原电路中，则指针所对的示数不会改变

D．该电流表的“—”接线柱是公共的接线柱

9、李立在实验室连接了四个实物电路，如图所示，其中电流表的接法正确的是（）

10、小刚设计了四幅用电流表测量灯的电流，如图所示。当开关闭合时，不可能造成电源或电流表损坏的电路图是（）

11、一位同学在使用电流表测较小电流时，应该使用“—”和“0.6”两个接线柱，但错误地使用了“—”和“3”两个接线柱接入了电路，其他操作正确，这样会出现：（）A．指针不动

B．指针反向偏转

C．指针摆动偏小

D．指针摆动太大，电流表可能被烧坏

12、如图所示，如果使用“—”和

“3”两个接线柱接入电路，则指针所对的示数

为

，如果使用“—”和“0.6”两个接

线柱接入电路，则指针所对的示数为。

13、请你帮助林铃用铅笔线代替导线，将图中的两灯连成串联电路，用电流表测量电路中的电流，在虚线框中画出对应的电路图。

14（迁移和拓展）、小红和小丽用电流表测量同一电路中的电流，小红接入电路中的是0~0.6A量程，而小丽却按照0~3A量程读得测量值为2.4A，则实际测得得电流应该是（）

A．1.2A

B．4.8A

C．0.12A

D．0.48A

15、王刚在做一电学实验时，闭合开关后，发现电流表的指针偏转如图所示，产生这一现象的原因

及纠正方法是。

16、右图是小明用电流表测量通过灯泡电流的实验装置图，其中导线a端没有连接。如果小明把导线a端与接线柱b连接，开关闭合时能正常测出通过小灯泡的电流，开关断开时能使电路断开。小明还想做以下尝试，请你帮助他预计会出现什么情况：

①如果把导线a端与接线柱c连接，预计出现的情况为：

②如果把导线a端与接线柱d连接，预计出现的情况为：

③如果把导线a端与接线柱e连接，预计出现的情况为：

17、如图是小强和小夏两位同学测量小灯泡的电路，请你当小老师，仔细看一看他们的电路是否连接正确？如果你认为有错误，请你用不同颜色的笔直接在原图中改动。

●物理阅读安培

安培是法国物理学家，1775年1月诞生在法国里昂。他从小就酷爱读书，在念中学的时候，他经常去里昂图书馆，几乎浏览了图书馆的全部数学书籍，他对物理、化学、植物学和哲学等方面的知识也很感兴趣。青少年时代的刻苦学习，为他后来的科学研究工作奠定了牢固的基础。

安培既是一位实验物理学家，又是一位科学思想家。1820年他在巴黎科学学会上听到了丹麦物理学家奥斯特发现电流磁效应的消息，他敏锐地预感到奥斯特的发现必将对电学的发展产生深远的影响。他暗下决心，要在奥斯特发现的基础上，架起一座连接电和磁的桥梁，让电和磁以一个统一的整体出现在人们的面前。在这以后的几年里，他不但通过实验确定了判断电流磁场方向的安培定则、磁场对电流作用的安培定律等，而且在人们对原子结构还毫无所知的情况下，根据环形电流的磁性与磁铁相似的特点，提出了著名的分子电流的假说，揭示了磁现象的电本质。安培还开拓了物理学中的一门新学科——电动力学，成为电动力学的创始人。为了纪念他对电学发展所做出的重要贡献，命名电流强度的单位是安培。

安培在一生中能取得这样杰出的成就，除了和他在青少年时代的刻苦学习有关，还和他始终兢兢业业、锲而不舍地努力工作分不开。安培的注意力非常集中，他常常因为聚精会神地思索问题而忘记周围所发生的一切。有一次，他在路上边走边思考问题，猛一抬头，发现前面有一块黑板，不由喜上心头。马上掏出一支随身携带的粉笔，把脑中思索的问题写下，计算起来。这块黑板向前移动了，安培一边跟着前移，一边继续计算着。渐渐黑板移动得更快了，这位专心的计算者也跟着跑了起来。路上的行人看到这种情形，不禁拍手大笑。当他实在跑不动而停下来时，发现这并不是什么黑板，而是马车的后壁。他望着车壁上的数学公式渐渐远去，懊丧地叹了一口气：“唉！可惜还没有算完。”

电流的测量的教案第2篇

【教材分析】

电流是摸不着，看不见的，但是电流的强弱可以通过间接的手段（产生的效应）来认识。课本中就是通过“流过手电筒的电流和流过汽车头灯的电流，它们的强弱是不一样的”来引出电流的概念、单位以及生活中常见的电流值。然后告诉学生电路中的电流可以用电流表来测量。引导学生怎样连接电流表，以及对电流表怎样读数。

字母I是表示电流这个物理量的物理量符号，而字母A是电流的单位安培的符号，这对于初中学生来说很容易混淆，教学中应该反复区别它们。读出电流表的示数，是电学实验中必须具备的基本技能，它是教学的重点，如何将电流表连入电路中是教学的难点。

【教学目标】

（一）知识和技能

1．知道电流是有强弱之别的；

2．知道电流的单位是安培，比安培小的单位还有毫安和微安； 3．知道电流表的使用方法；

4．能正确读出在电流表的示数。

（二）过程与方法

1．通过灯泡的明亮程度，间接地分析电路中电流的强弱；

2．通过连接电路的实验活动，培养学生动手操作能力；

3．通过电流表的读数，训练学生的观察能力和准确读数的技能。

（三）过程与方法

1．通过学生连接电路的实验活动，培养学生团结协作的精神；

2．在学生对电流表读数的过程中，培养学生严谨的科学态度。

【教学重点】

读出电流表的示数。

【教学难点】

将电流表正确连入电路中。

【教具准备】

多功能初中电学演示实验板、小灯泡2只、开关、电源、导线、开关、电流表、幻灯机、多媒体。

【教学方法】

自学法、讨论法、自主合作探究法。

【教学过程】

一、情景引入

［投影］：

①黑夜闪电的亮度和街上彩灯的亮度对比。

②汽车前灯的亮度和手电筒的亮度对比。

③100W灯泡的亮度和25W灯泡的亮度对比。

［演示］：

接通自制教具“多功能初中电学演示实验板”。

教师：并联的两只灯泡都亮了，是因为电路中有电流。同学们看到电流了吗？提醒同学们观察：两只灯的亮度情况？为什么会发生这样的情况？

学生：灯的亮度不同。灯泡越亮表明电路中的电流越强，灯泡越暗表明电路中的电流越弱，即是说电流有强弱。其实，电流就如同自来水中的水流，水流有强弱，电流也有强弱，那么怎样表示电流的强弱？用什么仪器并测出电路中的电流呢？今天我们一起来学习电流的强弱。

二、讲授新课

（一）电流的强弱

1．请同学们阅读课本 “怎样表示电流的强弱”部分，了解怎样表示电流的强弱，并完成下列问题：

［投影］思考

（1）电流是表示

的物理量，通常用字母

表示电流这个物理量。

（2）电流的基本单位是

，简称

，符号是

；常用的单位还有

和

。换算关系：1mA=__________A，1?A=_________A。

（3）手电筒电流大约为200m A=______A。雷电电流可达2╳10A=__ _?A=__ _mA。

教师：请学生解答以上3道题，教师讲评后由学生领悟学习。（渗透德育：注意防雷注意安全）。

教师：生活中常见的电流值还有哪些？学生间相互读、找数据，比较不同单位的电流值，体会日常电路中的电流值，并让部分学生在课堂上交流。

例题1：下列家用电器正常工作时的电流合理的是（）

A．电风扇约2A

B．电冰箱约1A

C．电视机约2A D．台灯约1A

教师：大家通过阅读还有什么问题吗？

学生：电流为什么用安培作单位？

2．［投影］安培趣事

（抽一位学生读，其他学生听并思考：通过对安培的介绍，你有什么启示？）

安培，法国的科学家、物理学家。1775年生于法国里昂。他在物理、5化学、数学等方面都有很深的造诣，安培在电学方面的研究成果尤为突出，被后人称为“电学中的牛顿”。

在法国大革命时期，他的父亲被斩首。这一打击不仅使年轻的安培精神痛苦，并导致家境贫穷，使他失学了．在彷徨中，他读了哲学家卢梭的一本关于植物学的著作，它像火炬一样重新燃起了他对科学的热情，从此他更加刻苦地投入到自学中去。在学习和研究问题时，思想高度集中，专心致志，简直达到了那种忘我的痴迷程度。

故事一：为了专心研究问题，怕别人来打扰他，安培就在自己的家门口贴上了一张“安培先生不在家”的字条。这样，来找他的人看到字条后就不会再敲门打扰他。有一天，他在家中思考一个问题，百思不得其解，便走出家门，一边散步一边思考这个问题。他在马路上走着走着，好像突然想起了什么便转回身向家走去。他一边走一边还在聚精会神地思考着问题。当他返回自己的家门口时，抬头看见门上贴着“安培先生不在家”的那张字条，自言自语地说：“噢！安培先生不在家，那我回去吧！”说完，回头就走了。

故事二：安培正慢慢地向学校走去，边走边思索着一个电学问题。经过塞纳河的时候，他随手捡起一块鹅卵石装进了口袋。过一会儿，又从口袋里掏出来扔到河里。到学校后，他走进教室，习惯地掏怀表看时间，掏出来的却是一块鹅卵石。原来，怀表已被当作鹅卵石扔进塞纳河里去了。

故事三：傍晚，安培在街头散步，突然想到一道物理题目，就向前面的一块“黑板”走去，从口袋里掏出粉笔，在“黑板”上演算起来。可是，“黑板”竟开始向前移动！全神贯注的安培，因为题目没有算完，就不知不觉地追在“黑板”后面继续计算。最后，“黑板”越走越快，安培觉得追不上了。这时只见路人都朝他哈哈大笑。安培定神一看：原来那面会走动的“黑板”，竟是一辆黑色马车的车厢的背面。

正是这种悉心钻研科学的精神使安培在物理学方面有着重要发现，如安培定律、安培定则和分子屯流等。安培将他的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中，成为电磁学史上一部重要的经典论著。为了纪念他在电磁学上的杰出贡献，物理学中用安培作为电流的单位。

学生：希望自己能向安培学习，刻苦钻研，勇于开拓和创新。

（二）电流表的使用

1．前面我们自学了怎样表示电流的强弱、单位以及常见的电流值，那么我们用什么仪器以及怎样用这种仪器测量出电路中的电流？测量电路中的电流的仪器，叫电流表。同学们看大屏幕。

2．同学们以学习小组为单位，观察电流表，认识电流表。看一看它上面的字母、数字、接线柱和它们的颜色下面的数字符号以及中间的一个小螺丝，它们各是什么意思？同学们交流讨论（着重注意表上的“一个字母”、“二个量程”、“三个接线柱”），一会儿各小组起来展示，其他小组补充。

学生：字母A表示电流表的单位是安培。

学生：数字0-0．6和0-3表示不同的两个量程。

学生：0-0．6A量程的分度值是0．02A，0-3A量程的分度值是0．1A。

学生：三个接线柱中红色柱上标有“+”，表示正接线柱，黑色柱上标有“-”，表示负接线柱。接线柱旁的数值表示接入该接线柱时的量程（即满刻度时的电流数值）。

学生：中间的小螺丝是用来调零的。

教师；同学们观察得很仔细，说得也很好。教师复述以上内容。

教师：要测量通过小灯泡的电流，应该怎样把电流表接入电路中？要注意什么？

3．请同学们阅读课本“怎样连接电流表”部分，讨论归纳电流表的使用方法，并完成下列问题：

［投影］思考

（1）电流表必须和被测的用电器

联。（否则会损坏电流表）

（2）电流从电流表的接柱流入，从

接线柱流出。（否则会反转甚至损坏电流表）

（3）任何情况下都

（选填“能”或“不能”）使电流表直接连到电源的两极上。（否则会造成电源短路）

如果违反以上操作，会造成哪些影响？投影，同学们观察错误连接情况。

例题2：20XX年，XX学校将迎来XX周年华诞。母校将在X月X日隆重庆祝这一盛典。假若有28只小灯泡串联后接在电路中，做校庆盛典的彩灯用，使用中由于某一只小灯泡灯丝烧断而使全部小灯泡都熄灭。因为小彩灯都染着颜色，致使无法辨认是哪一只小灯泡的灯丝断了，现给你一只电流表，问如何将已损坏的小灯泡找出来？

分析：由于小灯泡是串联的，因此有一处灯丝断了，整个电路中将没有电流，所以灯都不亮。可用电流表逐个与灯泡两端并联，若发现其他的小灯泡都亮了，即被并联的灯泡是坏的，因为此时电流表相当于一根导线把电路断开处连接起来了（渗透德育：懂得感恩，报答他人）。

4．分组实验。

例题3：在下图中，用电流表测量电路中通过灯L的电流，以下四个图中，正确的是（），并根据电路图小组内连接测量电路中通过灯L的电流的实物图。

教师：刚才我发现同学们在连接实物图的过程中存在一个问题：不知道电流表的量程是选择0-0．6A还是0-3A？

教师：在不知道被测电路中的电流有多大的情况下，我们应采用试触法，教师演示。

例题4：学生以小组为单位，讨论：如何测量下列图中通过灯泡L1的电流？并根据电路图连接实物图。

教师：把连好的实物图拿来投影，正确吗？学生齐声回答，正确。

5．电流表怎样读数

教师：请同学们阅读课本P112 “怎样在电流表上读数”部分。

小组讨论：怎样在电流表上读数。教师巡回观察小组讨论情况。

小组展示：

（1）根据接线柱确定使用的量程；（2）根据使用的量程确定分度值；（3）接通电路后根据表针的位置读出几个大格、几个小格，从而确定电流表的读数。

［投影］

练习电流表的读数。

6．师生共同总结电流表的使用方法。

三、课后总结

电流的测量的教案第3篇

1 瞬态电流测量的基本方法及装置

流经芯片或电路的电源电流的测量,一般采用基于串联电阻的电流检测技术。其电路原理如图1所示,即在芯片或电路的电源引脚与其对应的输入通道之间插入一阻值已知的采样电阻RSENSE,再运用电压检测电路检测出采样电阻两端电压即可间接的检测出电源电流。

文献[4]基于图1所示电源电流测量基本原理,提出了图2所示的电流测量装置,并通过仿真实验验证了该电流测量装置可应用基于电源电流测试的电路故障诊断。

文献[5]提出了图3所示的电流测量装置,在完成测量装置静、动态性能理论分析的基础上,并通过仿真和实物研究,验证了该电流测量装置完全满足电源电流测试技术要求。

2 基于集成电流检测芯片的电源电流测量装置

上述文献提出的电流测量装置均基于分立或半分立元器件设计,需采用精密运放和精密电阻电容,不利于装置的实用化。随着电子技术的发展,美国美信(Maxim)等公司纷纷推出了多种集成电流检测芯片[6],其内部已包括所需的精密运放和电阻电容,只需在外围加入少量基本元件即可构建高性能的电流测量装置。

2.1 集成电流检测芯片MAX4173

美国美信公司生产的精密高端电流检测芯片已形成系列化产品,MAX4173是其中最具代表性的芯片,其内部功能框图如图4所示,主要采用精密运放和电阻电容构成差分运放和电流镜电路实现电流的检测。

2.2 基于MAX4173的电流测量装置

采用集成电流检测芯片MAX4173只需外加1个芯片供电滤波电容和1个采样电阻即可成功构建一高性能的电源电流测量装置,其电路图如图5所示。

根据图5所示电路原理图,只需将插入在芯片或电路的电源引脚与其对应的输入通道之间的采样电阻RSENSE的两端分别直接与芯片的RS+和RS-端相连,即可经MAX4173芯片内部精密运放器结合电阻构成的差分运放电路(详见图4)实现RG1两端电压与RSENSE两端的电压差相等,即ILOAD·RSENSE=VSENSE=IRG1·RG1。

其后,电流(IRG1)经电流镜转换和放大后输出电流IRGD,IRGD=IRG1·b,b为电流镜镜像电流系数;并通过RGD将IRGD转换成电压VOUT输出,VOUT=RGD·IRGD=RGD·IRG1·b=RGD·VSENSE/RG1·b=Rsense·Iload·RGD/RG1·b,即:

因此,采用集成电流检测芯片MAX4173只需外加采样电阻RSENSE和滤波电容即可将电源电流转换成电压,而且可实现电源电流的高速高精度的实时测量。

3 基于MAX4173的电流测量装置性能仿真实验

选用文献[7]所采用的CMOS管与非门电路为被测电路(CUT),以通用电路仿真软件PSPICE10.5为仿真平台进行仿真实验验证基于集成电流检测芯片MAX4173的电流测量装置的测量性能。

CMOS管与非门电路的基本电路为两个PMOS和NMOS晶体管,分别采用PSPICE的仿真器件模型IRF9140和IRF150,MAX4173采用美信公司提供的PSPICE仿真模型,建立了图6所示的仿真模型。

在CMOS管与非门电路的输入端输入向量V1、V2,得到被测电路电源电流曲线如图7所示,经基于MAX4173的电流测量装置后的输出电压曲线如图8所示。

对比图7、8的仿真曲线可知,经电流测量装置后获得的电压曲线与电源电流曲线变化趋势一致,而且该电压可实时跟随电源电流的变化。因此,基于MAX4173的电流测量装置可以满足瞬态电流测试电源电流的实时测量要求,可应用于基于瞬态电流测试技术的电路故障。

4 结论

在分析集成电流检测芯片MAX4173的功能的基础上,结合瞬态电源电流测试中电流测量的需求,采用集成电流检测芯片MAX4173构建了电流测量装置,并以CMOS管与非门电路为被测电路建立瞬态电流测试仿真模型,仿真实验表明该电流测量装置可应用于瞬态电流测试。

摘要：电源电流的高效测量是电源电流测试技术应用于工程实际必须首先解决的关键问题,采用集成电流检测芯片MAX4173构建了一电流测量装置,经以CMOS管与非门电路为被测电路的性能测试仿真实验证实可满足瞬态电源电流的测量要求。

关键词：电流测试,电流测量,电流检测芯片

参考文献

[1]Jiang,W.;Vinnakota,B.Statistical threshold formulation for dynamic Idd test[A].Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems[C],IEEE Transactions on,June2002:694-705.

[2]Bhunia,S.,Roy,K.Dynamic supply current testing of ana-log circuits using wavelet transform[A].VLSI Test Sympo-sium,2002.(VTS2002).Proceedings20th IEEE[C],May2002:302-307.

[3]Bhunia,S.,Roy,K.Fault detection and diagnosis using wavelet based transient current analysis[A].Design,Au-tomation and Test in Europe Conference and Exhibition,2002.Proceedings[C],March2002:4-8.

[4]Al-Qutayri,M.A.Supply current monitor and set-up for fault detection in analogue circuits[A].Electronics,Circuits and Systems[C],2002.9th International Conference on Sept.2002:441-444.

[5]Ducoudray,G.O.,Gonzalez-Carvajal,R.,Ramirez-Angulo,J.A high-speed dynamic current sensor for iDD test based on the flipped voltage follower[A].Mixed-Signal Design[C],2003.Southwest Symposium on2003Feb:208-211.

[6]Maxim.Performance of current-sense amplifiers with input se-ries resistors[EB/OL].2007.1.http://www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/an/AN3888.pdf.

一种微弱电流测量仪的设计第4篇

关键词：微弱电流；微弱信号；开关调制；差分电路；工频噪声；偏置电流；失调电压

中图分类号：TM930；TN402 文献标志码：A

Weak current detector design

PENG Jianxue, MA Yongjun, TANG Tianhao

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract： In order to design a ultra weak current detector, which has the properties of higher accuracy and good repetition, the virtue of switch modulation differential balancing technology is used to eliminate the DC offset of weak current measurement system. The power-frequency noise and amplifier noise are suppressed with shielding and low-pass filters. The Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the system is enhanced by amplifying signal and suppressing noise simultaneously. Meantime, multi-level amplification and pre-zero adjustment are applied to achieve a great magnification without saturation. The tests show that the minimum range of this device is as low as 10 pA, and the minimum resolution is 0.5 pA, and the power-frequency noise and DC offset on the weak current measurement have a material influence. It also testifies the efficiency of the technology.

Key words： weak current；weak signal；switching modulation；differential circuit；power-frequency noise；bias current；offset voltage

0 引言

对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动以及微温差等，一般都通过相应的传感器将其转换成微电流或微电压，再经放大器放大其幅度以指示被测量的大小.^［1］因此，微弱电流测量在科学研究、加工和制造等领域有非常重要的现实意义，但放大电路和测量仪器系统本身的固有噪声以及外界干扰往往比微弱电流信号的幅度大许多，例如380 V交流电压通过干燥绝缘木(阻值达1000 MΩ)的电流为0.38 μA，大大超过被测微弱电流信号.

本设计以微弱电流为测量对象，最小量程可达10 pA，最小分辨率可达0.5 pA.微弱电流测量首先将待测微弱电流转变为微电压信号，对于一般运放，其失调电压在μV级以上，偏置电流在pA级以上，会淹没待测微弱电流信号；此外，需要对微电压信号放大到后续电路能进行处理的程度，但同时也放大了测量系统的噪声和直流误差，因此需要抑制噪声和消除直流误差.^［1-2］微弱电流测量的主要问题是工频干扰和各种直流误差源的影响.^［3］前者可通过屏蔽和低通滤波电路解决，后者可通过开关调制、差分对消技术加以消除.

1 基于开关调制、差分对消技术的微弱电流测量方法

1.1 测量系统直流误差模型

微弱电流测量系统中，待测微弱电流可能被各种噪声和直流误差信号所淹没，需要测量系统自身可以消除各种直流误差并尽可能地衰减各种噪声.对于本设计来说，直流误差源主要是运算放大器的偏置电流和失调电压等^［2］，运算放大器模型见图1.

图1 运算放大器模型

图1中，Ib+，Ib-是运算放大器的偏置电流，UIo是运算放大器的失调电压.常见的电流/电压转换电路即电流前置放大器模型见图2.

图2 微弱电流前置放大器模型图2中，Is是被测电流，Rf是反馈电阻(采样电阻)，R′是平衡电阻.前置放大器的输出误差^［3］Uo=UIo+Ib+R′+Ib-Rf(1)这些主要的直流误差源产生的直流误差须通过特殊的电路处理来消除.

1.2 开关调制、差分对消原理

本文提出开关调制、差分对消微弱电流测量法，从根本上消除直流误差对测量微弱电流信号的影响.所谓开关差分电路，指由CPU控制的调制开关对测量信号进行调制，通过采样保持与差分电路消除信号中所含的直流误差，最终输出与被测微弱电流信号幅值成正比的电压信号.开关调制电路等效模型见图3.

图3 开关调制前置放大器等效模型

当K1断开，K2闭合，此时输出Uo1=IsRf+UIo+Ib+R′+Ib-Rf(2)当K1闭合，K2断开，此时输出^［3］Uo2=UIo+Ib+R′+Ib-Rf(3)式(2)和(3)包含相同的直流误差部分，若两式差分，便可消去系统主要直流误差，输出Uo=Uo1-Uo2=IsRf(4)由式（4）可知，差分后的输出结果消除了运放的直流误差成分，与被测电流Is幅值成正比.由于被测量为微弱电流，所以Uo仍可能很微弱，需要经多级放大，再进行差分.设多级放大总倍数为A，则此时输出Uo=AIsRf(5)被测微弱电流值Is=UoARf(6)最终，测得结果由单片机根据式(6)通过串口通信在PC机上显示.

2 电路设计

2.1 系统结构

系统结构见图4.图4 系统结构

系统由3部分组成：第1部分为开关调制前置放大阶段，共设计4级，对信号进行调制，同时将微弱电流信号转化为电压信号；第2部分是主通道放大阶段，分2个阶段进行放大，由多路选择电路、低通滤波电路、饱和判别单元和调零电路组成；第3部分是微弱电流测量输出阶段，由采样保持电路和差分电路等构成，根据调制开关的不同状态对放大后的电压信号分别采样保持，再通过差分电路消除系统直流误差，最终输出与被测电流幅值成正比的电压.

整个测量系统采用单片机作为控制中心，对调制开关、放大级选择以及电路时序进行控制.

2.2 第1阶段放大

第1放大阶段见图5.

图5 第1放大阶段

整个阶段分为8级（V1～V8），框图由上至下，级级相串，总放大倍数逐渐增大.第1放大阶段对前置放大阶段输出的低电压信号进行选级放大，选择的依据是多路选择开关由上至下依次选通闭合，输出电压第1次超出运放的线性工作范围时，所选的放大级向后倒退1级，即为所需的放大级.由饱和判别单元判断电路输出是否超出运放的线性工作范围.由于本设计采用开关调制、差分对消技术去除微弱电流测量中的直流误差，要保证调制开关处于不同状态时，同一放大级饱和判别结果均为不饱和，即均工作在线性范围内.

为衰减50 Hz工频及其高频谐波噪声，每个放大级包含1个低通滤波环节.第1阶段放大级差较大，相当于对信号进行粗放大，每级的放大倍数设计为5.3，所以对低通滤波50 Hz以上的信号增益必须衰减5.3倍以上，以保证每级对50 Hz以上信号的总增益Gs<1，这样工频信号在每级都不能放大.

系统的直流误差信号经数级放大后，输出可能超出运放的线性范围，因此在第1放大阶段末级设置调零电路，使末级失调输出预先调整在零点附近.

2.3 第2阶段放大

第2放大阶段共4级，为充分利用A/D转换器的分辨率，每级放大倍数较小，选择依据仍然是使信号输出为最大且不超过运算放大器的饱和电压，见图6.

图6 第2放大阶段根据调制开关的不同状态，将第2放大阶段输出的2次结果分别存储在2个采样保持器中，通过差分可以消除前置放大阶段、第1放大阶段和第2放大阶段的直流误差.

2.4 饱和判别单元

本设计前置放大阶段采用运放的供电电源为±3 V，电流/电压变换后的电压送往饱和判别单元1，判别结果送至单片机；第1和第2放大阶段采用运放的供电电源均为±15 V，放大后的结果经多路选择开关送至饱和判别单元2，判别结果送至单片机.饱和判别单元见图7.

图7 饱和判别阶段

3 实验结果与分析

3.1 微弱电流测量系统

微弱电流测量系统实物见图8.

图8 微弱电流测量系统

3.2 工频噪声影响

工频噪声可以通过环境杂散阻抗进入测量系统，也可以通过静电耦合和电磁耦合进入测量系统.无屏蔽且手靠近时放大级输出波形见图9.在为微弱电流测量仪盖上屏蔽板并将手贴在屏蔽板上后，放大级输出波形见图10.此时，工频干扰被有效屏蔽.图9 无屏蔽且手靠近时放大级输出波形

图10 手贴在屏蔽板上时放大级输出波形

3.3 采样保持及差分对消电路的验证

采样保持及差分对消电路的作用是消除本系统的直流误差和漂移.为进行验证，用双踪示波器分别跟踪采样保持前电路输入波形与差分对消电路后的输出波形，得到如图11所示波形.

图11 差分对消输出波形

3.4 实验数据

表1 不同电流值的5次测量结果pAI12345100100.520100.23099.890100.11099.870109.96310.0549.9829.93210.0114 结论

本文介绍的微电流测量仪经高温、低温、工频传导和射频干扰等不同环境条件下的试验，结果达到最小量程10 pA，最小分辨率0.5 pA，具有较高的精度和较好的重复再现性.试验表明，噪声和直流误差源的抑制和消除是微电流测量仪设计的核心^［4］；此外，屏蔽和保护环及合理的PCB布线对微电流测量有着重要影响.^［5-6］仪器的结构工艺、装配工艺和PCB布局布线有待改进，减小工频泄漏电流和高频噪声以及直流泄漏电流^［7］，此外调制开关的热电势是影响最小分辨率的主要因素之一^［8］.

参考文献：

［1］高晋占. 微弱信号检测［M］. 北京: 清华大学出版社, 2004： 7-12.

［2］曾庆勇. 微弱信号检测［M］. 杭州: 浙江大学出版社, 2003： 29-36.

［3］陈新, 何坚, 王春芳. 一种微电流直流放大器的研制［J］. 集美航海学院学报, 1998, 16(3): 22-24.

［4］KULAH H, AKIN T. A current mirroring integration based readout circuit for high performance infrared FPA applications［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ: Analog and Digital Signal Processing, 2003, 50(4): 181-186.

［5］LIANG Junli, YANG Shuyuan, TANG Zhifeng. Weak signal detection based on stochastic resonance［J］. J Electron & Inform Technol, 2006, 28(6): 1068-1072.

［6］MARTIN S M, GEBARA F H, STRONG T D, et al. A low-voltage, chemical sensor interface for systems-on-chip: the fully-differential potentio-stat［J］. IEEE Int Symp on Circuits & Systems, 2004, 4(23): 892-895.

［7］温世仁. 微弱信号检测系统中的接地与屏蔽技术分析［J］. 宇航计测技术, 2005, 25(2): 46-49.

［8］JIANG Hongkai, WANG Zhongsheng, HE Zhengjia. Early identification of weak-signal fault features under very unfavorable environment using adaptive lifting scheme packet［J］. J Northwestern Polytechnical Univ, 2008, 26(1): 99-103.

(编辑陈锋杰)

电流的测量的教案第5篇

一、教学目标

1.在物理知识方面的要求：

（1）了解用伏安法测电阻，无论用“内接法”还是“外接法”，测出的阻值都有误差，懂得误差的产生是由于电压表的分流或电流表的分压作用造成的。

（2）会根据给出的具体数据考虑选用什么规格的仪器。（3）知道欧姆表测电阻的原理。

2.引导学生理解观察内容的真实性，鼓励学生寻查意外现象及异常现象所发生的原因。

3.培养学生细心操作、认真观察的习惯和分析实际问题的能力。

二、重点、难点分析

1.重点是使学生掌握引起测量误差的原因及减小误差的方法。2.难点是误差的相对性。

三、教具

电压表，电流表，测电阻的示教板。

四、主要教学过程

（一）引入新课

我们在初中时已经做过了“用电压表、电流表测电阻”的实验，现在，再做“伏安法测电阻”，是不是简单的重复呢？大家可以回想一下，当初做实验时的情况，把两个示数相除，再多次求平均即可，那你们有没有想过，这样得到的就是电阻的真实值吗？不是，原因在于电压表和电流表都不是理想的。

（二）教学过程

一、伏安法测电阻

我们已经了解了电流表并非无电阻，而电压表也并不是电阻无穷大，用这样的表去测量电阻，会对测量结果有什么样的影响？

我们利用电压表，电流表测量电阻值时，需把二者同时接入电路，否则无对应关系，没有了测量的意义，那么接入时无非两种接入方法，那么电路应如何？请同学们画出。

2.电路：

如果是理想情况，即RA→0，Rv→∞时，两电路测量的数值应该是相同的。

提出问题，实际上两块表测量的是哪个研究对象的哪个值？测出来的数值与实际值有什么偏差，是偏大还是偏小？

外接法

U侧是Rx两端电压，是准确的，I测是过Rx和总电流，所以偏大。R测偏小，是由于电压表的分流作用造成的。

实际测的是Rx与Rv的并联值，随Rv↑，误差将越小。内接法

I测是过Rx的电流，是准确的，U测是加在Rx与R测偏大，是由于电流表的分压作用造成的。

上总电压，所以偏大。

实际测的是Rx与RA的串联值，随RA↓，误差将越小。

进一步提问：为了提高测量精度，选择内、外接的原则是什么？适用范围： Rv＞＞Rx

RA＜＜Rx

[思考题] 给你电源、电流计、已知电阻R、开关和未知电阻各一只，如何设计测量电阻的电路。

（方法一：将前后两次串入R和Rx各支路，测得电流为I1和I2，应有I1R=I2Rx，则Rx=I1R/I2。）

二、欧姆表

伏安法测电阻比较麻烦，实际应用时常用能直接读出电阻值的欧姆表来测电阻，关于欧姆表的构造，先请同学们看书。

以上画出的是简单的示意图。借助电流表显示示数，测电阻不同于测电流、电压，表内本身含有电源，表盘上本身刻定的是电流值。试想，在两表笔间接入不同的电阻时，电路中的电流会随之发生改变，且一个阻值对应一个电流值，即指针偏在某一位置，所以可知：

2.刻度的标定：

②两表笔断开，指针不偏，刻出“∞”；

对照*式不难看出此时Rx=Rg+R0+ r，是此时的欧姆表内阻，也称中值电阻。

拿出一块欧姆表演示一下刚才的过程，同时说明：

①红、黑表笔的规定是为了与以往的电压表、电流表“＋、—”极统一，即电流流入的为正极，电流流出的为负极。

②由于I与Rx并不是简单的反比关系，所以欧姆表的刻度是不均匀的，从右向左，刻度越来越密。

3.使用欧姆表的注意事项：（请同学回答并总结出）①测电阻时，要使被测电阻同其它电路脱离开。②欧姆表一般均有几挡，而且使用时间长了，电池的E，r均要发生改变，所以在每次使用前及换挡后都要进行调零。

③每次使用后要把开关拨到OFF档或交流电压挡的最大量程。

由此也可看出，利用欧姆表测电阻仅是粗测而已，在此基础上，应再利用伏安法测量才会比较准确。

（三）课后小结

1.伏安法测电阻虽然比较准确，但是无论采用哪种连接方法均会给测量带来误差，这是测量方法本身存在的问题，应属系统误差。

2.为了使测量误差尽量小，应选用合适的连接方法，可在用欧姆表粗测的基础上选取。

五、说明

内外接法讲解时采用对照的方式可以加深理解。

电流的测量的教案第6篇

1.教学目标

1、知道电流的单位及单位换算。

2、知道电流表的用途和符号。

3、记住并理解电流表的使用方法及读数方法。

2.教学重点/难点

电流概念的建立、电流表的使用方法。

3.教学用具 4.标签

教学过程

一、引入新课

师：我们知道，小灯泡发光是因为有电流持续通过小灯泡。下面请同学看老师的实验，仔细观察现象。

教师演示实验：这是一个由电池、灯泡、开关、导线构成的电路，当闭合开关时，同学们看到了什么？说明了什么？（生：灯泡发光，电路中有了电流.）师：你看到电流了吗？你怎么知道电路中有了电流？（生：电流倒是没看见，但灯泡发光了.）教师增加干电池的节数，学生观察小灯泡的亮、暗。师：看到了什么现象？（生：灯泡的明亮程度不一样，学生讨论，为什么？）

教师小结：灯泡越亮表明电路中的电流越强，灯泡越暗表明电路中的电流越弱，即是说电流有强弱。

二、进行新课

（一）电流的强弱

师：同学们请翻开书P45，了解如何表示电流的强弱？电流的单位是什么？知道一些常见的用电器中的一些电流。（学生看书）学生回答：

1、电流的强弱用电流表示，其符号是I。

2、电流的基本单位是安培，简称“安”，符号是A；常用的单位还有mA和uA。换算关系：1mA=103A，1A=106uA。

学生练习：手电筒电流大约为200mA=______A。雷电电流可达2X105A=___mA=___uA

（二）电流的测量

师：给每个小组发一个电流表，学生观察。

1、认真观察，认识电流表。

学生观察电流表实物，教师提醒学生注意观察的顺序，记录有价值的信息准备交流。（学生讨论交流，教师引导总结。）

生：电流表上有一个标志符号A，电流表表盘上有一排均匀刻度。生：电流表的刻度有两种标度。

生：电流表上有三个接线柱。标有“-”、“0.6”和“3”三个接线柱。

师：哪位同学能告诉我，三个接线柱分别表示什么？电流表的刻度为什么会有两种标度？（生：“0.6”和“3”是“+”接线柱，因为电流有方向，“+”和“-”接线柱告诉我们，电流应该从“+”接线柱流进电流表，从“-”接线柱流出电流表。生：两种标度是因为电流表有两个量程。一个是“0—0.6A，分度值为0.02A。一个是0—3A，分度值是0.1A）

2、学生练习读数：当电流表所接的量程为0－0.6A时电流表的示数为_________A 当电流表所接的量程为0－3A时电流表的示数为_________A

3、电流表的正确使用：

师：学生看书P46，归纳出电流表的使用方法并进行实验，并量小灯泡的电流。1：电流表必须和被测的用电器串联；（串联接入）2：电流必须从“+”接线柱流进去；“-”接线柱流出来；（“＋”进“—”出）

3：不要超过电流表的量程；（在无法知道电流的强度时，要采用“试触”的办法）（不超量程）

4：任何情况下都不能使电流表直接连到电源的两极上。（勿接电源）

4、实验：

演示实验：用电流表测一测前面电路中电流的大小。学生实验：物理课本47页：

（1）按照图15.4-5甲所示的电路图连接电路，测量这种情况下电路中的电流。（2）如图15.4-5乙所示，改变电流表在电流中的位置，测量这种情况下电路中的电流。（3）比较电流表两次示数是否有变化。

课堂小结

1、电流的强弱用电流表示，其符号是I。

2、电流的基本单位是安培，简称“安”，符号是A；常用的单位还有mA和uA。换算关系：1mA=103A，1A=106uA。

3、电流表的正确使用。