电力电子与新能源
电压与电流要在同一时间基准上：没人提醒过你的通道时差
在复用式前端上，转换器先访问电压，再访问电流，然后循环。中间这几微秒要不要紧，完全取决于被测信号的频率成分 —— 而这个问题在买东西之前就能回答。
通道时差与它何时会毁掉功率测量、分流器／霍尔／CT／罗氏线圈之间怎么选、直流偏置为什么会积分成虚假容量，以及扫描速度对光伏曲线的影响。
电力电子里几乎所有有价值的东西都归结为同一个测量：一个电压和一个电流，必须相互比较。效率、功率因数、开关损耗、充放电曲线 —— 每一项都是关于两个信号乘积的论断，也就是说，每一项都依赖这两个信号是在同一瞬间采到的。
时差从哪来，有多大
本站所有 62xx 与 6xxx 模块都是「一个 ADC + 复用器」。转换是逐次进行的，所以同一次扫描里的两路，间隔就是总转换速率的倒数。增加通道只会让每一路被重复访问的频率下降，扫描内相邻两路之间的间隔不变。
| 总速率 | 相邻通道间隔 | 50 Hz 相位误差 | 10 kHz 相位误差 | 100 kHz 相位误差 |
|---|---|---|---|---|
| 400 kS/s | 2.5 µs | 0.045° | 9° | 90° |
| 250 kS/s | 4 µs | 0.072° | 14.4° | 144° |
| 100 kS/s | 10 µs | 0.18° | 36° | — |
| 1.25 MS/s | 0.8 µs | 0.014° | 2.9° | 28.8° |
左右滑动表格可查看全部列
特意把 100 kHz 那一列列出来，是为了显示论证在哪里失效。一旦时差接近周期的十分之一，电压和电流记录描述的就是同一波形的不同片段，任何后处理都恢复不了这个配对关系。信号成分超过约 100 kHz —— 也就是说，任何现代开关器件的边沿 —— 复用式采集卡就不是合适的仪器，答案是用示波器配差分探头。
什么时候同时采样不再是可选项
USB-4431 与 USB-4432 每通道独立 ADC，所有输入以各自的完整速率同时采样 —— 结构上就不存在时差。做功率测量时 USB-4432 更有用：每通道 ±40 V 量程，加上逐通道可选交流或直流耦合，使同一台仪器既能测直流母线，也能测交流纹波。
这也是本产品线诚实的边界。信号成分低于约 10 kHz 时，用上面那张表算清楚，复用式采集卡是正确且更便宜的选择。高于此，同时采样就不是「更精细」，而是「测量」与「巧合」之间的区别。
电流测量没有唯一正确答案
没有哪家能做出同时满足「直流准确、快到兆赫兹、非侵入、便宜」的传感器。市面上的每一种电流传感器都是不同的取舍组合，而选错的结果通常是一条平滑、可信、但就是错的曲线。
| 传感器 | 直流 | 带宽 | 隔离 | 要注意的地方 |
|---|---|---|---|---|
| 分流器 | 可以 | 很高 | 无 | 自身电感会把快边沿变圆，而且它串在功率回路里；需要开尔文接法和差分输入 |
| 霍尔 | 可以 | 中等 | 通常有 | 偏置随温度漂移，即使零电流也存在残余偏置 |
| 电流互感器 | 不能 | 中等 | 有 | 只能测交流，低频响应取决于负载电阻与磁芯 |
| 罗氏线圈 | 不能 | 较高 | 有 | 只能测交流且需要积分器；轻便、无磁芯饱和这些让它擅长快速脉冲的优点，恰恰就是它在直流下读不出东西的原因 |
左右滑动表格可查看全部列
这个错误的经典版本，是用罗氏线圈测电池放电曲线。仪器工作完全正常，它读到的确实是电流中真实的交流分量 —— 基本为零；而构成整条放电曲线的直流分量，压根到不了积分器。结果是一条平线，然后这笔账被算在电芯头上。
直流偏置为什么会变成虚假容量
电量是电流对时间的积分，所以电流测量中任何恒定误差都会无上限地累积。这是「小偏置并不小」的典型场合。
用 1 mΩ 分流器算一遍。该分流器上 100 µV 的残余偏置，读出来就是 100 mA 并不存在的电流。连续运行十小时，积分出 1 Ah 从来不在电芯里的容量。对一块 50 Ah 的电池组来说，这是铭牌值的 2%，且完全由测量链路产生 —— 而它看起来和自放电或电芯偏弱一模一样。
- 分流器采用开尔文四线接法，让采样线不通过负载电流，测到的就是分流器本身的压降，而不是连线的压降。
- 在零电流条件下对通道调零，并定期重复 —— 真正的失效模式是零点漂移，而不是零点绝对值。
- 在容得下的前提下选最窄的输入量程。50 mV 满量程的信号放在 ±10 V 档上，白白丢掉两个数量级的有效分辨率。
- 把偏置通道和数据一起记录。看得见的偏置，才有把握减掉。
光伏 I-V 曲线：扫描过程本身就是测量的一部分
扫一条 I-V 曲线看起来是本文里最简单的任务，其实不是。组件或组串有电容，工作点移动时这个电容必须充放电。扫得太快，测到的电流里就掺进了电容电流，而不只是电池本身的电流。扫得太慢，辐照度和电池温度在你脚下漂移，记录下来的曲线对应的是一个从未真实存在过的工作状态。
扫描方向也有影响。从开路扫到短路，和反方向扫，在高电容组件上给出的结果并不相同 —— 一个方向倾向于高估最大功率点，另一个低估，真值在两者之间。通行做法是两个方向都记录，把这个差值当作你的不确定度，而不是挑好看的那个用。
谐波：能测，但要先弄清限值管到哪一段
谐波电流发射的测量问题已经解决，背后有定义清晰的仪器标准 —— IEC 61000-4-7 规定了频谱分量如何分组与测量，限值本身则在 IEC 61000-3-2（每相 16 A 以下）和 IEC 61000-3-12（16 A 至 75 A）中。所需带宽并不高：50 Hz 的第 40 次谐波是 2 kHz，即使 16 路复用式卡每路跑 15 kS/s，也还有一个数量级的余量。
真正需要知道的是限值管不到哪里。谐波限值止于第 40 次。在约 2.5 kHz 到 150 kHz 之间 —— 即超谐波频段，恰恰是现代开关变换器投入大量能量的地方 —— 目前没有统一限值。一台逆变器可以通过 IEC 61000-3-2 的测试，同时在开关频率及其倍数上仍有可观发射。如果这对你的应用有影响，就必须专门去测；它不会以「合格／不合格」的形式出现在合规报告里，因为没有判据可依。
功率台架怎么选型
| 任务 | 型号 | 理由 |
|---|---|---|
| 工频效率、功率因数、电能计量 | USB-6212 | 16 路 400 kS/s 加 32 路数字线，对工频测量绰绰有余，且上面的计算说明此处的时差可以忽略 |
| 在测量的同时驱动可编程负载或栅极 | USB-6229 | 4 路 16 位输出以 833 kS/s 同步更新 —— 「同步」这一点才让它能当多相驱动用 |
| 多组串光伏监测，或多路电流电压同时采集 | USB-6225 | 单模块 80 路模拟输入，走线集中，单通道成本低 |
| 更快的开关成分，最高到几百 kHz | USB-6259 | 32 路输入、1.25 MS/s，另带 48 路数字线和 4 路高速模拟输出 |
| 凡是以电压电流相位关系本身作为测量目标 | USB-4432 | 每通道独立 ADC，±40 V 且逐通道可选交直流耦合 —— 没有时差，直流母线和它的纹波在同一台仪器上测 |
左右滑动表格可查看全部列
曲线看着没问题，所以躲过评审的几个错误
- 用只能测交流的电流传感器测电池放电，然后凭一条平线给电芯下结论。
- 在复用式采集卡上按开关频率比较电压通道和电流通道，却不考虑两者之间的时差。
- 忽略分流器的插入电感，然后把变圆的边沿当成器件真实的开关行为。
- 把电量积分的通道留在宽量程上，于是一个小偏置一夜之间变成大容量误差。
- 把通过 IEC 61000-3-2 当成「这台变换器电气上很安静」的证据。
本文中每个数字，要么是由公开的分辨率与采样率指标算出的算术结果，要么是所引用标准中给出的数值。凡是取决于具体型号的数字，请在冻结设计前对照该型号的数据手册确认。