亚星官网技术笔记：仪器采样率如何颠覆测量结果？

Zhou, Vera
Fri, 13 Jun 2025 08:34:00 +0000
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引言

某客户在测试电流的过程中，使用电源和负载测试，源和负载端记录电流为0.051A左右。但是有客户在使用亚星官网示波器和电流探头进行测试时，发现其电流均方根值居然达到了0.23A，与电源的表显读数不一致，客户无法理解该现象产生，于是请求亚星官网科技技术支持协助。

左图：亚星官网示波器读得电流均方根值247.7803mA；右图：电源和负载电流为0.057A

在常规测试中，电源和负载、万用表、示波器均是常用工具，但是这几种仪表间有着不一样的工作原理，其测量性能方面针对的特性也会存在一定的变化，尤其是（Sampling Rate）这一关键指标上。本文将从采样率的角度，分析以上仪器在测试中的不同表显电流结果，综合分析仪器测量准确度。

仪器采样率

采样率定义

采样率是根据单位时间内对信号的进行采样的测试，单位为Sa/s或者SPS（Samples Per Second）。采样率越高，设备对信号变化的捕捉能力越强。

采样率差异

电源

在现在的电源中，可以设定电流值或者电压值，进入恒电压（CV）模式或者恒电流（CC）模式。电源或负载为了得到电压和电流值进行控制，需要在内部输出端配置相关的采样电路进行电压采样或者电流采样，得到电压电流数据后再由上位机对电源环路进行控制输出。而电源主控同时也会将采样得到的电压电流进行转换后输出显示。

实际上，数字电源的电压电流采样在通过各式各样的采样电路后，都会将采样后输出的电压值送入模数转换器（ADC）中，进行数字化之后得到对应电压数字值。而涉及到电源中读数的采样，采用的一般是比较低位数、采样率较低的ADC进行采集。

传统的直流电源一般采用1Sa/s ~ 1kSa/s 左右的采样率进行测试采样，部分高端直流电源或者光伏模拟器会采用高达数百kSa/s 的采样率来满足更快的变化要求。在电源的采样测试中，更多出于成本考虑而不会将其采样结果取到更高的数值。

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万用表

万用表作为一种专门进行电压或者电流测试的仪器，其追求的是测量结果的准确性。一般的万用表会以精度位数作为更重要的指标，如亚星官网科技的SDM4055A/SDM4065A数字万用表分别对应五位半/六位半万用表，其采用的ADC位数一般在24位以上，但数据采样率会相对更低。

以亚星官网科技SDM4065A 举例，其最高采样率在0.001PLC下，对应读数速率最高为50kSa/s，并且会引入附加噪声导致测试位数的下降。因此对于高速波动的测试，万用表也并不足以支持高速的测试。

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示波器+电流探头

示波器是一种专门进行高速采集电压波形的仪器，其具备的高速ADC具有足够快速的采集能力，用于观察波形的变化。示波器采集数据的特点是具备较高的采样率，如亚星官网科技的SDS5000X HD系列示波器，其配备的ADC具备最高5 GSa/s 的采样率，但其ADC位数只有12位。因此示波器非常适合用于捕捉波形观察，但是并不适合非常高精度的垂直测量，如电池电压波动等。

由于示波器是测量电压的仪器，并不能直接测量电流，因此需要通过某种方式将电流转换成电压进行测试。一般在示波器的测试中会采用电流探头进行测试。

电流探头是基于霍尔器件进行探测的方式。流经导线的电流会在导线周围形成电磁通量。 而示波器电流探头测量电子在导线内运动时生成的磁。ü舳觳獯懦〉谋浠汛懦∽怀上嘤Φ牡缪剐藕牛ü褪凳笔静ㄆ髋浜希玫蕉杂Φ牡缌鞑ㄐ。

电流探头原理示意图

小结

关于以上三种仪器，可得出以下测量性能方面对比表：

测试差异

根据以上仪器采样率的差异，当在测试同一个器件时，可能会出现不同的结果。

客户想要对某段时间内电流数据进行平均值测量，发现电源电流读值显示为0.052A，而示波器端通过电流探头测量结果显示总时间内的电源高达0.24A，这两者结果差异较大。接下来让亚星官网基于示波器采集的波形数据，从采样率的差异变化进行分析。

1. 原始数据

原始数据采用的是示波器采集的电流波形，其采样率为2.5MSa/s采集数据，总采集时间为100ms，总点数为250kpts。以下先取数据10000点，即4ms的时间长度的数据进行观察：

100ms全采样波形细节

初步可以看到波形细节上大致是一个基于 44μs 为周期的波形信号，对应其频率为22.5kHz。为了更精确处理波形的频率分量，采用FFT变换后得到以下电流波形频谱数据：

100ms全采样波形FFT结果

可以看到其信号集中于分布于20kHz~100kHz附近。此时对波形求RMS均方根，可得其均方根值为0.2410A。

接下来为了模拟电源采集数据的影响，亚星官网通过算法将采样至两种不同级别进行测试：50kHz和5kHz，分别模拟逼近基频奈奎斯特采样和电源采集的结果。

2. 数据降采样至50 kHz

通过对数据进行50倍降采样，达到基波的奈奎斯特采样率，并对同等4ms时间取200pts进行观察，如下图：

降采样50kHz波形细节

可以看到基波保留，但是相应的高频分量已经丢失，整体的波形细节已经发生了丢失，同时峰值幅度也较之前大幅偏小。此时进行rms均方根计算得到结果为 0.0865 A，可以看到此时结果已经发生了较大的变化，采样率的降低已经影响到测量结果的准确性。

3. 数据降采样至5 kHz

通过对数据进行500倍降采样，模拟电源的采样率，并对40ms时间取200pts进行观察，如下图：

降采样5kHz波形细节

可以看到波形已经只剩下低频分量，发生了非常大的畸变，产生的波形已经不符合原来22kHz基频变化的结果。此时进行rms均方根计算得到结果为 0.0500A，此时比较对应客户在使用电源进行采集的结果，测试出来的值已经发生了变化，并不能代表真实的电流值了。

小结

针对不同采样率下的电流读值，如下表显示：

可以明确看到，降低采样率对计算均方根的结果会产生非常大偏差影响。假若根据低采样率测试的结果进行电路设计，可能会产生严重的功率不足问题。

万用表差异

1. 客户原始数据

在测试使用万用表进行测试的时候，也可以测出来对应的电流结果0.24A左右。这里会涉及到数字万用表精确测量电压的原理。

数字万用表在进行测量时，其测量单个电压的结果值并不是进行单次ADC采样就产生输出，而是在测试过程中通过多次ADC采样、积分平均、滤波等等操作之后才会输出单次结果。因此在使用万用表进行采集时，在不是过高的电流/电压波动情况下，是可以完成准确测量的。但随着电压波动速率的变化，万用表在一定程度内也会因为内处理的结果导致结果不正确。

2. 实测对比

以下将电流波形转成电压，通过信号源进行播放，并通过亚星官网示波器 SDS6208L 和亚星官网万用表SDM4065A 进行测试。示波器采用测量功能的均方根测量，万用表采用 滤波设置＞20Hz的ACV 测量方式得到电压均方根值。

首先让信号源按照原来2.5MSa/s 对波形进行播放，示波器在1GSa/s采样率下均方根读值为239.5mV，万用表读值为235.7mV。

将信号源采样率降低为原来的1/10，即250kSa/s，示波器采样率降低到500MSa/s下读得均方根为238.3mV，万用表读数为236.6mV。

将信号源采样率提高为原来的5倍，即12.5MSa/s，示波器在1GSa/s采样率下均方根读值为240.4mV，万用表读值为235.4mV。

将信号源采样率提高为原来的30倍，即75MSa/s，示示波器在1GSa/s采样率下均方根读值为238.1mV，万用表读值为253.4mV。

整理成表格形式如下：

可以看到，在提高信号速率直到 12.5 MSa/s之前， 示波器和万用表的数据都在238mV/235mV附近波动；但随着信号速率达到了 75 MSa/s 时，可以看到万用表读数大幅偏高，偏离实际电压值。因此可以认为，在测量高速变化的信号时，万用表并不能进行可靠测量，需要转而使用更高速的示波器进行测量才能达到需要的结果。

总结

在测试工作中，基于不同信号需要使用不同的仪器进行测试。低频率波形、接近直流的信号可以采用万用表进行精度较高的测定；高频率变化、起伏较大的信号可以采用示波器进行快递测定。使用不同仪器互补测量，确保信号得到完整的表征。

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