請問如何測量非正弦波信號的交流電流？

PSIR

大家好：

上圖的波形是一個200Hz的交流信號，通過500Ω負載，在500Ω兩端量到的波形，我用一般的數位電表撥到交流檔時，量不到數值，因為這種一般的數位電表衰減很大，請問要測量這種非正弦波信號的電流，可以用什麼儀器來測量？謝謝。

ericchou

股溝隨機搜尋解答


使用单片机和电流互感器对非正弦周期电流有效值测定
https://blog.csdn.net/weixin_43128823/article/details/136646679
使用单片机加电流互感器测量交流电路的电流，是非常常见的手段。
最简单的方案就是直接使用采样电阻，整流滤波，再进入MCU的ADC进行转换，再通过软件滤波得到一个代表着电流大小的数值。
对于电流保护功能来说，这是行之有效的方法，只需要测量出电流在保护阈值情况下，MCU计算出数值即可。
对于采集正弦交流电流有效值，也可以使用峰值检波法，通过采集峰值电压的方法，再进行计算，也可得到。
而对于非正弦周期交流电流，想使用电流互感器采集其有效值，变得不那么简单了。  下面介绍一下我使用的一种高速采样的方法来进行有效值测定。


交流電源量測的基礎原理
https://www.tek.com/tw/documents/application-note/fundamentals-ac-power-measurements
功率分析涉及的某些量測、術語和計算，對新入門的工程師和技術人員而言，可能是全新的資訊因而會感到困擾。且現今的功率轉換設備通常會產生複雜的電壓和電流波形，相較於簡單正弦波單次應用，可能會需要多種不同的方法。本應用摘要將簡介功率量測的基本概念，以及釐清下列主要術語的定義，例如：
                        

• 均方根 (Root mean square)
• 實功率 (Real power)
• 視在功率 (Apparent power)
• 功率因數 (Power factor)
• 波峰因數 (Crest factor)
• 諧波失真 (Harmonic Distortion)
  

                        在更瞭解這些量測術語和概念，及其之間的關聯後，讓您在測試設計時，能更精確地解釋所得的量測結果。

PA1000 Single-Phase Power Analyzer
https://www.tek.com/tw/products/power-analyzers/pa1000#





測量非正弦波信號的交流電流可以通過以下方法進行：

1. **傅立葉分析**：非正弦波形可以通過傅立葉分析分解為基波和諧波的組合。這意味著可以將非正弦波形視為多個正弦波的疊加，這些正弦波的頻率是基波頻率的整數倍[[1]](https://www.tek.com/tw/documents ... -power-measurements)[[4]](https://www.voltech.com/cn/%E6%9 ... %E7%90%86%E8%AE%BA/)。這種方法可以幫助理解和分析非正弦波形的頻譜特性。

2. **使用單片機和電流互感器**：這是一種常見的測量方法。可以使用電流互感器來感應電流，然後通過單片機的ADC（模數轉換器）進行數字化處理。這種方法通常涉及使用采樣電阻和整流濾波來獲取信號的有效值[[2]](https://blog.csdn.net/weixin_43128823/article/details/136646679)。

3. **使用專用的測量儀器**：一些專用的測量儀器，如功率分析儀或數字示波器，可以直接測量非正弦波形的有效值和其他參數。這些儀器通常具有內建的傅立葉分析功能，可以自動計算波形的諧波成分。

這些方法可以幫助準確測量和分析非正弦波信號的交流電流，從而更好地理解其電氣特性。



測量非正弦波信號的交流電流可以使用多種專用儀器，每種儀器都有其特定的優缺點。以下是一些常用的儀器及其特點：
1. **數字示波器**：
   - **優點**：數字示波器能夠顯示波形的實時圖像，並且可以進行傅立葉分析來分解波形的諧波成分。它們通常具有高精度和多功能性，適合分
                     析複雜的波形。
   - **缺點**：價格較高，對於不熟悉操作的人來說，可能需要一定的學習曲線
                     [[1]](https://www.tek.com/tw/documents/primer/oscilloscope-basics)。

2. **功率分析儀**：
   - **優點**：專門設計用來測量電力參數，包括電壓、電流、功率因數等。
                    它們通常能夠直接測量非正弦波形的有效值，並提供詳細的諧波分析。
   - **缺點**：通常比示波器更昂貴，並且可能需要專業知識來正確設置和解讀數據。

3. **鎖相放大器**：
   - **優點**：能夠在噪聲環境中提取微弱信號，適合測量特定頻率的信號幅值和相位。它們在需要高靈敏度和精確度的應用中非常有用。
   - **缺點**：主要用於特定應用，對於一般的電流測量可能不如其他儀器那麼直觀
                     [[5]](https://www.zhinst.com/cn/resour ... f-lock-in-detection)。

這些儀器各有其適用的場景和限制，選擇合適的儀器取決於具體的測量需求和預算。





使用數位示波器測量非正弦波信號的交流電流可以通過以下步驟進行：

1. **準備設備**：
   - 確保你有一個數字示波器和一個電流探頭。電流探頭可以將電流信號轉換為電壓信號，這樣示波器就可以測量了
     [[1]](https://www.eevblog.com/forum/te ... usoidal-wave-forms/).

2. **連接探頭**：
   - 將電流探頭連接到示波器上，然後將探頭夾在需要測量的電路上。確保探頭的量程適合你要測量的電流範圍。

3. **設置示波器**：
   - 開啟示波器，選擇合適的時間基準和電壓範圍，以便清晰地顯示波形。你可能需要調整觸發設置以穩定顯示波形
     [[4]](https://www.instructables.com/Oscilloscope-How-To/).

4. **測量和分析**：
   - 使用示波器的RMS（均方根）功能來測量非正弦波形的有效值。這個功能可以幫助你直接獲得波形的RMS電流值，而不需要手動計算
      [[1]](https://www.eevblog.com/forum/te ... usoidal-wave-forms/).

5. **記錄數據**：
   - 一旦獲得穩定的讀數，記錄下來以供進一步分析。你也可以使用示波器的存儲功能保存波形數據。

這些步驟可以幫助你使用數字示波器準確測量和分析非正弦波信號的交流電流。

ysc

有RMS功能的數位電表.......

Vin

用示波器加電流探棒就可以很輕鬆的量出來

tonysun

現代數位示波器上應該都可以打開 RMS 值、峰值等顯示。

這個交流信號的峰值因素(Crest Factor, C.F.)蠻大，由圖片粗略估算，CF 約是 2.9

使用以下三用電表的交流檔為例，應該是可以進行RMS值測量的。但這些電表只能測RMS值，不能測峰值。

下圖是 Fluke 287/289 規格內支援的峰值因素，每檔滿刻度時的 CF 可以到 3，一半時 CF 可以到 5。



新一代的桌上型三用電表 Keithley DMM6500 每檔滿刻度時的 CF 可以到 3，非滿刻度時最大可以到 10。




有一種高頻的RMS交流電壓表，內部是使用 Thermal Couple 來量測 RMS 值，可以量測更高 CF 的信號

duke83

交流毫伏表就能測量，例如國產的就很好用。


這種儀器二手很多，很好買也很便宜又幾乎不會壞，或稱音頻電壓（電平）表，以前幾乎都是音響工廠生產線上的基礎儀器。
能測最大功率輸出也能測雜音位準，管你是什麼訊號成分測出來的都是平均值，但要顯示峰值最大值就沒辦法（只能用示波器）。

音頻分析儀當然也能測因為也是基於交流毫伏表改進來的儀器，但這較稀有且高價。

不花錢的音效卡與某些音頻分析軟件也可以，也能當示波器或頻譜儀用（only 音頻頻段），但其顯示的數值要經過交流毫伏表比對校正後才能用。

wish

duke83 發表於 2024-12-14 11:11 PM
交流毫伏表就能測量，例如國產的就很好用。

交流毫伏表應該只能量正弦波的有效值。

duke83

wish 發表於 2024-12-14 11:26 PM
交流毫伏表應該只能量正弦波的有效值。

其手冊上並沒有說不能測非正弦波，實務上音響界有白噪音、粉紅色噪音與收音的音壓分貝等等。
交流毫伏表是專門用來測量正弦交流信號電壓有效值。對於方波和三角波，其表頭指針位置只是它們的平均值位置，但可通過間接方式求得它們的有效值。若用交流毫伏表測得正弦信號電壓為1U，則方波有效值為0.9U，三角波有效值為1.036U。

當然的特殊的波型還是能用數位示波的測量功能比對確認一下數值，但如有諧波成分就很難直接比對還要再開傅立葉運算。

duke83

較新的數位儀器這種有效值與平均值的差別已經分不出來了，因為全部都是有效值。

音頻分析儀有輸入也有輸出也能穩定精確頻率與交流電壓到幾位數，就跟桌上型數字電表的精度差不多。

設定正弦輸出為 1.000V 接線回到輸入端判讀是 0.998V，同信號接到外部電表讀到是 0.9957V。


設定方波輸出為 1.000V 接線回到輸入端判讀是 0.998V，同信號接到外部電表讀到是 0.9959V。


所以不管是正弦還是方波其數值都是有效值才會讓外部電表的讀數都是差不多，電表的讀數也是有效值 True RMS。
覺得指針交流毫伏表有效值與平均值問題而不夠準的人可以升級為桌上型數字電表。

tonysun

duke83 發表於 2024-12-15 01:02 AM
較新的數位儀器這種有效值與平均值的差別已經分不出來了，因為全部都是有效值。

音頻分析儀有輸入也有輸出 ...

Neutrik 的 A2 是一台很經典的音頻測試儀 !!

它的說明書多處都有提醒，這台測試儀的所有電壓顯示，包括設定與量測，都只使用 True RMS 值喔

duke83

tonysun 發表於 2024-12-15 01:44 PM
Neutrik 的 A2 是一台很經典的音頻測試儀 !!

它的說明書多處都有提醒，這台測試儀的所有電壓顯示，包括 ...

感謝您找到文字證明現代的數位儀器都是 True RMS，我的照片就是用實測來證明方波的 True RMS 測量也是沒問題的。
這台機器我用了二三十年應該是夠了解他了，音頻的各種訊號也是統一用 True RMS 方式來測量，不像以前有各種測法與單位例如什麼 dBVU, dBFS 等等要轉換單位都要查表而且只能用正弦波測。

wish

duke83 發表於 2024-12-14 11:38 PM
其手冊上並沒有說不能測非正弦波，實務上音響界有白噪音、粉紅色噪音與收音的音壓分貝等等。
交流毫伏表 ...

我以前也有買這種指針毫伏表，不過不知道塞到那裡去了，我記得還有位前輩送給我一台真空管的VTVM 哩！
這種指針的交流毫伏表，一開始只有單Ch，後來看到一個雙Ch 一個表頭藏兩支指針又買回家了，改天找出來看還能不能用？
回歸正題，指針毫伏表這種早年的產物應該只是測量正弦波的有效值，有找出來直接試看看就知道答案了，只是要產生像1F 的交流波形電壓就有困難了。

duke83

wish 發表於 2024-12-15 10:15 PM
我以前也有買這種指針毫伏表，不過不知道塞到那裡去了，我記得還有位前輩送給我一台真空管的VTVM 哩！
這 ...

本帖的樓主發問者並沒有說要測 RMS 有效值應該只要能測到就好，所以交流毫伏表也是能測這種波型只是其數值是平均值而已。
只是現代幾乎大家手邊都有 RMS 的數位儀表，拿來測這種訊號當然會更好更符合現在大家一致認同的標準。

這種毫伏表不用找了以後也幾乎沒有機會用了，我以前也沒買這種表都是用示波器看或是大訊號直接用指針表測量。

wish

duke83 發表於 2024-12-15 11:28 PM
本帖的樓主發問者並沒有說要測 RMS 有效值應該只要能測到就好，所以交流毫伏表也是能測這種波型只是其數 ...

找到又沒壞的話就給烏骨雞學姐賣掉好了，搞不好有人會要。

jason680

有另一篇 "請問 ADVANTEST R6551 萬用表如何量測交流電流？"

精確標準儀器等級方案,前面 專業 大大級 酷友已給出

但實務上,您可能不需要或想用手邊已有設備,甚至用隨手可得三用電表更好...
1. 標準可靠---儀表
2. 手邊可用電表
  另一篇  R6551 萬用表,好像有點問題
3. (一般)三用電表
  可能小改(加個簡單電路---幾個元件)--以下討論詳述

---------
前提概要---電壓電流 聽我黑白共一下...
一般量電流可以直接(串聯)量電流--選用"適當"等級儀表
(但可有能一些限制,特定AC波形(例弦波,方波),看儀表等級)
另一種量"電壓"再換算成電流(已知波形(弦波,方波,三角波...)或固定換算比率)
V=IR, I=V/R  知道負載R或串接"適當"電阻---通常電流要"夠大"才行
量出電壓可以用公式轉換算出電流I
註:以你的示波器圖來看,脈沖波約佔1格不到,就以1/5=20%=0.2(平均及有效值相同)來算
若脈沖波比率非固定,會隨時有變化,則下方方案無法使用...

如你的示波器圖上所示
在500Ω負載量得電壓(兩格),因為你沒說電壓多大或一隔是多少
這裏就假設,一格是1V, 兩格則是算是2V
(雖然你的訊號比兩格多一點點,反正都假設的,用來舉例說明,大約一下...)
換算 電流約 2V/500Ω = 4mA
以上說的都是峰值

另一篇,說的是弦波3Vrms(有效值), 最大值Vmax=3Vrms*1.414 = 4.24V
R是1KΩ, 差不多最大值也是4mA左右(4.24mA)

以上聽我亂亂共,之後...
-------------------

1. 直上儀表等級
2. 手邊可用電表--要剛好有
3. (一般)三用電表---小改或OO改...

1跟2就不談,一個要有(錢)一個要有點運氣
3 三用電表 酷友 最不缺 動手能力也沒問題...

基本上,以下都是用量(最大值)電壓,再換算電流....
A1: 三用電表 + 簡單小改
  量有沒有信號(不在意數值是2mA還是5mA)
  電壓夠大時,又不需要準確度
            二極體
  ------+  ---|>|---+       <-----
         |               |                |
         R      電容 = C      電壓檔
         |               |                |
  ------+  ----------+        <----
上圖(文字)簡易電路

說明:
這個是一個簡單濾波 保持電路,量最大值.
1.負載上交流電壓不能太小
  (矽二極體順向偏壓 要大於0.6~0.7V, 鍺較低也要0.3~0.4V--維基百科資料)
2. 反應速度慢
  也就是說,原本有交流脈沖信號(量到(最大值)不到2V),在信號消失(0V)時
  由於電容沒有迴路可以放電(還是有---電容本身的漏電及你用的電表)所以會慢慢的慢慢的才變成0V

A2: A1改良方式: 電容兩端,加入一個放電電阻在電容兩端
注意: 電阻太大會放電慢(反應時間長), 電阻太小影響(最大值)電壓值
1個RC時間(快速下降), 5個RC時間以上才"接近"真實電壓.

A1/A2:
優點: 外加電路簡單
缺點: 條件限制多(電壓夠大,反應慢),不精準...
例: 最大電壓有3V,6V且不在意那(最少)5%,10%的誤差,反應時間慢(可接受)...
簡單計算:用鍺二極體(0.3V)
  0.3V/3V = 0.1 = 10% (最大值3V時10%,其他值>10%,例0.3/1.5V=0.2=20%)
  0.3V/6V = 0.05 = 5%

以上怎麼算都有誤差(比算出來的大),不在意的才用,在意的用以下 B方案...
如果負載上電壓有夠大,再來用就比較OK. 例:30V,, 0.3V/30V=0.01=1%
-----------------------

B2: 三用電表 + "有緣改"...
故意把"有源改"寫成"有緣改"
因為前面(A方案),的二極體整流,會有一個順向偏壓
不是"理想"整流電路,照成輸出失真,輕則誤差大,重則量不出(低於順向偏壓)

不是"理想"整流電路,那就改成 理想整流電路...
理想整流 一般都是加一個放大器,放大器就需要有"電源"然後又要跟電路共地...
所以好不好改能不能改,可能就不好說----故寫成"有緣改"

理想整流電路,網路應該很好查得到...
沒找到的話,底下有一堆二極體的應用可以當複習. 113頁有理想整流(放大器加二極體)
https://aries.dyu.edu.tw/~thhu/U ... rcuit_chapter03.pdf

以上方案在脈沖佔比固定時,量其最大值電壓以換算最大值電流-->再用固定比率換算平均值(有效值相同)...
以上個人,提出其他參考方向,沒有真正實作過,有興趣可自行參考或實驗.
有實驗的話,回帖造福酷友. 另外,如果來源是電力交流電,小心觸電短路等等風險及問題.

changold2

剛剛才注意到，樓主問的是電流不是電壓
可是看波型，應該是訊號，這種訊號電壓一般也不高
請問樓主是哪項需要必須量測訊號電流

阿明先生

changold2 發表於 2024-12-19 12:55 PM
剛剛才注意到，樓主問的是電流不是電壓
可是看波型，應該是訊號，這種訊號電壓一般也不高
請問樓主是哪項需 ...

我也是在猜想，測電流的目的是什麼？除非研究脈衝的電池充電器，或是脈波功率產生的電路，假如是一般訊號傳輸的脈波，應該會關心波形及電壓，包括脈波訊號輸送過程，波形訊號有無、延滯、鬼影，