无线传感器
为监测环境情况或工业厂房及机器设备等运用供给了超卓的视界。由于它们很简略装置，因而能够布置在各种环境中。未来几年，跟着“物联网（IoT）”的广泛布置，无线传感器的运用将出现爆破式添加。可是约束无线传感器运用的一个最重要的要素就是它们的续航才能十分有限。当无线传感器的作业彻底依靠电池时，一旦电池耗尽电能，传感器就变成了废品。
假如您正在规划由电池供电的无线传感器，要想保证它能够作业必定的时刻，需求处理许多的难题。一般的办法是只要在进行必要的活动时才用电，其他时分传感器会进入低功率运用形式。无线传感器的作业能够分为一系列的活动，每个活动均要在一段时刻内耗费必定的电能。最常见的活动包含：
●唤醒、丈量，以及将数据处理成信息
●对射频功率放大器加电，发送信息，再次对射频功率放大器断电
●在双向传感器（发送和接纳）中：唤醒、对接纳机加电、接纳信号、处理数据，依照信息举动，并再次断电
清楚明了，有许多操作都会耗费电池的电能。
延伸电池供电时刻，最简略的做法是运用更大的电池，具有更大容量的电池。不过，您的客户或许期望传感器体积小、功用高（以便它们能够发送很多数据，并在本地具有智能/数据处理才能）。显着，客户的预期与处理电池供电时刻短这个问题的最简略办法彻底各走各路。
图 1：无线传感器在三种首要状态下的电流电平。
工程师怎么估量电池的供电时刻呢？
作为一名规划工程师，您需求从大局考虑，找到电池体积与无线传感器功用之间的平衡点，以便让小电池既能发挥最佳功用，又能继续满足长的时刻。优化进程首要需求了解能量需求。搜集有关能量运用的数据是表征器材功用的第一步。
电池有一个预界说数量的能量（瓦时（Wh））和容量（安时（Ah））。假如您知道器材作业需求多大的功率，就能核算出电池的供电时刻。
电池供电时刻（小时） = 电池容量（Wh） / 均匀放电功率（W）
电池的能量也是其额外电压（V）与容量（Ah）的乘积。额外电压是凭仗经历确认的电池放电曲线的中点值，能够正确相关电池的能量与容量。依据这个界说，电池的供电时刻也能够用这个公式来确认：
电池供电时刻（小时） = 电池容量（Ah） / 均匀放电电流（A）
图 2：Keysight N6781A SMU 能够跨动态电流电平进行准确丈量。
不过，当设备进行实践作业时，电池供电时刻一般短于您核算的成果。咱们最常听到的定见是：“这电池的质量太差了！”一些大电池品牌一般会供给具体的技能指标，并解说说在同一类型的电池之间，容量一般也会有5% 到10% 的差异。可是即便依照保存估量的电池容量，电池供电时刻也往往达不到规范。器材作业的时刻长度比咱们估量的短。为什么会这样？咱们估量的电量运用情况正确吗？或许不正确。让咱们探究一下这个问题。
丈量动态电流耗费的杂乱性
在无线传感器等电池供电器材中，为了省电，器材的子电路仅在需求时才激活。工程师将器材规划为大多数时刻都处于耗费电量最小的睡觉形式。在睡觉形式下，只要实时时钟运转。器材会定时唤醒以履行丈量。然后将收集的数据发送至接纳节点。
不同的作业形式会导致电流耗费跨过从亚uA 到100mA 很宽的动态规模，其比值达到了1:1，000，000。
传统的丈量技能及其局限性
要丈量电流，众所周知的办法就是运用万用表的安培计功用。运用现代的数字万用表如同能够取得很好的电流丈量精度，但其技能指标是依据固定规模和相对静态的信号电平来确认的，由于无线传感器具有动态的电流耗费，并不是十分合适运用万用表来丈量。
图3：数据记载器：一切样本均统一到接连的采样周期中。无样本丢掉。关于每个采样周期，还可供给最小值和最大值。
数字万用表串联在电池与器材之间来丈量电流。由于传感器的激活周期或发送形式的影响，咱们会不时看到不安稳的读数。咱们知道数字万用表具有多个量程，选用主动量程能够挑选最恰当的量程，并能供给最佳精度。不过，数字万用表也不是满是长处。主动量程需求时刻来改动量程和安稳丈量成果。主动量程时刻一般为10ms 至100ms，善于传输或激活形式的时刻。因而，用户需求禁用主动量程功用，手动挑选最恰当的量程。
数字万用表的丈量原理是经过在电路中刺进一个分路器，然后丈量这个分路器上的压降。一般，要丈量小电流，您可运用高电阻分路器并挑选低量程；要丈量大电流，则运用低电阻分路器并挑选高量程。这个压降也称为负载电压。由于这个压降，并非一切电池电压均能抵达无线传感器。低量程最准确，能够丈量睡觉电流，但在电流峰值期间会接受必定的电压，而这乃至或许形成器材重置。实践上，咱们终究做出了退让，运用大电流量程以保证器材在电流峰值时能够正常作业。这一退让使咱们能够处理峰值电流，也能丈量睡觉电流，但价值也很大。由于偏置差错是依据量程的满标度来规则的，它会严重影响低电流电平的丈量成果。这个差错或许是 100mA 量程的0.005%，也就是5μA，但关于10μA 来说就是50%，关于1μA 电流就是500%。器材在大多数时刻都处于这个电流电平，因而这个差错关于电池供电时刻的估量有着巨大影响。
在丈量完传感器在睡觉形式下的低电流电平后，咱们还必须丈量激活脉冲和传输脉冲，包含电流电平，以及传感器处于该电平上的时刻。示波器是丈量信号随时刻改动的杰出东西。不过，咱们需求丈量几十mA 级的电平电流，电流探头由于灵敏度有限和漂移问题，无法担任这一使命。杰出的钳形探头具有2.5mArms的噪声，常常需求重复履行零位补偿程序。电流探头丈量线路的电场，因而进步灵敏度的诀窍就是屡次经过同一线路，从而将磁场添加好几倍——从而电流读数也添加好几倍，使咱们能够更好一点丈量电流。选用这种办法，咱们能够捕获激活时刻和传输时刻的电流脉冲。即便在激活和传输时刻内，电流也会改动电平：它就像一列由凹凸电平组成的脉冲串。为了正确核算均匀电流，这个波形需求导出，一切丈量点需求整合以取得均匀值。
图4：200 多秒运转时刻的电流耗费记载为调查器材的动态电流耗费供给了新视界。
示波器能够很好地捕获单个猝发。不过，假如想要验证传感器在一段时刻内激活了多少次，多长时刻发射一次TX猝发，丈量将会愈加杂乱。示波器可在短时刻内轻松和超卓地完结丈量，可是传感器具有数分钟或数小时的运转周期，捕获和丈量起来愈加杂乱。
丈量立异
用于电池耗电剖析的Keysight N6781A电源/丈量单元（SMU）经过两大立异，克服了传统丈量办法的局限性：无缝电流量程和长时刻无距离数据记载。这个SMU模块可与Keysight N6700小型模块化电源体系或N6705直流电源剖析仪结合运用。
无缝电流量程是一项专利技能，它可使SMU改动丈量量程，一起输出电压坚持安稳，不会由于量程改动形成压降。该特性使您能够运用高电流量程来丈量峰值，运用1mA FS量程（具有100nA 偏置差错）丈量睡觉电流。这个低偏置差错（100nA偏置差错关于1μA 为10%，关于10μA为1%），数量级优于传统的数字万用表。
无缝电流量程与两个数字化仪相结合，能够以200kSa/s（5us 时刻分辨率）同步采样率丈量电压和电流。选用全时分辨率，能够捕获和显现2秒钟以上的数字化丈量成果，分辨率越低，时刻成份额添加。不过，在进行长时刻丈量时，Keysight N6705B 模块化直流电源剖析仪的内置数据记载器会在用户规则的积分周期（20us至60秒）内积分200kSa/s丈量成果，并且不会丢掉积分周期之间的任何样本。
由于数据记载器是无距离的，一切样本都会归入某个积分周期或下一个积分周期——不会丢掉任何样本。经过数据记载器，工程师们现在能够丈量无线传感器在长达1000小时运转时刻内的电流和能量耗费功用。
丈量睡觉电流，只需求放置游标，即可直接读出丈量读数。图4是单次收集一个长周期得到的丈量成果；咱们能够取得完好的电流耗费图，并准确丈量出睡觉电流为599nA。
经过平移和缩放功用，咱们能够看到电流电平缓每个功率电平的坚持时刻。运用传统丈量东西无法看到的细节现在能够一览无遗并进行丈量。图4中运用“？？？”确认的后沿脉冲就是一个显着现例。软件揭开了这个令人意外的隐秘：关于3.3μA的均匀电流，器材在大约90μA峰值处耗费脉冲能量，继续时刻为500ms。将这个电流耗费与599nA 睡觉电流相加，成果达到了730nA，这比咱们预期的电流高22%。这种意外或许是形成咱们轻视能量要求，使电池供电时刻短于预期的原因之一。
在优化无线传感器功耗时，了解这些具体信息关于工程师十分有协助。当寻求用户体会与电池耗费之间的平衡，以及答复比如“我应该每秒、每 5 秒仍是每10秒发送一次信息？”等问题时，了解发送一个信息包需求耗费多少能量十分重要。工程师们能够准确估量电池耗费对任何固化软件改动的影响，并在合理时刻内经过实践丈量进行验证。
轻松进行焦耳丈量
焦耳在估量电池供电时刻时十分有用，由于每个活动都会耗费必定量的能量。咱们也能够运用焦耳/发送比特来比较器材的功用。可是工程师们很少运用焦耳，由于需求运用电压、电流和时刻来核算它们。
使用Keysight 14585A操控和剖析软件，能够直接丈量焦耳单位的能量。例如，您能够丈量发射一个在触发丈量中捕获的数据包需求耗费多少能量。这个优势来自于使用两个数字化仪一起采样电压和电流，完成逐点功率丈量。焦耳能够作为游标之间的一个值轻松读出，规划师乃至能够进一步界说焦耳/发射比特。
