通過正確的步驟來實(shí)現(xiàn)精密的測量

關(guān)鍵字：精密測量

各種用于提供控制或安全功能的設(shè)備常常需要使用電流測量裝置。通過電路進(jìn)行電流測量的最常用方法是測量一個(gè)低值電阻兩端的電壓降(圖1)。流過負(fù)載的電流也流過傳感電阻(也稱為分流電阻)R SENSE ，并在該電阻兩端產(chǎn)生電壓降VM。

圖1給出了兩種電流測量方法的測量原理。傳統(tǒng)的電流測量方法是使用誕生于電子學(xué)早期的安培表，這種方法目前仍在使用。安培表通常在流過它的電流為100 μA 或1 μA時(shí)指示滿量程，所以在測量較大的電流時(shí)需把它與分流電阻(分去大部分電流)并聯(lián)。這種方式可以調(diào)整安培表的量程進(jìn)而用它測量任何幅度的電流。

一種更為現(xiàn)代的電流測量方法使用運(yùn)算放大器對傳感電阻兩端的電壓降進(jìn)行放大，并且放大器輸出通常連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。在設(shè)計(jì)這種測量裝置時(shí)，首先需要選擇傳感電阻的值并設(shè)定放大器的增益。

例如，假設(shè)流過負(fù)載的電流在0～10A之間變化，ADC的最大輸入信號為5V。由于電流相對較大，需要使用阻值非常小的分流電阻。為簡化計(jì)算，這里選定阻值為0.025 Ω。在電流達(dá)到最大值10A時(shí)，分流電阻兩端的電壓VM為10 x 0.025 = 250mV。分流電阻的物理尺寸由功耗(Pd = I2R)決定。基于上述值有，Pd = 102 x 0.025 =2.5W。為降低分流電阻上的發(fā)熱量，應(yīng)使用額定功率為5W或更大的電阻。

圖1：通過電路進(jìn)行電流測量的最常用方法是測量一個(gè)低值電阻兩端的電壓降。

要滿足ADC的輸入要求，放大器需要提供的增益為：

如果把來自分流電阻的信號加到放大器的同相輸入端，則增益Av等于1加上反饋電阻與輸入電阻之比。如選擇R1的阻值為5kΩ，R2為95kΩ，則增益為20。

圖2：開爾文連接是一種帶有兩條激勵引線和兩條傳感引線的4線連接。

考慮分流電阻的熱特性

上面給出的例子提出了幾個(gè)需要進(jìn)一步考慮的問題。由于功耗或環(huán)境溫度變化，分流電阻會發(fā)熱，并改變分流電阻的阻值，從而影響測量的精度。電阻中所使用的金屬決定電阻的溫度系數(shù)(見表1)。

表1：電阻中所使用的金屬決定電阻的溫度系數(shù)。

開爾文傳感電阻

需要關(guān)注的第二個(gè)方面是分流電阻和放大器輸入之間的連接。在前面給出的例子中，普通的5W電阻使用20號(gauge)銅引線。如果把電阻兩端的引線都修剪到0.5英寸長并焊接到合適的位置，由于20號銅線的電阻約為0.001 Ω/英寸，引線將帶來4% 的相對誤差(相對于0.025Ω的電阻標(biāo)稱值)。

為避免引入這樣的誤差，需要進(jìn)一步增加兩個(gè)措施：采用開爾文連接方式與分流電阻相連并加入一個(gè)差分輸入放大器。開爾文連接是一種帶有兩條激勵引線和兩條傳感引線的4線連接(圖2)。其中兩條線(W1和W2)是激勵引線，它們將分流電阻連接到該電路的大電流端。另外兩條線(W3和W4)為傳感引線，它們將分流電阻兩端的電壓連接到放大器。這個(gè)方式將攜帶負(fù)載電流的導(dǎo)線與測量電路分離開來，并把W1和W2中的電壓降從分流電阻兩端的電壓測量中清除。為了進(jìn)一步有效利用開爾文連接的優(yōu)點(diǎn)，還需加入一個(gè)差分放大器(如圖3)。

圖3:：為了進(jìn)一步有效利用開爾文連接的優(yōu)點(diǎn)，還需加入一個(gè)差分放大器。

低端傳感和高端傳感

把傳感電阻放在負(fù)載和地之間的測量方式稱為低端傳感(low-side sensing)。當(dāng)輸入電壓為正并接近地時(shí)可采用低端傳感。但當(dāng)使用運(yùn)放且不滿足這些條件時(shí)，就存在一些問題。低端電流測量可能產(chǎn)生超出運(yùn)放負(fù)共模電壓極限的問題。
由于運(yùn)放的設(shè)計(jì)問題，只有在輸入共模電壓在正負(fù)電源電壓之間的某個(gè)范圍內(nèi)的情況下運(yùn)放才能正常工作。在單5V電源下工作的軌至軌輸入型運(yùn)放的共模輸入電壓指標(biāo)可能為0到+5V。

圖4：分布負(fù)載系統(tǒng)。

由于低端測量例子可能產(chǎn)生共模問題，這里考慮圖4所示的分布負(fù)載系統(tǒng)。虛線框中的控制單元使用MOSFET來控制輸送到兩個(gè)負(fù)載的功率。電源、負(fù)載和控制單元之間的寄生電阻RP1和RP2代表接地引線電阻和連接器電阻之和。在實(shí)際電路中，它們的數(shù)值可能為幾百毫歐。對于這個(gè)例子，假設(shè)RP1和RP2為0.2 Ω。差分放大器1和2與圖3中的差分放大器類似。

與圖1中一樣，流過每個(gè)負(fù)載的電流均為10A，分流電阻RS1和RS2均為0.025 Ω。流過控制單元的電流為1A。當(dāng)負(fù)載2運(yùn)行時(shí)，在點(diǎn)VG2點(diǎn)的電壓比VG1點(diǎn)的電壓高2V (0.2 Ωx10 A = 2 V)，VG3比VG2高0.2V。因而，相對于在該控制單元的共同連接點(diǎn)，差動放大器1的輸入電壓為-2.2V，高于大多數(shù)放大器的負(fù)共模電壓極限。除非該差分放大器所使用的放大器針對負(fù)共模電壓而進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，否則，該放大器在這個(gè)電路中將無法正常工作。對于本例而言，低端傳感還有一個(gè)缺點(diǎn)是需要用導(dǎo)線將分流電阻和差動放大器輸入連接起來。

高端電流傳感可以解決所有這些電流測量問題(圖5)。分流電阻放在電源的供電端而不是接地端。這種配置允許將分流電阻安裝在包含差分放大器和MOSFET的控制單元中。與控制模塊之間的導(dǎo)線連接也得到簡化。

圖5：高端電流傳感可以解決所有這些電流測量問題。

在這個(gè)例子中，差分放大器必須有能力處理與電源電壓相等的輸入共模電壓。解決這個(gè)問題的一種方式是在電源下運(yùn)行該差分放大器并選用輸入共模電壓指標(biāo)大于正電源電壓的放大器。另一種方式是使用針對高輸入共模電壓而專門設(shè)計(jì)的放大器。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)輸入被連接到更高的正電壓時(shí)，放大器可以在與其它控制電路相同的電源電壓下運(yùn)行。
總的來說，在測量電路中的電流時(shí)，要求放大器的輸入共模電壓指標(biāo)超過放大器的正負(fù)電源電壓，同時(shí)須保證輸入偏置電壓低并且增益精度高。