低成本分流監(jiān)測(cè)器IC帶動(dòng)動(dòng)圈式儀表設(shè)計(jì)的復(fù)興
盡管與數(shù)字讀取技術(shù)相比,模擬動(dòng)圈式儀表的分辨率和精度都較差,但就跟蹤讀取走勢(shì)或根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)變化獲取信息來說,它仍是最佳的儀表顯示技術(shù)。不過,對(duì)低電平電流測(cè)量來說,滿量程偏轉(zhuǎn)電流會(huì)超出待測(cè)電流,因此需要獨(dú)立的電源給電表供電。過去的模擬電表(如 Hartmann & Braun 推出的 Multavi-10)采用可再充電的蓄電池作為電表電源,從而解決了這一問題。我們用手動(dòng)可選的分流電阻配合高精度斬波放大器,就能使用戶在從 1mA 至 1A 的 13 種不同大小的電流中進(jìn)行選擇。
隨著現(xiàn)代分流監(jiān)測(cè)器IC(如INA19x系列)的推出,動(dòng)圈式儀表的放大器設(shè)計(jì)得到了大幅簡(jiǎn)化。圖1顯示了8英寸動(dòng)圈式儀表的驅(qū)動(dòng)電路,該儀表可測(cè)量0～100mA的電流。滿量程偏轉(zhuǎn)電流為15mA。分流監(jiān)測(cè)器INA193可感測(cè)分流電阻RS1(阻值為1Ω)的壓降。在最大電流為100mA的情況下,RS1上的電壓為100mV。
圖1 采用INA193、帶獨(dú)立電源的動(dòng)圈式儀表
我們?cè)谶x擇 RS1的值時(shí),要根據(jù)應(yīng)用而定,而且還要在小信號(hào)精確度和測(cè)量線上允許的最大壓降之間進(jìn)行平衡取舍。當(dāng) RS1的值較高且電流較低時(shí),就能最大限度地降低偏移的影響,從而提高精確度。當(dāng) RS1的值較低時(shí),便能最大限度地減少供電線上的電壓損耗。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來說,如果 RS1的值能確保滿量程分壓范圍在 50mV 至 100mV 之間,那么就能實(shí)現(xiàn)最佳性能。在確保測(cè)量精確的情況下,最大輸入電壓為 500mV。
在我們給出的例子中,INA193 以 20V/V 的增益系數(shù)放大了 100mV 滿量程輸入電壓,從而實(shí)現(xiàn)了 2V 的滿量程輸出。隨后的運(yùn)算放大器OPA344 采用軌至軌輸入和輸出,與 N 通道MOSFET(BSN254)協(xié)同工作,作為電壓控制的電流源。
請(qǐng)注意,包括 INA193 在內(nèi)的整個(gè)電表電路采用一個(gè) 5V 的單電源,這也將 OPA 的最大電壓擺幅限制為 5V,因此,我們應(yīng)選擇柵－源閾值電壓VGS較低的 MOSFET,因?yàn)樵撾妷簳?huì)減小OPA 的輸出擺幅。BSN254 的最大閾值電壓為 2V,這足以滿足較低的 VGS要求。由于非反向 OPA 輸入的電壓等于反向輸入的電壓,因此 RS2上的滿量程輸出電壓為 2V。為了確保最大偏轉(zhuǎn)電流的流動(dòng),我們可通過以下方程式計(jì)算出 RS2的值：
我們通過調(diào)節(jié) RS2來校準(zhǔn)電表,也可改變其滿量程電流范圍。我們調(diào)節(jié) RS1則能提高低電流測(cè)量的精確度,也可擴(kuò)大測(cè)量范圍,以支持更高的電流值。該電路還有另一種優(yōu)勢(shì),即,我們可將電表與檢測(cè)點(diǎn)彼此分開。由于動(dòng)圈式儀表本不適用于高精度測(cè)量,因此設(shè)計(jì)人員可采用測(cè)量精度較低的電阻。我們還應(yīng)通過去耦電容來對(duì)儀表電源進(jìn)行分流,以避免
