低成本分流監測器IC帶動(dòng)動(dòng)圈式儀表設計的復興

　　盡管與數字讀取技術(shù)相比，模擬動(dòng)圈式儀表的分辨率和精度都較差，但就跟蹤讀取走勢或根據測量數據變化獲取信息來(lái)說(shuō)，它仍是最佳的儀表顯示技術(shù)。不過(guò)，對低電平電流測量來(lái)說(shuō)，滿(mǎn)量程偏轉電流會(huì )超出待測電流，因此需要獨立的電源給電表供電。過(guò)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(wèn)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(hù)在從 1mA 至 1A 的 13 種不同大小的電流中進(jìn)行選擇。

　　隨著(zhù)現代分流監測器IC(如INA19x系列)的推出，動(dòng)圈式儀表的放大器設計得到了大幅簡(jiǎn)化。圖1顯示了8英寸動(dòng)圈式儀表的驅動(dòng)電路，該儀表可測量0～100mA的電流。滿(mǎn)量程偏轉電流為15mA。分流監測器INA193可感測分流電阻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、帶獨立電源的動(dòng)圈式儀表

　　我們在選擇 RS₁ 的值時(shí)，要根據應用而定，而且還要在小信號精確度和測量線(xiàn)上允許的最大壓降之間進(jìn)行平衡取舍。當 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 RS₁ 的值較低時(shí)，便能最大限度地減少供電線(xiàn)上的電壓損耗。對大多數應用來(lái)說(shuō)，如果 RS₁ 的值能確保滿(mǎn)量程分壓范圍在 50mV 至 100mV 之間，那么就能實(shí)現最佳性能。在確保測量精確的情況下，最大輸入電壓為 500mV。

　　在我們給出的例子中，INA193 以 20V/V 的增益系數放大了 100mV 滿(mǎn)量程輸入電壓，從而實(shí)現了 2V 的滿(mǎn)量程輸出。隨后的運算放大器 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。

　　請注意，包括 INA193 在內的整個(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，我們應選擇柵－源閾值電壓V_GS較低的 MOSFET，因為該電壓會(huì )減小OPA 的輸出擺幅。BSN254 的最大閾值電壓為 2V，這足以滿(mǎn)足較低的 V_GS 要求。由于非反向 OPA 輸入的電壓等于反向輸入的電壓，因此 R_S2 上的滿(mǎn)量程輸出電壓為 2V。為了確保最大偏轉電流的流動(dòng)，我們可通過(guò)以下方程式計算出 R_S2 的值：
　
　　我們通過(guò)調節 R_S2 來(lái)校準電表，也可改變其滿(mǎn)量程電流范圍。我們調節 R_S1 則能提高低電流測量的精確度，也可擴大測量范圍，以支持更高的電流值。該電路還有另一種優(yōu)勢，即，我們可將電表與檢測點(diǎn)彼此分開(kāi)。由于動(dòng)圈式儀表本不適用于高精度測量，因此設計人員可采用測量精度較低的電阻。我們還應通過(guò)去耦電容來(lái)對儀表電源進(jìn)行分流，以避免電子噪聲環(huán)境造成雜散干擾。

INA19x分流監測器

　　INA193 是一系列分流監測器中的一員。INA194 與 INA195 具有相同的外引腳布局，但增益不同，分別為 50V/V 與 100V/V。INA196、INA197 及 INA198 是另外三種分流監測器，其功能相同，但外引腳不同。

　　INA19x 系列采用一種全新的、獨特的內部電流拓撲技術(shù)，只需一個(gè)單電源，其共模電壓可擴展到-16V至 +80V。就經(jīng)典的儀表放大器技術(shù)而言，共模抑制要受電阻匹配精度要求的限制。INA19x 將電感輸入電壓轉換為電流，從而使共模抑制與電阻值之間不存在嚴格的函數關(guān)系，可在寬泛的共模范圍內實(shí)現更高性能。

　　圖 2 顯示了簡(jiǎn)化的示意圖，從中我們可以看到基本的電路功能。共模電壓為正時(shí)，放大器 A2 處于工作狀態(tài)。R_S的差動(dòng)輸入電壓 (V_IN+)- (V_IN-) 可實(shí)現 A2 輸入端的電壓電勢 V_N與 V_P：

V_N = V_IN+ - I_S