使用模擬多路復(fù)用器的多通道電流測(cè)量技術(shù)

很多嵌入式系統(tǒng)需要進(jìn)行精密電流測(cè)量，不同的應(yīng)用可以由不同的傳感器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在應(yīng)用比較多的電流測(cè)量傳感器有：發(fā)光二極管、燃油傳感器（輸出范圍從10nA-20mA）。目前，電流輸出傳感器比電壓輸出傳感器更受歡迎，這是由于它們具有較高的噪聲范圍以及可以使用較長(zhǎng)的電纜。本文介紹了一種使用模擬多路復(fù)用器測(cè)量多通道輸入電流的方法。

原理

有很多方法來(lái)測(cè)量電流。一種方法是使用通過(guò)電阻的電流來(lái)測(cè)量電壓。電阻上的電壓可以通過(guò)歐姆定律得到：
V=IR

這里I是當(dāng)前已知電阻的電流值。電阻的輸出電壓可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。有不同的ADC類(lèi)型諸如Delta sigma，單端或差分逐次逼近型(SAR)。圖1顯示了一個(gè)微處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的簡(jiǎn)單的測(cè)量分流電阻的電壓的方式。如果ADC輸入電壓范圍有限，同時(shí)還需要進(jìn)行精密測(cè)量，那么就需要精度更高的放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

利用ADC測(cè)量到的電壓除以電阻就得到電流值。電阻公差越小，模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率越高，測(cè)量到得電流就越準(zhǔn)確。


FIGURE-1

圖1:多通道電流測(cè)量

當(dāng)需要從多個(gè)傳感器測(cè)量或監(jiān)控電流時(shí)，可以使用一個(gè)單ADC的多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)。多路復(fù)用器的輸出連接到多個(gè)差分放大器。放大器的差分放大輸出連接到ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖2顯示了多路復(fù)用器的構(gòu)成：放大器、ADC、微處理器、模擬器件、外圍部件（如定時(shí)器和memory）。可以感應(yīng)和測(cè)量不同的電流源。微處理器可以記錄測(cè)量值。


圖2：多通道電流測(cè)量結(jié)構(gòu)

圖中有四個(gè)電流感應(yīng)分流電阻- Rs1 Rs3和Rs4（通過(guò)這些電阻可以測(cè)量到電流）。這里顯示的僅僅是個(gè)例子, 也可以連接其他傳感器輸出比如霍爾傳感器或輸出電流的模擬傳感器。電流測(cè)量的理想通道可以通過(guò)多路復(fù)用器來(lái)選擇。這些通過(guò)處理器來(lái)控制。模擬多路復(fù)用器輸出連接到提供信號(hào)增益的差分放大器。運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，差分放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器都是可以通過(guò)微處理器系統(tǒng)控制配置的。這樣做有利于下面情況：當(dāng)不同輸入通道通過(guò)復(fù)用器切換時(shí)，以及每個(gè)通道信號(hào)需要有不同的增益時(shí)。增益信號(hào)輸入到ADC隨后ADC的數(shù)據(jù)通過(guò)微處理器系統(tǒng)處理。

下面是計(jì)算ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的電流的方程式

可測(cè)量輸入電流：4mA

差分放大器增益：10

ADC供電電壓：5V

RS值	多路復(fù)用器輸入端電壓	ADC輸入電壓范圍	Mv /8位分辨率ADC計(jì)數(shù)	16位分辨率ADC計(jì)數(shù)
50E, 0.01%	0.2V	2V	7.8mV	30μV
100E, 0.01%	0.4V	4V	15.62mV	61μV

電流I可以從ADC讀數(shù)計(jì)算出結(jié)果:

電流I=(電壓計(jì)數(shù) x(mv /計(jì)數(shù))/電阻)/放大器增益

市場(chǎng)上有相當(dāng)數(shù)量的微處理器具備片上ADC，并且可以在運(yùn)行時(shí)通過(guò)固件進(jìn)行配置。ADC應(yīng)該滿(mǎn)足使用要求，具備適當(dāng)?shù)妮斎腚妷悍秶?，滿(mǎn)足操作要求、分辨率、增益控制等。如果ADC是差分的，能控制的增益到輸入信號(hào)，那么圖中的差分放大器也可以不用。

微處理器系統(tǒng)具有運(yùn)行時(shí)可配置的定時(shí)器。定時(shí)器可以設(shè)置為在一個(gè)特定的時(shí)間間隔產(chǎn)生中斷。這些中斷是用來(lái)中斷微處理器并連接所需的多路復(fù)用器輸入通道到輸出。讀出ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果讀數(shù)、處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)然后儲(chǔ)存在memory或傳輸?shù)絇C進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過(guò)改變計(jì)時(shí)器周期，可以很容易地變化監(jiān)控每個(gè)通道的時(shí)間。如果只監(jiān)控一個(gè)通道，只需在選定所需監(jiān)控通道后關(guān)掉定時(shí)器中斷即可。


下面這種情況必須十分小心，當(dāng)通過(guò)多路復(fù)用器從一個(gè)頻道切換到另一個(gè)頻道時(shí)，這時(shí)候ADC仍在處理轉(zhuǎn)換，那么可能會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測(cè)量。理想的方法就先停止ADC，清除之前任何轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后再切換到所期望的輸入通道，之后ADC就可以重新運(yùn)行了。

通常應(yīng)用一般要求信號(hào)盡可能快地發(fā)送，這基于多路復(fù)用器的開(kāi)關(guān)時(shí)間(例如：復(fù)用器從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道所花的時(shí)間)，這個(gè)時(shí)間應(yīng)該盡可能小，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的切換可能導(dǎo)致信號(hào)損失。所有的多路復(fù)用器應(yīng)該在建立新連接之前斷掉，這是為了避免與之前通道的信號(hào)發(fā)生短路。

影響電流測(cè)量的參數(shù)

有幾個(gè)參數(shù)決定了感應(yīng)的精確和電流的測(cè)量

電阻精度

一些參數(shù)對(duì)于電流精確測(cè)量時(shí)很重要的，首先要選擇適當(dāng)阻值的電阻，還要有合適的額定功率、允許偏差、溫度系數(shù)。拿溫度系數(shù)來(lái)說(shuō)，它定義了溫度變化時(shí)每度的變化對(duì)應(yīng)的電阻的變化。

如果感應(yīng)電阻（Rsense）值非常小，那么經(jīng)過(guò)感應(yīng)電阻的電壓降也會(huì)非常微小。這將需要大幅提高電平來(lái)達(dá)到精確電流測(cè)量。相反，如果Rsense值很大，那么然后很大功率(I2R)將被消耗，這會(huì)造成溫度變化，電阻經(jīng)過(guò)加熱后最終會(huì)帶來(lái)阻值的變化。過(guò)多的電源耗散也會(huì)導(dǎo)致電源損耗從而系統(tǒng)效率降低。

放大器精度

使用的放大器應(yīng)具備高輸入阻抗、低輸出阻抗、高CMRR、低輸入偏移電壓。輸入偏移電壓隨溫度線(xiàn)性變化。如果輸入偏移電壓很大，那么放大輸出電壓也不是很準(zhǔn)確，將會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的電流測(cè)量

例如：如果放大器增益為10，輸入偏移電壓是1 mv，那么輸出電壓將放大到10毫伏。如果使用的分流電阻很小，經(jīng)過(guò)它的電壓只有幾毫伏，那么放大器輸出端的偏移誤(10 mv)會(huì)顯得非常大，這將導(dǎo)致不準(zhǔn)確的電流測(cè)量。

多路復(fù)用器參數(shù)

前面已經(jīng)探討過(guò)，多路復(fù)用器的切換時(shí)間需要盡可能小，否則就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)損失。多路復(fù)用器的高導(dǎo)通電阻將影響輸入信號(hào)電壓，這可以對(duì)系統(tǒng)的整體性能有好處。多路復(fù)用器的通道電容和阻抗也會(huì)影響輸出信號(hào)，當(dāng)在通道間切換時(shí)可能會(huì)引入錯(cuò)誤電流。

ADC精度

ADC作用是將輸入電壓精確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這和其他因素一樣重要。例如：一個(gè)8位分辨率的ADC，運(yùn)行在輸入電壓范圍為0 -5伏特的情況下，每個(gè)計(jì)數(shù)將占大約19.60毫伏。針對(duì)整個(gè)測(cè)量電壓范圍，如果ADC 有1 LSB錯(cuò)誤，這將引入大約20mv的錯(cuò)誤。同樣的工作電壓范圍,16位ADC 1 LSB錯(cuò)誤會(huì)引入只有76微伏的錯(cuò)誤。當(dāng)ADC具備更高的分辨率和更小的范圍時(shí)會(huì)給出更精確的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，但成本也會(huì)成比例地增加。

單片機(jī)的可編程性

一些微控制器比如賽普拉斯的PSoC(可編程片上系統(tǒng))相當(dāng)適合于這樣的應(yīng)用（運(yùn)行時(shí)需配置）。PSoC是可編程的，可以增加差分模擬多路復(fù)用器，PGA（用于信號(hào)放大），Delta-Sigma ADC(可以設(shè)置為單端或差分)、定時(shí)器和許多其他組件，使用PSoC需要很少額外的硬件。圖3所示為一個(gè)多通道電流測(cè)量的例子。



圖3：多通道電流測(cè)量系統(tǒng)

多路復(fù)用器可配置為最多32通道，可編程增益放大器可以提供50倍增益，ADC是一個(gè)delta sigma ADC，它可工作在單端或差分輸入模式，可配置為8到20位分辨率。

多路復(fù)用器可以有單端或差分輸入兩種選擇，這有助于模擬工程師的傳感器應(yīng)用選擇。模擬多路復(fù)用器具備“先開(kāi)后合”的特性，在連接新輸入之前會(huì)完全斷開(kāi)電流輸入，這也避免了板上干擾。

局限性

電流測(cè)量需要一個(gè)精密電阻

板對(duì)板器件偏差可能造成測(cè)量的差異

同一時(shí)間只可以從一個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，其他通道的數(shù)據(jù)會(huì)丟失

隨著輸入通道數(shù)目的增加，監(jiān)控每個(gè)通道的時(shí)間也會(huì)增加

需要在放大階段放一個(gè)源匹配阻抗比如運(yùn)算放大器以免從輸出到下一個(gè)階段輸入阻抗不匹配。

因?yàn)槟M開(kāi)關(guān)只在過(guò)壓或低壓情況下處理特定電壓之間的電壓，開(kāi)關(guān)有可能損壞，因此,在多路復(fù)用器輸入需要附加保護(hù)電路。

因?yàn)橄到y(tǒng)性能會(huì)根據(jù)供電電壓變化而變化，硬件噪音,溫度變化，這就需要校準(zhǔn)達(dá)到精確測(cè)量的要求

獲得好性能的小竅門(mén)

使用輸入噪聲分離方法有助于提高整體系統(tǒng)性能

使用無(wú)噪音電源供電有助于精確的測(cè)量

避免模擬多路復(fù)用器輸入端的互擾

模擬多路復(fù)用器的通道切換時(shí)間要進(jìn)能短

盡量做到最優(yōu)布線(xiàn)，從而保證ADC，復(fù)用器，和PGA的性能。