電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472在電流檢測器中的應(yīng)用

引言
根據(jù)測試系統(tǒng)的要求，往往需要采集被測對象的各種參數(shù)，如過渡過程的電壓U、電流I等，這些量的采集是至關(guān)重要的，它們直接影響到整個測試系統(tǒng)的測試精度。 很多場合需在被測系統(tǒng)工作時，對其電流進(jìn)行在線檢測，因此如何無須串入電流表，直接對被測器件進(jìn)行電流檢測就相當(dāng)重要。
常規(guī)測量電流I的方法存在測量范圍小、測量誤差大等缺點(diǎn)。本文介紹的在線電流檢測器采用電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472，克服了常規(guī)方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電流的高精度測量。

MAX472的工作原理
MAX 472的工作原理如圖１所示。方框內(nèi)的部分是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中A1和A2是兩個運(yùn)算放大器，構(gòu)成差動輸入，這樣可以增強(qiáng)抗干擾能力，提高小電流信號的測量準(zhǔn)確度；Q1和Q2是兩個三極管；COMP是一比較器；Rsence是電流采樣電阻，采用熱穩(wěn)定性好、漂移小的康銅絲制作。方框外面的部分是用戶可以根據(jù)自己的需要而改變的電路。其工作原理詳述如下：
假定電流是從左向右(如圖１中Iload方向所示)流過電流采樣電阻Rsence，通過一電阻Rout接地。這樣，運(yùn)放A1工作，產(chǎn)生電流Iout從Q1的發(fā)射極流出。而此時運(yùn)放A2是截止的，沒有電流從Q2流出。A1的負(fù)輸入端(-)電位為：Vpower=Iload×Rsence，A1的開環(huán)增益使其正輸入端(+)與負(fù)輸入端(-)有相同的電位。故RG1的壓降為：Iload×Rsence，經(jīng)過計算，電壓/電流轉(zhuǎn)換的比例P由下式給出：
P=Vout/Iload=Rsence×(Rout/RG1)
根據(jù)上式Rsence取較小的值。通過(Rout/RG1)把比例Ｐ設(shè)置為一個合適的值。對于小電流，可以獲得較大的輸出測量電壓Vout，避免前述直接測量電流信號太小的缺點(diǎn)；對于較大的電流，又不會對電路的帶載能力產(chǎn)生較大的影響。在電路的具體應(yīng)用中，電路各參數(shù)具體計算要滿足該芯片技術(shù)條件要求：
OUT端的輸出電壓Vout<(VRG-1.5V)
OUT端的輸出電流Iout≤1.5mA

圖1 MAX472工作原理圖

圖2 硬件組成框圖

圖3 MAX472在測試器中的應(yīng)用
系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖2所示。本檢測器主要由電流檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、AT89C2051和鍵盤顯示部分組成。MAX472的SIGN端口與AT89C2051的P3.4相連，SIGN反映被測電流的方向。SIGN為低電平時，傳感器兩端的電壓為負(fù)。

MAX472在電流測量電路中的應(yīng)用
由于電流不能直接由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，因此必須先將其轉(zhuǎn)變成電壓信號，然后才能轉(zhuǎn)換。所以，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路在測試器中占有很重要的地位。
常用的電流測量方法是在被測電路中串入精密電阻，通過直接采集電阻兩端的電壓來獲得電流。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測量簡單方便。但當(dāng)被測電流較大而串入的電阻阻值又較大時，電阻的壓降對電路的帶載能力將產(chǎn)生較大的影響；當(dāng)被測電流很小時，從電阻上直接取得的電壓值又可能太小，影響測量準(zhǔn)確度。因而，這種直接測量的方法很難選擇一合適的阻值，以適應(yīng)電流變化范圍較大的情況，尤其是較小電流的準(zhǔn)確測量。由于檢測電流須在系統(tǒng)工作的情況下進(jìn)行，所以上述的串電阻直接測量的方法不能滿足本系統(tǒng)的要求。本電路采用兩探頭觸點(diǎn)并接到被測電流的電路上，達(dá)到測量的目的。
通過調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，最后選用美國MAXIM公司最新生產(chǎn)的電流／電壓轉(zhuǎn)換器MAX472，其響應(yīng)時間、線性度、漂移等指標(biāo)均很理想，且能適應(yīng)大范圍大電流的測量，經(jīng)過驗(yàn)證和測試，很好地滿足了設(shè)計的要求。MAX472在測試器中的應(yīng)用電路如圖3所示。
如需測量流經(jīng)印刷底板某銅箔線中的電流，可將探針A和探針B并聯(lián)在銅箔線上，而毋須切斷銅箔或斷開器件間的焊點(diǎn)串入電流表，并利用圖3中Rsence與數(shù)厘米長的銅箔線并聯(lián)，這樣由于銅箔線AB段電阻RAB遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探頭的輸入電阻，從而強(qiáng)制將流經(jīng)銅箔的電流分流至探頭。經(jīng)計算，Rsence =0.1 mΩ。設(shè)以1mm寬的印刷電路銅箔為例，測得其電阻率為2mΩ/cm，這樣在AB探頭并聯(lián)在1cm銅箔線上時，流過銅箔線上的電流與探頭電流之比為：
Iload / I銅箔=R銅箔/Rsence=20
因此，流過探頭電流為銅箔線電流的20倍，檢測誤差為5%，若AB間距擴(kuò)大到5cm，則檢測誤差為1%。
電流采樣電阻Rsence的選擇很重要，它決定了電壓／電流的轉(zhuǎn)換比例P。對于較小的電流，Rsence的選擇須使得Ｐ較大，才能使得轉(zhuǎn)換得到的輸出電壓不至于太小而影響測量的準(zhǔn)確度。而圖２所示的MAX472的應(yīng)用電路，正是可以通過調(diào)整其中的RG1、RG2和Rout來調(diào)整P,從而獲得較理想的P。理想P的獲得是一個試湊計算的過程。 為獲得較寬的測量范圍，在實(shí)際電路中，通過量程切換，改變輸入電阻。

結(jié)語
在線電流檢測器中，采用電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472和AT89C2051單片機(jī)，可提高測量精度，并且實(shí)現(xiàn)智能化檢測。MAX472的應(yīng)用電路中，調(diào)整合適的P，可獲得較高的測量精度。■

參考文獻(xiàn)
1 何立民.《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1990年
2 Amtel. AT89C2051 User's Manual