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V_GS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 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 R_S2 的值：
　
　　我們通過調(diào)節(jié) R_S2 來校準(zhǔn)電表，也可改變其滿量程電流范圍。我們調(diào)節(jié) R_S1 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，以避免電子噪聲環(huán)境造成雜散干擾。

INA19x分流監(jiān)測(cè)器

　　INA193 是一系列分流監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)器，其功能相同，但外引腳不同。

　　INA19x 系列采用一種全新的、獨(dú)特的內(nèi)部電流拓?fù)浼夹g(shù)，只需一個(gè)單電源，其共模電壓可擴(kuò)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(zhuǎn)換為電流，從而使共模抑制與電阻值之間不存在嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，可在寬泛的共模范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(xiàn) A2 輸入端的電壓電勢(shì) V_N與 V_P：

V_N = V_IN+ - I_S