介紹片上模擬CIP，以減少或消除錯誤

某些應(yīng)用，如電力電子、安全系統(tǒng)和氣體監(jiān)測器，可能需要測量電路中流動的電流。雖然使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測量電壓是一個簡單的過程，但測量電流則不是。電流測量的復(fù)雜性增加，增加了測量誤差的幾率。這篇博文將討論其中一些誤差源，以及如何使用片上模擬內(nèi)核獨(dú)立外設(shè)（CIP）來減少或消除這些誤差。

問題的范圍

當(dāng)大電流流動時，更容易發(fā)生測量誤差。但這些錯誤不僅僅是電力系統(tǒng)所獨(dú)有的。接地和信號管理不良也會影響小信號測量。如果所有誤差和不精度的總和超過最低有效位（LSB）的1/2，換句話說，超過ADC每比特的分辨率，則誤差將影響測量。了解潛在誤差的來源可以最大限度地提高電流測量的能力。

顯示問題

讓我們從低側(cè)電流測量電路的簡化視圖開始。當(dāng)電流流過負(fù)載時，它通過檢測電阻，根據(jù)歐姆定律 （V = IR） 在電阻兩端產(chǎn)生電壓。在理想情況下，測量該電路就像將ADC輸入連接到該分流器一樣簡單。

簡化電流測量電路

現(xiàn)在，讓我們再次看一下這個圖，但添加了一些常見的寄生元件。電流檢測電阻不再是該電路低端的唯一電阻源。接地回路的電阻（RGND）與檢測電阻串聯(lián)。這種電阻通常來自印刷電路板 （PCB） 的接線、焊接連接和銅。

如圖所示為具有寄生電阻的電流測量電路

如果分流電阻與RGND相比相對較大，則影響可以忽略不計(jì)。但是，如果接地回路電阻僅為分流電阻的百分之幾，則會增加大量誤差。例如，如果使用 1 歐姆、±1% 分流電阻器，則僅 10 毫歐的電阻就相當(dāng)于電阻上的容差，將其轉(zhuǎn)換為 1 歐姆、-0%、+2% 電阻。隨著分流器的電阻變小，這種影響變得更加明顯。為了減少這種影響，有幾種方法可以補(bǔ)償和糾正此錯誤。

減少測量誤差

增加分流電阻

首先，讓我們看一下增加分流器的電阻。在電源應(yīng)用中，這不是最佳解決方案。隨著電阻的增加，電阻消耗的功率（P =I 2R）也會增加，從而降低了效率。為了保持通過負(fù)載的相同電流量，必須增加電源所需的順從性（電壓）。

這種方法僅在某些應(yīng)用和情況下才可行。

降低寄生電阻

相反的方法是降低寄生損耗。為了將損耗降至最低，電流返回路徑應(yīng)盡可能短，阻抗應(yīng)盡可能低。免費(fèi)的在線計(jì)算器和工具可以估計(jì)PCB上特定走線寬度的電阻量。

差分測量

某些微控制器 （MCU），例如 PIC18F56Q71 系列、PIC16F17146 系列、AVR? DD 系列或 ATtiny1627 系列，包含差分 ADC，可以測量兩個輸入之間的電壓差，而不是參考 MCU 的接地。

信號的差分測量

這消除了失調(diào)，而無需對電路進(jìn)行任何更改，盡管最小化寄生電阻和校準(zhǔn)的其他方法（見下文）仍然有效，如果可能的話，值得添加。這種方法也可用于高端檢測，只要（絕對）輸入電壓保持在MCU的絕對最大額定值內(nèi)。

偽差分測量

如果MCU缺少真差分ADC，則仍可以通過執(zhí)行偽差分測量來使用單端ADC執(zhí)行差分測量。在這種測量模式下，ADC首先測量電流檢測的高端，然后測量低端。通過相互減去結(jié)果，可以確定差分結(jié)果。

但是，這假定信號的DC（穩(wěn)態(tài)）行為。此測量的更好版本在模式高側(cè)、低側(cè)和高壓側(cè)執(zhí)行三次測量。在減法之前對兩個高端測量值進(jìn)行平均，以校正樣本之間信號的變化。

偽差分測量

校準(zhǔn)誤差

在模擬域之外，另一種減少誤差的方法是執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。這可以在工廠或最終產(chǎn)品中執(zhí)行。要執(zhí)行校準(zhǔn)，請將已知電路條件應(yīng)用于測量電路，從MCU獲取測量值，然后根據(jù)預(yù)期值計(jì)算誤差。測量誤差校正可以存儲在設(shè)備存儲器中以備將來使用，盡管隨著時間的推移可能會出現(xiàn)漂移。然后，在運(yùn)行時，MCU 在處理之前對結(jié)果應(yīng)用糾錯。

信號縮放問題

根據(jù)我們目前所討論的內(nèi)容，電流檢測電阻兩端的電壓被假定為ADC測量范圍內(nèi)的一個相當(dāng)大的信號。但這種情況并不常見。如前所述，電流檢測電阻耗散I2R功率。降低分流器的電阻可減少熱量的耗散并提高電源效率。

使用可編程增益放大器 （PGA）

一些差分ADC（如ATtiny1627系列的ADC）具有內(nèi)置可編程增益放大器（PGA），用于放大差分信號。當(dāng)信號非常小時，此功能非常有用，只能使用ADC測量范圍的一小部分。通過放大信號，微控制器甚至可以直接測量非常小的差分信號。

更通用的方法

沒有PGA的MCU將不得不采取不同的方法。一種選擇是將寄生電阻降至最低，并利用片內(nèi)運(yùn)算放大器（OPAMP）CIP。OPAMP可用于將分流器的輸出放大到更大、更可測量的值。此外，某些器件內(nèi)置電阻梯，無需外部元件即可用于OPAMP增益。為了獲得更嚴(yán)格的增益控制，如果需要，可以將外部電阻與OPAMP一起使用。

電流檢測放大器

這種方法的一個局限性是，使用兩個OPAMP CIP進(jìn)行差分放大將很難以有用的方式實(shí)現(xiàn)。要使這種方法發(fā)揮作用，兩個OPAMP需要具有相同的增益（可能來自精密匹配的電阻）和難以校正的匹配失調(diào)電壓。如果不匹配，將產(chǎn)生一定量的誤差，如增益誤差或失調(diào)誤差。在這種情況下，分立儀表放大器將是更好的選擇，因?yàn)樗鼈儼ヅ涞碾娮琛?/p>

結(jié)論

這篇博文討論了使用MCU測量電流的一些復(fù)雜性。

審核編輯：郭婷