低成本分流监测器IC带动动圈式仪表设计的复兴
尽管与数字读取技术相比,模拟动圈式仪表的分辨率和精度都较差,但就跟踪读取走势或根据测量数据变化获取信息来说,它仍是最佳的仪表显示技术。不过,对低电平电流测量来说,满量程偏转电流会超出待测电流,因此需要独立的电源给电表供电。过去的模拟电表(如 Hartmann & Braun 推出的 Multavi-10)采用可再充电的蓄电池作为电表电源,从而解决了这一问题。我们用手动可选的分流电阻配合高精度斩波放大器,就能使用户在从 1mA 至 1A 的 13 种不同大小的电流中进行选择。
随着现代分流监测器IC(如INA19x系列)的推出,动圈式仪表的放大器设计得到了大幅简化。图1显示了8英寸动圈式仪表的驱动电路,该仪表可测量0～100mA的电流。满量程偏转电流为15mA。分流监测器INA193可感测分流电阻RS1(阻值为1Ω)的压降。在最大电流为100mA的情况下,RS1上的电压为100mV。
图1 采用INA193、带独立电源的动圈式仪表
我们在选择 RS1的值时,要根据应用而定,而且还要在小信号精确度和测量线上允许的最大压降之间进行平衡取舍。当 RS1的值较高且电流较低时,就能最大限度地降低偏移的影响,从而提高精确度。当 RS1的值较低时,便能最大限度地减少供电线上的电压损耗。对大多数应用来说,如果 RS1的值能确保满量程分压范围在 50mV 至 100mV 之间,那么就能实现最佳性能。在确保测量精确的情况下,最大输入电压为 500mV。
在我们给出的例子中,INA193 以 20V/V 的增益系数放大了 100mV 满量程输入电压,从而实现了 2V 的满量程输出。随后的运算放大器OPA344 采用轨至轨输入和输出,与 N 通道MOSFET(BSN254)协同工作,作为电压控制的电流源。
请注意,包括 INA193 在内的整个电表电路采用一个 5V 的单电源,这也将 OPA 的最大电压摆幅限制为 5V,因此,我们应选择栅－源阈值电压VGS较低的 MOSFET,因为该电压会减小OPA 的输出摆幅。BSN254 的最大阈值电压为 2V,这足以满足较低的 VGS要求。由于非反向 OPA 输入的电压等于反向输入的电压,因此 RS2上的满量程输出电压为 2V。为了确保最大偏转电流的流动,我们可通过以下方程式计算出 RS2的值：
我们通过调节 RS2来校准电表,也可改变其满量程电流范围。我们调节 RS1则能提高低电流测量的精确度,也可扩大测量范围,以支持更高的电流值。该电路还有另一种优势,即,我们可将电表与检测点彼此分开。由于动圈式仪表本不适用于高精度测量,因此设计人员可采用测量精度较低的电阻。我们还应通过去耦电容来对仪表电源进行分流,以避免
