取樣電阻的原理及其實現(xiàn)

取樣電阻的原理

一，電流檢測電阻的基本原理:

根據(jù)歐姆定律,當被測電流流過電阻時,電阻兩端的電壓與電流成正比 . 當 1W 的電阻通過的電流為幾百毫安時,這種設(shè)計是沒有問題的 . 然而如果電流達到 10-20A,情況就完全不同,因為在電阻上損耗的功率(P=I2xR)就不容忽視了 . 我們可以通過降低電阻阻值來降低功率損耗,但電阻兩端的電壓也會相應(yīng)降低,所以基于取樣分辨率的考慮,電阻的阻值也不允許太低 .

二，長期穩(wěn)定性

對于任何傳感器來說,長期穩(wěn)定性都非常重要 . 甚至在使用了一些年后,人們都希望還能維持早期的精度 . 這就意味著電阻材料在壽命周期內(nèi)一定要抗腐蝕,并且合金成分不能改變 . 要使測量元件滿足這些要求,可以使用同質(zhì)復合晶體組成的合金,通過退火和穩(wěn)定處理的生產(chǎn)制程,以達到基本熱力學狀態(tài) . 這樣的合金的穩(wěn)定性可以達到 ppm/ 年的數(shù)量級,使其能用于標準電阻 .

表面貼裝電阻 在 140℃下老化 1000 小時后阻值只有大約 -0.2%的輕微漂移,這是由于生產(chǎn)過程中輕微變形而導致的晶格缺損造成的 . 阻值漂移很大程度上由高溫決定,因此在較低的溫度下比如+100℃,這種漂移實際是檢測不出來的 .

三，端子連接

在低阻值電阻中,端子的阻值和溫度系數(shù)的影響往往是不能忽略的,實際設(shè)計中應(yīng)充分考慮這些因素,可以使用附加的取樣端子直接測量金屬材料兩端的電壓 .

由電子束焊接的銅 - 錳鎳銅電阻實際上具有這樣低的端子阻值,通過合理的布線可以作為兩端子電阻使用而接近四端子連接的性能 . 但是在設(shè)計時一定要注意取樣電壓的信號連線不能直接連接取樣電阻的電流通道上,如果可能的話,最好能夠從取樣電阻下面連接到電流端子并設(shè)計成微帶線 .

四，低阻值

四引線設(shè)計推薦用于大電流和低阻值應(yīng)用 . 通常的做法使用錳鎳銅合金帶直接沖壓成電阻器,但這不是最好的辦法 . 盡管四引線電阻有利于改進溫度特性和熱電壓,但總阻值有時高出實際阻值 2 到 3 倍,這會導致難以接受的功率損耗和溫升 . 此外,電阻材料很難通過螺絲或焊接與銅連接,也會增加接觸電阻以及造成更大的損耗 .

康銅絲電阻

說到電流 / 電壓的采樣電路，就像上面萬用表中所使用的那樣，那么，什么是康銅絲電阻呢？

簡單地說，康銅絲電阻是選用高精密合金絲并經(jīng)過特殊工藝處理，其阻值低，精度高，溫度系數(shù)低，具有無電感，高過載能力。

正是因為康銅絲具備以上這些優(yōu)良的電氣特性，所以它被廣泛用于通訊系統(tǒng)，電子整機，自動化控制的電源等回路作限流，均流或取樣檢測電路連接等。

康銅絲具有較低的電阻溫度系數(shù)，較寬的使用溫度范圍（500℃以下），加工性能良好，具有良好的焊接性能（這很重要?。?/p>

此外還有一種新康銅電阻合金，為銅鐵基同合金，它具有與康銅一樣的電阻率，基本相近似的電阻溫度系數(shù)，和相同的使用溫度。

錳銅絲電阻

錳銅絲電阻和康銅絲電阻一樣，同樣是選用精密合金絲經(jīng)過特殊工藝處理，使其阻值低，精度高，溫度系數(shù)低，穩(wěn)定性好；具有無電感，高過載能力。

錳銅絲電阻同樣被廣泛用于通訊系統(tǒng)，電子整機，自動化控制的電源等回路作限流，均流或取樣檢測電路連接等。

看過描述我們發(fā)現(xiàn)，貌似錳銅絲和康銅絲其實差不多，二者的電阻率也相差不多。

采樣電阻誰更好？

兩種電阻的性能用途無本質(zhì)區(qū)別，但如果作為取樣電阻更趨向于錳銅絲電阻，它的穩(wěn)定性較好。

康銅絲電阻阻值從 0.1 毫歐至 100 毫歐之間，功率從 1 瓦至 30 瓦，產(chǎn)品精度最高可達 0.5%。

錳銅絲電阻阻值從 2 毫歐至 1 歐之間，功率從 1 瓦至 10 瓦可選，精度為 1%和 5%。

從這張表中我們得出結(jié)論：康銅的電阻溫度系數(shù)卻是錳銅的 4 倍以上；康銅對銅的熱電勢比錳銅的參數(shù)大 20-40 倍以上；另外由于康銅的鎳含量較高，所以在錫焊時，采用普通助焊劑的情況下，康銅不如錳銅易于焊接。

總體而言，二者均可用做制造精密電阻的材料，但各有優(yōu)勢：錳銅的精密級別更高；康銅還可用于一定精度的大功率電阻的制造。

簡單采樣電路的實現(xiàn)

簡約而不簡單的三個公式：R=U/I；既然是采樣電路，那么無非分為兩種實際的應(yīng)用，一種是電流采樣，另一種則是電壓采樣，有時這僅僅是兩種不同的叫法而已，實現(xiàn)方式則大同小異，只是特定的應(yīng)用中，需要得到的量不同罷了。即使這樣，根據(jù)不同的電路參數(shù)和需求，相應(yīng)的采樣電路也可能是大不相同，所以，我們在這里只說采樣電阻的應(yīng)用思路，不再講那些“枯燥”的電路原理。

對于普通愛好者來說，可能用到最多的，應(yīng)該是小電流或者小電壓的采樣，對于這種電路而言，通俗地說，要想使用采樣電阻實現(xiàn)電流或者電壓的采樣，常用的另外一種重要器件便是帶有 A/D 轉(zhuǎn)換功能的芯片，必要時還需要先將被采樣電流或者電壓進行放大，這里就用到了運放等功能芯片。

是的，基本原理就是這樣的，通過將采樣電阻串接到電路中，由于采樣電阻的阻值非常小，所以基本上不會對原有電路造成影響，因為流過的電流會在采樣電阻上形成相應(yīng)的電壓，那么，只要把電路中的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后用 ADC 量化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號，我們就可以成功得到這個量值，從而實現(xiàn)采樣過程。

AD 的差分與單端輸入

當輸入電壓變化較大時，差分的兩條信號線之間的電壓差變化不大，而單端輸入的一條線的電壓變化時，GND 不變，所以電壓差變化較大，綜上，差分輸入比單端輸入的抗干擾性強得多。

另外，差分輸入方式還可以有效抑制 EMI，這是因為兩條信號線極性相反，所以對外輻射的電磁場相互抵消，兩條信號線耦合越緊密，泄露到外界的電磁能量就越少。

審核編輯黃昊宇