使用微控制器精確測(cè)量電流

介紹片上模擬CIP，以減少或消除誤差

某些應(yīng)用，如電力電子、安全系統(tǒng)和氣體監(jiān)測(cè)器，可能需要測(cè)量電路中流動(dòng)的電流。雖然使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測(cè)量電壓是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，但測(cè)量電流則不是。電流測(cè)量的復(fù)雜性增加，增加了測(cè)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(lái)減少或消除這些誤差。

問(wèn)題的范圍

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

顯示問(wèn)題

讓我們從低側(cè)電流測(cè)量電路的簡(jiǎn)化視圖開始。當(dāng)電流流過(guò)負(fù)載時(shí)，它通過(guò)檢測(cè)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(cè)量該電路就像將ADC輸入連接到該分流器一樣簡(jiǎn)單。

簡(jiǎn)化電流測(cè)量電路

現(xiàn)在，讓我們?cè)俅慰匆幌逻@個(gè)圖，但添加了一些常見的寄生元件。電流檢測(cè)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(cè)電阻串聯(lián)。這種電阻通常來(lái)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(cè)量電路

如果分流電阻與RGND相比相對(duì)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(huì)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(cuò)誤。

減少測(cè)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(huì)增加，從而降低了效率。為了保持通過(guò)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(cè)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(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入之間的電壓差，而不是參考 MCU 的接地。

信號(hào)的差分測(cè)量

這消除了失調(diào)，而無(wú)需對(duì)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(cè)，只要（絕對(duì)）輸入電壓保持在MCU的絕對(duì)最大額定值內(nèi)。 ## 偽差分測(cè)量 ??如果MCU缺少真差分ADC，則仍可以通過(guò)執(zhí)行偽差分測(cè)量來(lái)使用單端ADC執(zhí)行差分測(cè)量。在這種測(cè)量模式下，ADC首先測(cè)量電流檢測(cè)的高端，然后測(cè)量低端。通過(guò)相互減去結(jié)果，可以確定差分結(jié)果。 ??但是，這假定信號(hào)的DC（穩(wěn)態(tài)）行為。此測(cè)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(cè)量。在減法之前對(duì)兩個(gè)高端測(cè)量值進(jìn)行平均，以校正樣本之間信號(hào)的變化。

偽差分測(cè)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(qǐng)將已知電路條件應(yīng)用于測(cè)量電路，從MCU獲取測(cè)量值，然后根據(jù)預(yù)期值計(jì)算誤差。測(cè)量誤差校正可以存儲(chǔ)在設(shè)備存儲(chǔ)器中以備將來(lái)使用，盡管隨著時(shí)間的推移可能會(huì)出現(xiàn)漂移。然后，在運(yùn)行時(shí)，MCU 在處理之前對(duì)結(jié)果應(yīng)用糾錯(cuò)。

信號(hào)縮放問(wèn)題

根據(jù)我們目前所討論的內(nèi)容，電流檢測(cè)電阻兩端的電壓被假定為ADC測(cè)量范圍內(nèi)的一個(gè)相當(dāng)大的信號(hào)。但這種情況并不常見。如前所述，電流檢測(cè)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(hào)。當(dāng)信號(hào)非常小時(shí)，此功能非常有用，只能使用ADC測(cè)量范圍的一小部分。通過(guò)放大信號(hào)，微控制器甚至可以直接測(cè)量非常小的差分信號(hào)。

更通用的方法

沒(méi)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(cè)量的值。此外，某些器件內(nèi)置電阻梯，無(wú)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(cè)放大器

這種方法的一個(gè)局限性是，使用兩個(gè)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(gè)OPAMP需要具有相同的增益（可能來(lái)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(cè)量電流的一些復(fù)雜性。有關(guān) PIC18F56Q71 系列和 ATtiny1627 系列的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)我們的網(wǎng)站。