DIY制作低成本高精度示波器電流鉗

從事電機(jī)控制、電源設(shè)計(jì)的工程師，經(jīng)常會(huì)遇到測(cè)量電機(jī)相電流、電感電流的需求，那么有沒(méi)有遇到手邊沒(méi)有電流鉗的苦惱。打開(kāi)淘寶，動(dòng)起了買(mǎi)個(gè)電流鉗的念頭，卻發(fā)現(xiàn)精度高點(diǎn)的價(jià)格很貴，價(jià)格便宜的電流鉗精度又不高。該怎么辦呢？

小編囊中羞澀，既然買(mǎi)不起，那就自己做個(gè)吧！決定DIY一個(gè)成本20元以?xún)?nèi)的高精度示波器電流鉗，滿(mǎn)足平日使用需求。

首先來(lái)看看今天的主角ACS712，它是一款基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器,可用于電機(jī)控制中的相電流檢測(cè)。它能夠?qū)㈦娏?a target="_blank">信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)。此系列霍爾電流傳感器芯片有三種不同的電流等級(jí)，本文選擇測(cè)量范圍±20A，精度100mV/A的規(guī)格。

ACS712芯片內(nèi)部的框圖如上圖所示，當(dāng)電流從IP+流入IP-流出時(shí)，此時(shí)為正電流；當(dāng)電流從IP-流入IP+流出時(shí)，此時(shí)電流為負(fù)電流。為了支持正負(fù)電流檢測(cè)，芯片內(nèi)部存在一個(gè)2.5V直流偏置，使得輸出電壓Vout始終為正電壓，計(jì)算公式Vout= Ip*100mv/A+2.5V，因此靜態(tài)時(shí)Vout輸出為2.5V,對(duì)應(yīng)電流為0A；當(dāng)Vout輸出4.5V時(shí)，對(duì)應(yīng)電流為20A;；Vout輸出0.5V，對(duì)應(yīng)電流為-20A，每個(gè)電流值唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓值。

6引腳推薦外接電容，與芯片內(nèi)部Rf=1.7kΩ構(gòu)成低通濾波器，濾波器的截止頻率

，因此可以通過(guò)選取電容值設(shè)置濾波器帶寬，推薦1nF。

根據(jù)上文分析，從ACS712的輸出信號(hào)電壓Vout范圍為0.5V到4.5V，始終為正值，如果直接顯示在示波器上，不能很直觀(guān)的觀(guān)測(cè)出電流的正負(fù)。為了保持現(xiàn)有電流鉗使用習(xí)慣，希望當(dāng)輸入電流為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓同樣為0V。

為了在示波器上盡可能的還原出原始測(cè)量電流信號(hào)，做到和實(shí)際電流鉗測(cè)試一樣的效果，需要對(duì)ACS712的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。下文將具體介紹方案設(shè)計(jì)。

硬件設(shè)計(jì)框圖

硬件電路分為兩個(gè)部分：電源電路和信號(hào)調(diào)理電路。

為了實(shí)現(xiàn)正負(fù)電流的顯示，電路中運(yùn)放需要使用雙電源供電。板子采用9V儀表電池供電，使用LM7805穩(wěn)壓到+5V，然后使用SGM3204穩(wěn)壓到-5V電壓，

信號(hào)調(diào)理電路處理ACS712的輸出信號(hào)，首先減去+2.5V直流偏置電壓，后使用同向放大電路處理輸出，電路中還使用到低通濾波器用于濾除ACS712的器件噪聲。

信號(hào)調(diào)理電路

減法電路，用于減掉ACS712輸出的2.5V直流偏置電壓，使得采集到的正負(fù)電流對(duì)應(yīng)輸出電壓也為正負(fù)。電路原理如下圖所示：

其輸出電壓

的推導(dǎo)過(guò)程為(該電路滿(mǎn)足虛短續(xù)斷)：

實(shí)際電路如下圖所示：

由差分放大電路增益計(jì)算公式可知，該電路對(duì)輸入信號(hào)的增益1。運(yùn)放的同相輸入端（R9左端）接ACS712信號(hào)輸出，運(yùn)放反向輸入端（R12左端）接2.5V直流參考電壓，剛好減掉ACS712中的2.5V直流偏置。根據(jù)上文分析，運(yùn)放的輸出Vo= Ip*100mv/A，這樣剛好解決了ACS712的輸出直流偏置電壓?jiǎn)栴}，實(shí)現(xiàn)了0A對(duì)應(yīng)0V。

得到2.5V的電壓基準(zhǔn)有多種方法，比如使用TL431,專(zhuān)用基準(zhǔn)源芯片，電阻分壓等。這里我采用了最簡(jiǎn)單的方法，使用電阻分壓的方式得到2.5V，然后使用運(yùn)算放大器搭建電壓跟隨器，降低信號(hào)輸出阻抗，提高2.5V電壓精度，電路如下圖所示（電路中RP1不焊接）：

電源電路設(shè)計(jì)

為兼容傳統(tǒng)電流鉗使用習(xí)慣，整個(gè)電路使用9V儀表電池供電。在輸入端使用二極管作為防反接保護(hù)。

上文分析可知，運(yùn)放需要使用雙電源供電，使用LM7805得到穩(wěn)定的5V電壓，然后使用電荷泵芯片SGM3204得到-5V電源。

LM7805為常規(guī)的LDO降壓方案，實(shí)現(xiàn)原理這里不再展開(kāi)，下面看看SGM3204是如何將+5V電壓轉(zhuǎn)換成-5V電壓的。

SGM3204使用了電荷泵技術(shù)，它巧妙使用了電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)電容充放電回路的高頻切換，使得電源輸出電壓翻轉(zhuǎn)為負(fù)壓。

下圖截取自SGM3204數(shù)據(jù)手冊(cè)中，當(dāng)S1和S3閉合，S2和S4斷開(kāi)時(shí)電容Cfly充電到Vin，電容兩端電壓左高右低。當(dāng)S1和S3斷開(kāi)，S2和S4閉合時(shí)，電容Cfly左端接地，由于電容電壓無(wú)法突變，電容兩端電壓依然左高右低，電容右端電壓即輸出電壓Vout變?yōu)樨?fù)壓，大小為-Vin。（忽略各個(gè)開(kāi)關(guān)管壓降）

對(duì)上述原理圖在Tina中進(jìn)行仿真，首先VG1設(shè)置為5V方波輸出，頻率設(shè)置為1Mhz。

VG1的高低電平切換模擬了SGM3204手冊(cè)原理圖中的開(kāi)關(guān)S1和S2。高電平時(shí)（S1開(kāi)，S2關(guān)），低電平時(shí)（S1關(guān)，S2開(kāi)）。二極管模擬了開(kāi)關(guān)管S3和S4，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?，滿(mǎn)足電荷泵的開(kāi)關(guān)切換邏輯。

仿真波形中可以看出，在經(jīng)過(guò)10us后，輸出電壓VF1逐漸穩(wěn)定在-3.37V。

在經(jīng)過(guò)1000us后，輸出電壓VF1最終穩(wěn)定在-4.14V。因?yàn)槎O管存在正向?qū)▔航担敵鲭妷簱p失了0.86V，電荷泵負(fù)壓電路的原理就是這些，下面來(lái)看看SGM3204使用中關(guān)鍵器件的選型。

SGM3204的推薦電路比較簡(jiǎn)單，使用三個(gè)外部電容即可正常使用。分別為輸入旁路電容Cin,”泵送”電容Cfly,輸出電容Cout。

”泵送”電容Cfly,輸出電容Cout的選型至關(guān)重要，它們共同決定了電荷泵電源的輸出阻抗，輸出電壓紋波。

電荷泵的輸出阻抗由下式計(jì)算得到，Cfly在工作中的阻抗與其電容大小和開(kāi)關(guān)頻率的乘積成反比。Rswitch為內(nèi)部開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻，ESR為電容的等效串聯(lián)電阻。

電荷泵的輸出阻抗的大小會(huì)直接影響到輸出電壓。當(dāng)輸出電流增大時(shí)，由于輸出電阻的存在輸出電壓會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

所以在電容選型時(shí)需選擇低ESR的貼片陶瓷電容，也可通過(guò)多個(gè)小電容并聯(lián)達(dá)到降低電容ESR的目的。同時(shí)，根據(jù)下式適當(dāng)提高Cfly電容值，也可降低電荷泵輸出阻抗,但請(qǐng)記住一定要適當(dāng)提高。

輸出電容Cout直接影響輸出電壓的紋波，峰峰值可根據(jù)下式展開(kāi)計(jì)算

從公式中可以看出，如果將輸出電容取得比較大，就可以達(dá)到非常小的輸出紋波電壓。

這是理論計(jì)算結(jié)果，實(shí)際中受SGM3204內(nèi)部開(kāi)關(guān)管通流能力的限制。如果將Cout選型過(guò)大，由于內(nèi)阻比較小，會(huì)在充放電回路中產(chǎn)生浪涌電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞芯片。

下圖所示，增加5歐姆內(nèi)阻,使用3.3uf電容情況下，電容充放電存在800ma浪涌電流。

”泵送”電容Cfly和輸出電容Cout在大小上應(yīng)保持相等，因?yàn)樵赟2,S4開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，Cfly與Cout是一個(gè)共享（平均）電荷的過(guò)程，當(dāng)兩者容量相等時(shí)，可以更快的達(dá)到輸出穩(wěn)定電壓。

在設(shè)計(jì)中”泵送”電容Cfly和輸出電容Cout的容量取值采用了手冊(cè)推薦的3.3uf。使用該參數(shù)紋波測(cè)試效果，紋波小于10mv：

接口電路設(shè)計(jì)

常用的示波器的探頭使用的是BNC接口，為了盡量減少信號(hào)在PCB板到示波器之間的衰減，同時(shí)做好接口的匹配。在設(shè)計(jì)中使用了SMA射頻插座，然后使用SMA轉(zhuǎn)BNC射頻連接線(xiàn)，與示波器進(jìn)行鏈接。SMA在接頭處進(jìn)行鍍金處理，同時(shí)采用具有屏蔽層的連接線(xiàn)，屏蔽抗干擾，保證了傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性。

效果展示