引言
根据测试系统的要求,往往需要采集被测对象的各种参数,如过渡过程的电压U、电流I等,这些量的采集是至关重要的,它们直接影响到整个测试系统的测试精度。 很多场合需在被测系统工作时,对其电流进行在线检测,因此如何无须串入电流表,直接对被测器件进行电流检测就相当重要。
常规测量电流I的方法存在测量范围小、测量误差大等缺点。本文介绍的在线电流检测器采用电流/电压转换芯片MAX472,克服了常规方法的缺点,实现了电流的高精度测量。
MAX472的工作原理
MAX 472的工作原理如图１所示。方框内的部分是该芯片的内部结构,其中A1和A2是两个运算放大器,构成差动输入,这样可以增强抗干扰能力,提高小电流信号的测量准确度;Q1和Q2是两个三极管;COMP是一比较器;Rsence是电流采样电阻,采用热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。方框外面的部分是用户可以根据自己的需要而改变的电路。其工作原理详述如下：
假定电流是从左向右(如图１中Iload方向所示)流过电流采样电阻Rsence,通过一电阻Rout接地。这样,运放A1工作,产生电流Iout从Q1的发射极流出。而此时运放A2是截止的,没有电流从Q2流出。A1的负输入端(-)电位为：
Vpower=Iload×Rsence,A1的开环增益使其正输入端(+)与负输入端(-)有相同的电位。故RG1的压降为：Iload×Rsence,经过计算,电压/电流转换的比例P由下式给出：
P=Vout/Iload=Rsence×(Rout/RG1)
根据上式Rsence取较小的值。通过(Rout/RG1)把比例Ｐ设置为一个合适的值。对于小电流,可以获得较大的输出测量电压Vout,避免前述直接测量电流信号太小的缺点;对于较大的电流,又不会对电路的带载能力产生较大的影响。在电路的具体应用中,电路各参数具体计算要满足该芯片技术条件要求：
OUT端的输出电压Vout<(VRG-1.5V)
OUT端的输出电流Iout≤1.5mA
图1 MAX 472的工作原理图
图2 硬件组成框图
系统构成
系统硬件构成框图如图2所示。本检测器主要由电流检测电路、A/D转换电路、AT89C2051和键盘显示部分组成。MAX472的SIGN端口与AT89C2051的P3.4相连,SIGN反映被测电流的方向。SIGN为低电平时,传感器两端的电压为负。
MAX472在电流测量电路中的应用
由于电流不能直接由A/D 转换器转换,因此必须先将其转变成电压信号,然后才能转换。所以,电流/电压转换电路在测试器中占有很重要的地位。
常用的电流测量方法是在被测电路中串入精密电阻,通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。这种方法的优点是测量简单方便。但当被测电流较大而串入的电阻阻值又较大时,电阻的压降对电路的带载能力将产生较大的影响;当被测电流很小时,从电阻上直接取得的电压值又可能太小,影响测量准确度。因而,这种直接测量的方法很难选择一合适的阻值,以适应电流变化范围较大的情况,尤其是较小电流的准确测量。由于检测电流须在系统工作的情况下进行,所以上述的串电阻直接测量的方法不能满足本系统的要求。本电路采用两探头触点并接到被测电流的电路上,达到测量的目的。
通过调研和实验,最后选用美国MAXIM公司最新生产的电流／电压转换器MAX472,其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想,且能适应大范围大电流的测量,经过验证和测试,很好地满足了设计的要求。
如需测量流经印刷底板某铜箔线中的电流,可将探针A和探针B并联在铜箔线上,而毋须切断铜箔或断开器件间的焊点串入电流表,并利用图3中Rsence与数厘米长的铜箔线并联,这样由于铜箔线AB段电阻RAB远远大于探头的输入电阻,从而强制将流经铜箔的电流分流至探头。经计算,Rsence =0.1 mΩ。设以1mm宽的印刷电路铜箔为例,测得其电阻率为2mΩ/cm,这样在AB探头并联在1cm铜箔线上时,流过铜箔线上的电流与探头电流之比为：
Iload / I铜箔=R铜箔/Rsence=20
因此,流过探头电流为铜箔线电流的20倍,检测误差为5%,若AB间距扩大到5cm,则检测误差为1%。
电流采样电阻Rsence的选择很重要,它决定了电压／电流的转换比例P。对于较小的电流,Rsence的选择须使得Ｐ较大,才能使得转换得到的输出电压不至于太小而影响测量的准确度。而图２所示的MAX472的应用电路,正是可以通过调整其中的RG1、RG2和Rout来调整P,从而获得较理想的P。理想P的获得是一个试凑计算的过程。 为获得较宽的测量范围,在实际电路中,通过量程切换,改变输入电阻。
结语
在线电流检测器中,采用电流/电压转换芯片MAX472和AT89C2051单片机,可提高测量精度,并且实现智能化检测。MAX472的应用电路中,调整合适的P,可获得较高的测量精度。