使用模擬多路復(fù)用器的多通道電流測量技術(shù)
加入技術(shù)交流群
原理
有很多方法來測量電流。一種方法是使用通過電阻的電流來測量電壓。電阻上的電壓可以通過歐姆定律得到：
V=IR
這里I是當(dāng)前已知電阻的電流值。電阻的輸出電壓可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。有不同的ADC類型諸如Delta sigma，單端或差分逐次逼近型(SAR)。圖1顯示了一個微處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的簡單的測量分流電阻的電壓的方式。如果ADC輸入電壓范圍有限，同時還需要進行精密測量，那么就需要精度更高的放大器來實現(xiàn)。
利用ADC測量到的電壓除以電阻就得到電流值。電阻公差越小，模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率越高，測量到得電流就越準(zhǔn)確。
FIGURE-1
圖1:多通道電流測量
當(dāng)需要從多個傳感器測量或監(jiān)控電流時，可以使用一個單ADC的多路復(fù)用器實現(xiàn)。多路復(fù)用器的輸出連接到多個差分放大器。放大器的差分放大輸出連接到ADC進行轉(zhuǎn)換。
圖2顯示了多路復(fù)用器的構(gòu)成：放大器、ADC、微處理器、模擬器件、外圍部件（如定時器和memory）。可以感應(yīng)和測量不同的電流源。微處理器可以記錄測量值。
圖2：多通道電流測量結(jié)構(gòu)
圖中有四個電流感應(yīng)分流電阻- Rs1 Rs3和Rs4（通過這些電阻可以測量到電流）。這里顯示的僅僅是個例子, 也可以連接其他傳感器輸出比如霍爾傳感器或輸出電流的模擬傳感器。電流測量的理想通道可以通過多路復(fù)用器來選擇。這些通過處理器來控制。模擬多路復(fù)用器輸出連接到提供信號增益的差分放大器。運行時間內(nèi)，差分放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器都是可以通過微處理器系統(tǒng)控制配置的。這樣做有利于下面情況：當(dāng)不同輸入通道通過復(fù)用器切換時，以及每個通道信號需要有不同的增益時。增益信號輸入到ADC隨后ADC的數(shù)據(jù)通過微處理器系統(tǒng)處理。
下面是計算ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的電流的方程式
可測量輸入電流：4mA
差分放大器增益：10
ADC供電電壓：5V
RS值 | 多路復(fù)用器輸入端電壓 | ADC輸入電壓范圍 |
| 16位分辨率ADC計數(shù) |
50E, 0.01% | 0.2V | 2V | 7.8mV | 30μV |
100E, 0.01% | 0.4V | 4V | 15.62mV | 61μV |
電流I可以從ADC讀數(shù)計算出結(jié)果:
電流I=(電壓計數(shù) x(mv /計數(shù))/電阻)/放大器增益
市場上有相當(dāng)數(shù)量的微處理器具備片上ADC，并且可以在運行時通過固件進行配置。ADC應(yīng)該滿足使用要求，具備適當(dāng)?shù)妮斎腚妷悍秶瑵M足操作要求、分辨率、增益控制等。如果ADC是差分的，能控制的增益到輸入信號，那么圖中的差分放大器也可以不用。
微處理器系統(tǒng)具有運行時可配置的定時器。定時器可以設(shè)置為在一個特定的時間間隔產(chǎn)生中斷。這些中斷是用來中斷微處理器并連接所需的多路復(fù)用器輸入通道到輸出。讀出ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果讀數(shù)、處理實測數(shù)據(jù)然后儲存在memory或傳輸?shù)絇C進行數(shù)據(jù)分析。通過改變計時器周期，可以很容易地變化監(jiān)控每個通道的時間。如果只監(jiān)控一個通道，只需在選定所需監(jiān)控通道后關(guān)掉定時器中斷即可。
下面這種情況必須十分小心，當(dāng)通過多路復(fù)用器從一個頻道切換到另一個頻道時，這時候ADC仍在處理轉(zhuǎn)換，那么可能會導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測量。理想的方法就先停止ADC，清除之前任何轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后再切換到所期望的輸入通道，之后ADC就可以重新運行了。
通常應(yīng)用一般要求信號盡可能快地發(fā)送，這基于多路復(fù)用器的開關(guān)時間(例如：復(fù)用器從一個通道切換到另一個通道所花的時間)，這個時間應(yīng)該盡可能小，因為長時間的切換可能導(dǎo)致信號損失。所有的多路復(fù)用器應(yīng)該在建立新連接之前斷掉，這是為了避免與之前通道的信號發(fā)生短路。
影響電流測量的參數(shù)
有幾個參數(shù)決定了感應(yīng)的精確和電流的測量
電阻精度
一些參數(shù)對于電流精確測量時很重要的，首先要選擇適當(dāng)阻值的電阻，還要有合適的額定功率、允許偏差、溫度系數(shù)。拿溫度系數(shù)來說，它定義了溫度變化時每度的變化對應(yīng)的電阻的變化。
如果感應(yīng)電阻（Rsense）值非常小，那么經(jīng)過感應(yīng)電阻的電壓降也會非常微小。這將需要大幅提高電平來達到精確電流測量。相反，如果Rsense值很大，那么然后很大功率(I2R)將被消耗，這會造成溫度變化，電阻經(jīng)過加熱后最終會帶來阻值的變化。過多的電源耗散也會導(dǎo)致電源損耗從而系統(tǒng)效率降低。
放大器精度
使用的放大器應(yīng)具備高輸入阻抗、低輸出阻抗、高CMRR、低輸入偏移電壓。輸入偏移電壓隨溫度線性變化。如果輸入偏移電壓很大，那么放大輸出電壓也不是很準(zhǔn)確，將會導(dǎo)致不準(zhǔn)確的電流測量
例如：如果放大器增益為10，輸入偏移電壓是1 mv，那么輸出電壓將放大到10毫伏。如果使用的分流電阻很小，經(jīng)過它的電壓只有幾毫伏，那么放大器輸出端的偏移誤(10 mv)會顯得非常大，這將導(dǎo)致不準(zhǔn)確的電流測量。
多路復(fù)用器參數(shù)
前面已經(jīng)探討過，多路復(fù)用器的切換時間需要盡可能小，否則就會導(dǎo)致信號損失。多路復(fù)用器的高導(dǎo)通電阻將影響輸入信號電壓，這可以對系統(tǒng)的整體性能有好處。多路復(fù)用器的通道電容和阻抗也會影響輸出信號，當(dāng)在通道間切換時可能會引入錯誤電流。
ADC精度
ADC作用是將輸入電壓精確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這和其他因素一樣重要。例如：一個8位分辨率的ADC，運行在輸入電壓范圍為0 -5伏特的情況下，每個計數(shù)將占大約19.60毫伏。針對整個測量電壓范圍，如果ADC 有1 LSB錯誤，這將引入大約20mv的錯誤。同樣的工作電壓范圍,16位ADC 1 LSB錯誤會引入只有76微伏的錯誤。當(dāng)ADC具備更高的分辨率和更小的范圍時會給出更精確的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，但成本也會成比例地增加。
單片機的可編程性
一些微控制器比如賽普拉斯的PSoC(可編程片上系統(tǒng))相當(dāng)適合于這樣的應(yīng)用（運行時需配置）。PSoC是可編程的，可以增加差分模擬多路復(fù)用器，PGA（用于信號放大），Delta-Sigma ADC(可以設(shè)置為單端或差分)、定時器和許多其他組件，使用PSoC需要很少額外的硬件。圖3所示為一個多通道電流測量的例子。
圖3：多通道電流測量系統(tǒng)
多路復(fù)用器可配置為最多32通道，可編程增益放大器可以提供50倍增益，ADC是一個delta sigma ADC，它可工作在單端或差分輸入模式，可配置為8到20位分辨率。
多路復(fù)用器可以有單端或差分輸入兩種選擇，這有助于模擬工程師的傳感器應(yīng)用選擇。模擬多路復(fù)用器具備“先開后合”的特性，在連接新輸入之前會完全斷開電流輸入，這也避免了板上干擾。
局限性
電流測量需要一個精密電阻
板對板器件偏差可能造成測量的差異
同一時間只可以從一個通道采集數(shù)據(jù)，其他通道的數(shù)據(jù)會丟失
隨著輸入通道數(shù)目的增加，監(jiān)控每個通道的時間也會增加
需要在放大階段放一個源匹配阻抗比如運算放大器以免從輸出到下一個階段輸入阻抗不匹配。
因為模擬開關(guān)只在過壓或低壓情況下處理特定電壓之間的電壓，開關(guān)有可能損壞，因此,在多路復(fù)用器輸入需要附加保護電路。
因為系統(tǒng)性能會根據(jù)供電電壓變化而變化，硬件噪音,溫度變化，這就需要校準(zhǔn)達到精確測量的要求
獲得好性能的小竅門
使用輸入噪聲分離方法有助于提高整體系統(tǒng)性能
使用無噪音電源供電有助于精確的測量
避免模擬多路復(fù)用器輸入端的互擾
模擬多路復(fù)用器的通道切換時間要進能短
盡量做到最優(yōu)布線，從而保證ADC，復(fù)用器，和PGA的性能。
評論