低成本分流監(jiān)測器IC帶動動圈式儀表設(shè)計的復(fù)興

　　盡管與數(shù)字讀取技術(shù)相比，模擬動圈式儀表的分辨率和精度都較差，但就跟蹤讀取走勢或根據(jù)測量數(shù)據(jù)變化獲取信息來說，它仍是最佳的儀表顯示技術(shù)。不過，對低電平電流測量來說，滿量程偏轉(zhuǎn)電流會超出待測電流，因此需要獨立的電源給電表供電。過去的模擬電表(如 Hartmann & Braun 推出的 Multavi-10)采用可再充電的蓄電池作為電表電源，從而解決了這一問題。我們用手動可選的分流電阻配合高精度斬波放大器，就能使用戶在從 1mA 至 1A 的 13 種不同大小的電流中進行選擇。

　　隨著現(xiàn)代分流監(jiān)測器IC(如INA19x系列)的推出，動圈式儀表的放大器設(shè)計得到了大幅簡化。圖1顯示了8英寸動圈式儀表的驅(qū)動電路，該儀表可測量0～100mA的電流。滿量程偏轉(zhuǎn)電流為15mA。分流監(jiān)測器INA193可感測分流電阻RS₁(阻值為1Ω)的壓降。在最大電流為100mA的情況下，RS₁ 上的電壓為100mV。

　
圖1   采用INA193、帶獨立電源的動圈式儀表

　　我們在選擇 RS₁ 的值時，要根據(jù)應(yīng)用而定，而且還要在小信號精確度和測量線上允許的最大壓降之間進行平衡取舍。當 RS₁ 的值較高且電流較低時，就能最大限度地降低偏移的影響，從而提高精確度。當 RS₁ 的值較低時，便能最大限度地減少供電線上的電壓損耗。對大多數(shù)應(yīng)用來說，如果 RS₁ 的值能確保滿量程分壓范圍在 50mV 至 100mV 之間，那么就能實現(xiàn)最佳性能。在確保測量精確的情況下，最大輸入電壓為 500mV。

　　在我們給出的例子中，INA193 以 20V/V 的增益系數(shù)放大了 100mV 滿量程輸入電壓，從而實現(xiàn)了 2V 的滿量程輸出。隨后的運算放大器 OPA344 采用軌至軌輸入和輸出，與 N 通道MOSFET(BSN254)協(xié)同工作，作為電壓控制的電流源。

　　請注意，包括 INA193 在內(nèi)的整個電表電路采用一個 5V 的單電源，這也將 OPA 的最大電壓擺幅限制為 5V，因此，我們應(yīng)選擇柵－源閾值電壓V_GS較低的 MOSFET，因為該電壓會減小OPA 的輸出擺幅。BSN254 的最大閾值電壓為 2V，這足以滿足較低的 V_GS 要求。由于非反向 OPA 輸入的電壓等于反向輸入的電壓，因此 R_S2 上的滿量程輸出電壓為 2V。為了確保最大偏轉(zhuǎn)電流的流動，我們可通過以下方程式計算出 R_S2 的值：
　
　　我們通過調(diào)節(jié) R_S2 來校準電表，也可改變其滿量程電流范圍。我們調(diào)節(jié) R_S1 則能提高低電流測量的精確度，也可擴大測量范圍，以支持更高的電流值。該電路還有另一種優(yōu)勢，即，我們可將電表與檢測點彼此分開。由于動圈式儀表本不適用于高精度測量，因此設(shè)計人員可采用測量精度較低的電阻。我們還應(yīng)通過去耦電容來對儀表電源進行分流，以避免電子噪聲環(huán)境造成雜散干擾。

INA19x分流監(jiān)測器

　　INA193 是一系列分流監(jiān)測器中的一員。INA194 與 INA195 具有相同的外引腳布局，但增益不同，分別為 50V/V 與 100V/V。INA196、INA197 及 INA198 是另外三種分流監(jiān)測器，其功能相同，但外引腳不同。

　　INA19x 系列采用一種全新的、獨特的內(nèi)部電流拓撲技術(shù)，只需一個單電源，其共模電壓可擴展到-16V至 +80V。就經(jīng)典的儀表放大器技術(shù)而言，共模抑制要受電阻匹配精度要求的限制。INA19x 將電感輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，從而使共模抑制與電阻值之間不存在嚴格的函數(shù)關(guān)系，可在寬泛的共模范圍內(nèi)實現(xiàn)更高性能。

　　圖 2 顯示了簡化的示意圖，從中我們可以看到基本的電路功能。共模電壓為正時，放大器 A2 處于工作狀態(tài)。R_S的差動輸入電壓 (V_IN+)- (V_IN-) 可實現(xiàn) A2 輸入端的電壓電勢 V_N與 V_P：

V_N = V_IN+ - I_S