| 尽管与数字读取技术相比，模拟动圈式仪表的分辨率和精度都较差，但就跟踪读取走势或根据测量数据变化获取信息来说，它仍是最佳的仪表显示技术。不过，对低电平电流测量来说，满量程偏转电流会超出待测电流，因此需要独立的电源给电表供电。过去的模拟电表(如 Hartmann & Braun 推出的 Multavi-10)采用可再充电的蓄电池作为电表电源，从而解决了这一问题。我们用手动可选的分流电阻配合高精度斩波放大器，就能使用户在从 1mA 至 1A 的 13 种不同大小的电流中进行选择。 随着现代分流监测器IC(如INA19x系列)的推出，动圈式仪表的放大器设计得到了大幅简化。图1显示了8英寸动圈式仪表的驱动电路，该仪表可测量0～100mA的电流。满量程偏转电流为15mA。分流监测器INA193可感测分流电阻RS1(阻值为1Ω)的压降。在最大电流为100mA的情况下，RS1 上的电压为100mV。
图1 采用INA193、带独立电源的动圈式仪表 我们在选择 RS1 的值时，要根据应用而定，而且还要在小信号精确度和测量线上允许的最大压降之间进行平衡取舍。当 RS1 的值较高且电流较低时，就能最大限度地降低偏移的影响，从而提高精确度。当 RS1 的值较低时，便能最大限度地减少供电线上的电压损耗。对大多数应用来说，如果 RS1 的值能确保满量程分压范围在 50mV 至 100mV 之间，那么就能实现最佳性能。在确保测量精确的情况下，最大输入电压为 500mV。 在我们给出的例子中，INA193 以 20V/V 的增益系数放大了 100mV 满量程输入电压，从而实现了 2V 的满量程输出。随后的运算放大器 OPA344 采用轨至轨输入和输出，与 N 通道MOSFET(BSN254)协同工作，作为电压控制的电流源。 请注意，包括 INA193 在内的整个电表电路采用一个 5V 的单电源，这也将 OPA 的最大电压摆幅限制为 5V，因此，我们应选择栅－源阈值电压VGS较低的 MOSFET，因为该电压会减小OPA 的输出摆幅。BSN254 的最大阈值电压为 2V，这足以满足较低的 VGS 要求。由于非反向 OPA 输入的电压等于反向输入的电压，因此 RS2 上的满量程输出电压为 2V。为了确保最大偏转电流的流动，我们可通过以下方程式计算出 RS2 的值：
我们通过调节 RS2 来校准电表，也可改变其满量程电流范围。我们调节 RS1 则能提高低电流测量的精确度，也可扩大测量范围，以支持更高的电流值。该电路还有另一种优势，即，我们可将电表与检测点彼此分开。由于动圈式仪表本不适用于高精度测量，因此设计人员可采用测量精度较低的电阻。我们还应通过去耦电容来对仪表电源进行分流，以避免电子噪声环境造成杂散干扰。 INA19x分流监测器 INA193 是一系列分流监测器中的一员。INA194 与 INA195 具有相同的外引脚布局，但增益不同，分别为 50V/V 与 100V/V。INA196、INA197 及 INA198 是另外三种分流监测器，其功能相同，但外引脚不同。 INA19x 系列采用一种全新的、独特的内部电流拓扑技术，只需一个单电源，其共模电压可扩展到-16V至 +80V。就经典的仪表放大器技术而言，共模抑制要受电阻匹配精度要求的限制。INA19x 将电感输入电压转换为电流，从而使共模抑制与电阻值之间不存在严格的函数关系，可在宽泛的共模范围内实现更高性能。 图 2 显示了简化的示意图，从中我们可以看到基本的电路功能。共模电压为正时，放大器 A2 处于工作状态。RS的差动输入电压 (VIN+)- (VIN-) 可实现 A2 输入端的电压电势 VN与 VP： VN = VIN+ - IS× RS与VP = VIN+ 为了确保 VP = VN，A2 驱动晶体管时要让集电极电流 IC 在 5kW电阻上形成电压压降，且该压降等于差动输入电压： VP =VN
VIN+ - IC×5k = VIN+ - IS×RS
IC×5k = IS×RS IC 表现为输出电压与负载电阻之比，即 IC = VOUT / RL，这样，我们通过以下算式可求得输出电压： VOUT = IS×RS×RL / 5k 共模电压为负时，放大器 A1 处于工作状态。RS 的差动输入电压 (VIN+)-(VIN-) 转化为通过 5kΩ 电阻的电流。该电流的来源为精确电流镜，其输出直接进入 RL，然后将信号又转换回电压，并被输出缓冲放大器放大。这一电路架构正在申请专利，其可确保设备的顺利工作，即便在放大器 A1与A2都处于工作状态的过渡周期，也不会发生问题。 输入引脚 VIN+与 VIN-应尽可能靠近分流电阻连接，以最大化减少任何与分流电阻串联的电阻。我们需要电源旁路电容来确保稳定性。如果应用噪声较大，或电源阻抗较高，那么我们还需要额外的去耦电容来抑制电源噪声。我们应将旁路电容靠近器件引脚连接。 INA19x 的输入电路可准确测量大于电源电压 V+ 的数值。举例来说，V+ 电源为5V时，负载电源电压高达+80V。不过，OUT 终端的输出电压范围受限于电源引脚上的电压。 INA19x的输出在电源引脚V+设置的输出电压摆动范围内是准确的。我们在使用INA195或INA198(二者增益都为 100)时，100mV的满量程输入分流电阻要求输出电压摆幅为+10V，而且电源电压应足以实现 +10V 的电压输出，这充分反映了上述情况。
图 2 INA19x 的简化电路示意图
图 3 输入滤波器（增益误差范围：1.5% 到 2.2%） 显然，INA19x 串联输出端是进行过滤工作最方便的地方。不过，这种设置会抵消内部缓冲器低输出阻抗的优势。过滤的另一选择就是设置在 INA19x 的输入引脚端，不过内部 5kΩ 与 30% 的输入阻抗会使情况复杂化(见图 2)。我们应采用尽可能低的电阻值，从而尽可能减小增益的初始偏移与容差影响。初始增益影响的计算如下：
计算增益误差的总影响时，我们可将 5kW 项替换为 5kW-30%(或 3.5kW)或 5kW + 30% (或 6.5kW)。RFILT 的容差极限值也可加入方程式中。如果输入采用一对 100W 1% 电阻，那么初始增益误差将为 1.96%。最差的容差总会出现在内部5kW电阻下移时(3.5kW)，在本例中则为 RFILT-3%上移。 请注意，我们应将 INA19x 规范定义的准确度与上述容差情况相结合考虑问题。我们在这里结合电阻值的极限来考虑最差情况下的准确度，不过通常我们可用几何平均数或和方根来计算不同精确度差异的影响。 |
