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【锻体篇-硬件开发】获取精准的电流信号 -- 电路设计与注意事项

2023-05-16

朋友像棉被，感到温暖是因为你自己的温度。

概述

在嵌入式开发领域，一个设计优秀的硬件就像一副健壮的躯体，配以聪明的大脑（软件），就能够发挥出其强大的威力。
对于电流信号，电气特性中的基本元素，我们经常需要对其进行测量，然后根据其值得到一些有用的信息，诸如功率、功耗等等。

一般来说，不同的产品的电流形式各有不同，大小不同、形式不同（直流或者交流）等等，根据对应情况也有不同的测量方法。比如我们常在示波器中使用的电流钳采用的就是电磁感应的方式，这种方式是非接触的，比较安全，也不会对电路有太多干扰，但是精度做的很高的这种设备都比较贵。也有经常使用万用表来串接测量的，这种方式相当于串接电阻得到电压，然后利用电压值除以电阻值得到电流值，这种方式比较容易实现，也比较便宜，就是比较麻烦，也给电流回路串入了电阻，会带来一定的影响。

本文今天要谈的电流测量电路和万用表测量的电流原理基本一致，也是通过测量固定阻值电阻的电压反向推出电流的大小，值得说明的是这里的电压测量一般是通过 MCU 的 AD 采样实现的，至于细节，我慢慢道来。

实现

基本原理

首先我们需要在要测量的电流回路上串入一个采样电阻，这样我们就能够该采样电阻的电压，比如下图，当有 100mA 的电流流过该电阻时，会产生 0.1(A) * 0.02 (欧) = 0.002(V) 的电压，我们通过采集到电压值，除以电阻就是电流值。
在这里插入图片描述

这里需要注意的是采样电阻的选取问题，主要是注意如下事项：

  • 阻值要小，这样对整个电流回路的阻碍就小，一般是毫欧级别的。
  • 精度要高，因为我们反推得到电流的公式中默认的电阻是绝对精确的，一般选取的精度在 1% 以上。

电流信号放大电路

通过上面计算可知，我们得到的电压一般都比较小，如果直接让 MCU 直接采该信号，用于一般 MCU 的基准为 3.3V，且 ADC 的位数一般为 8、10、12位数，这个电压信号是相当地小，也就是 MCU 采不准，这时就需要放大电路闪亮登场了。

先来看看两种常见的放大电路，反向比例放大器和同相比例放大器。

反向比例放大电路

反向放大的电路形式如下，输入与输出的极性是相反的。
在这里插入图片描述
我们可以得到的 Vout = - (R3 / R2) * Vin。

同相比例放大电路

同相比例放大电路形式如下，输入与输出的极性是相同的。
在这里插入图片描述
这样我们可以得到 Vout =（1 + R3 / R2）* Vin。

两种放大电路的注意事项

  • 值得注意的是，这两个电路的一端我选择的是接地，这样是方便 MCU 对放大电路放大后的电路进行 AD 采样，因为 MCU 也是接地的，电压以电路的地作为基准。
  • 虽然是接地，其实我们放大的是电阻的两端的电压，其实算是差分信号，在 PCB 布线的时候，电阻两端到运放两端的线应该单独拉线，且尽量并排一起走。（因为这里电阻一端接地，而板子有许多都是地的地方，而拉到运放一端接的地不能随意接板子的地，而只能是采样电阻单独拉线的地，这能保证采集到的信号更准确）。
  • 通常为了减小偏置电流带来的影响，还有就是降低噪声和温飘的影响，这里的电阻一般取值在 10K～100K 的区间。
  • R1 的阻值不是随意选取的，取得值是 R2 和 R3 的并联值，这个电阻选取还是蛮重要的，之前遇到过这个值如果随意选取会出现电流的不同测量就不准的问题，按这个规则选取就能得到比较好的稳定性了。

基准电压的选取

对于 MCU 的 AD 模块的基准电压一般为 MCU 的供电电压，由于这个电压一般波动蛮大的，所以也会影响到测量到的型号的准确值。
针对这种情况，这里有几种方式应对。

  • MCU 内部存在一个比较准的电压，且可以作为内部基准，将 AD 模块的基准电压切换至该电压即可。
  • MCU 内部存在一个比较准的电压，但不可以作为内部基准，但 AD 模块有通道可以测量该点电压，我们可以利用通过测量该电压推出一个校准值，用这个值去校准我们的目标信号，很多 STM32 的单片机都常用这样的我方式，我就不赘述了。
  • MCU 的 AD 模块支持外部基准电压，我们可以为 AD 模块接入一个比较准且稳定的电压源。这样的方式能够大大提升对信号采集的准确度，缺点就是需要 MCU 支持，且需要增加一个精度较高的基准电压源，比较费钱。一般常用的是 TL431，这里有一篇使用指导：《【锻体篇-硬件开发】TL431可控精密稳压源的应用和注意事项》：https://blog.csdn.net/m0_37697335/article/details/124238193。

参考资料

  • 《【锻体篇-硬件开发】TL431可控精密稳压源的应用和注意事项》：https://blog.csdn.net/m0_37697335/article/details/124238193
  • 《运放的阻抗匹配》：https://blog.csdn.net/liuyaoningabcyy/article/details/84334046
  • 《运算放大器输入电阻如何选取》：https://www.elecfans.com/d/728652.html
  • 《运放设计十坑，别说你没遇到过》：https://www.szlcsc.com/info/11396.html

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