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一、選擇放大器方案

       1. 背景

        事情是這樣的，由于有時(shí)候需要同時(shí)測兩個(gè)地方電流，而我只有一個(gè)萬用表，因此我想做一個(gè)精度1mA的電流表，采樣范圍就1mA~3A。

    2. 尋找方案

        由于要測的電流范圍比較廣，因此直接用一個(gè)采樣電阻的方案不太現(xiàn)實(shí)，計(jì)算如下，如果最大電流3A對應(yīng)ADC最大采樣值3V的話，那么1mA對應(yīng)的ADC值應(yīng)該是1mV，一般MCU的精度是12位，3V /（2^12）= 0.7mV，很接近1mA電流對應(yīng)的電壓1mV，精度上不夠。        因此在網(wǎng)上找方案，找到了B站一個(gè)叫《優(yōu)雅的電流表》的開源項(xiàng)目，能做到1uA的采樣精度，以下介紹一下這個(gè)方案為框架改出來的電路。

          3. 方案框架 

       方案的關(guān)鍵在于在不同電流值時(shí)用MOS管切換不同的采樣電阻，QP1~QP3是功率NMOS，走電流，QS1~QS3是采樣NMOS，將不同采樣電阻的Vsense采樣電壓切換到同一個(gè)通道的ADC引腳。

    4. 放大電路設(shè)計(jì)

        原放大電路方案是采用同相放大，我這里加了個(gè)電阻改為差分放大，由于負(fù)端接的是GND，其實(shí)是同一個(gè)作用，去掉R24就是同相放大電路了。        至于放大倍數(shù)這個(gè)和用的采樣電阻有關(guān)，電阻越大則放大電路倍數(shù)可以越小。放大電路也不適合太大，太大會將運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓也放大。

    5. 采樣電阻設(shè)計(jì)

      采樣電阻分三個(gè)檔位，分別用10mΩ、100mΩ、1Ω，理想的電流采集范圍分別為100mA~3A，10mA~300mA，1mA~30mA，各放大100倍后電壓范圍均為：100mV~3V，ADC采樣精度前面算過是0.7mV，精度足夠了1mA了。 

    6. 存在的問題

        ① 功率NMOS需要用低導(dǎo)通壓降MOS，以免采樣時(shí)影響原電路電壓。

        ② 運(yùn)放要用低輸入失調(diào)電壓的運(yùn)放，目前采用的是MAX4239，價(jià)格很貴，輸入失調(diào)電壓標(biāo)稱最大只有2uV，但是實(shí)際調(diào)出來輸入失調(diào)電壓都有幾個(gè)mV，不知道是不是因?yàn)檩斎牍材ｋ妷航咏?V的緣故？

        ③ 由于是將I_OUT作為采樣電路的GND，因此無法再采集電流線上的電壓

        ④ 只能采集一個(gè)方向的電流，反向后無法采集。

        ⑤ 為了采集穩(wěn)定，還需要加一級有源低通濾波。

        ⑥ 如果檔位切換的慢，3A電流加載1Ω的采樣電阻上時(shí)其功耗為9W，小型的電阻功率不夠，因此要么選用大電阻，要么只能再加一級比較器，輸出過壓時(shí)觸發(fā)中斷及時(shí)切換檔位。

二、更優(yōu)的方案

          1. 專業(yè)的電流放大器

        TI的INA226是專業(yè)的電流放大器，擁有16位精度，最大差模輸入電壓±81.92mV，因此其輸入分辨率是81.92mV*2 / (2^16) = 2.5uV。電流值直接通過I2C讀取，無需進(jìn)行MCU的ADC進(jìn)行處理，軟件上更好處理。

    2. 采樣電阻選擇

          選用20mΩ的采樣電阻，則在±1mA~±3A范圍內(nèi)對應(yīng)的差模輸入電壓為：±20uV~±60mV，分辨率以及差模輸入范圍都足夠。

    3. 本方案的好處

        ① INA226還支持采集電流BUS上的電壓，采集范圍0~36V，采集精度1.25mV、13位。 

         ③ 本方案的GND直接與待采電路的GND相連，不存在電壓參考不一致的問題。

        ④ 輸入電壓僅需2.7V~5.5V就可采集36V共模電壓下的電流。

    4. 存在的問題 

       ① INA226最大輸入失調(diào)電壓可能達(dá)到正負(fù)10uV，可能對mA級的采樣造成誤差。如果要更高的精度，采用INA228，價(jià)格超高，大約20元/PCS。當(dāng)然不想用INA228也可以對采樣結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)檩斎胧д{(diào)電壓針對一個(gè)已有的運(yùn)放來說是固定的。

      ② INA226共模輸入電壓范圍最小只有0V，因此如果有負(fù)電流可能造成INA226損壞。

       5. 注意事項(xiàng)

       ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間與采樣噪聲有關(guān)，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長噪聲越小，轉(zhuǎn)換時(shí)間可以通過I2C配置

三、總結(jié)

        第一種方案實(shí)際打樣試過，采集精度倒是可以滿足要求，就是電路、軟件復(fù)雜問題多，第二種電路簡單試過了，采樣時(shí)間1ms時(shí)，電流精度基本在±0.2mA以下，很準(zhǔn)。

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