一種電流監(jiān)測電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張小虎 云龍 王雪莉 張思

摘要：在雷達(dá)天線前端子系統(tǒng)中，為了能夠?qū)崟r(shí)有效監(jiān)控雷達(dá)前端子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，需要采集前端子系統(tǒng)中T/R組件的狀態(tài)信息，諸如T/R組件的溫度信息、工作電流信息等。文中從電流監(jiān)測電路設(shè)計(jì)的必要性入手，通過對霍爾效應(yīng)的介紹，詳細(xì)分析了電流監(jiān)測電路的組成實(shí)現(xiàn)，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個方面對電流監(jiān)測電路進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞： 霍爾傳感器; 電流監(jiān)測; A/D轉(zhuǎn)換

1電流監(jiān)測

霍爾電流傳感器不僅可以測量直流電流，還可以測量交流電流，其所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應(yīng)（3）。霍爾效應(yīng)可以描述為：當(dāng)在通電半導(dǎo)體材料上施加一個固定磁場，由于磁場對通電半導(dǎo)體中電子和空穴施加的洛倫茲力不同，則會在通電半導(dǎo)體材料的兩端產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓，而該電壓值會隨著半導(dǎo)體材料中通過電流的大小而發(fā)生變化（1）。利用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流監(jiān)測的優(yōu)勢在于它是一種非接觸式的測量方法，測量過程中不會改變被測電路本身的特性，本身的功耗也不高，其測量過程簡單、靈活、可靠（2）。

2監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

2.1監(jiān)測電路組成：該監(jiān)測電路主要利用霍爾電流傳感器監(jiān)測T/R組件工作時(shí)的電流信號，霍爾電流傳感器輸出感應(yīng)的電壓模擬量在經(jīng)過AD芯片采樣、量化后得到霍爾電壓數(shù)字量送入FPGA控制芯片進(jìn)行處理。本文中的霍爾電流傳感器選用的是科峰航智公司生產(chǎn)的AN1V50PB22，AD芯片采用的是AD公司生產(chǎn)的10位分辨率AD芯片AD7467BRM，F(xiàn)PGA控制芯片采用的是Altera公司生產(chǎn)的EP2S60F484I4。

2.2硬件設(shè)計(jì)：AN1V50PB22是一款基于霍爾效應(yīng)的開環(huán)電流傳感器，它內(nèi)部的原邊與副邊之間完全絕緣，其電流測量值可以保持與被測電源變化的成比例輸出。該霍爾電流傳感器的工作電壓Vc典型值為5V，電流消耗Ic典型值為11mA，理論增益Gth典型值為80mV/A，零點(diǎn)輸出電壓VQOV典型值為0.55V，原邊額定電流有效值最大為50A，工作溫度范圍為-40℃～150℃。其測量輸出的電壓值可以用公式（1）表示：

Vout =（Vc/5）×（VQOV + Gth×Ip） ? ? ? （1）

在公式（1）中，Vout表示測量輸出的電壓值，Ip表示被測試原邊電流值。由于零點(diǎn)輸出電壓VQOV會因?qū)嶋H電路負(fù)載的不同而有所差異，因此該電壓值可以使用數(shù)字萬用表在實(shí)際監(jiān)測電路中測量獲取。該電壓值測量的條件是：當(dāng)Vc=5V且Ip =0A。另外，Vc/5可以認(rèn)為是常量1，因而通過對公式（1）的簡化變換可以得到電流測量值公式（2）。

Ip = （Vout - VQOV）/Gth ? ? ? ? ? （2）

AD7467BRM器件的CS信號，SCLK信號均由FPGA芯片產(chǎn)生，AD芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)SDATA直接進(jìn)入FPGA芯片中做后續(xù)處理。

2.3軟件設(shè)計(jì)：軟件部分主要涉及FPGA芯片對AD7467BRM器件的控制及其輸出串行數(shù)據(jù)的處理。在正常工作情況下，T/R組件作為負(fù)載相對變化較小，而且電流監(jiān)測電路回報(bào)數(shù)據(jù)的速率也不高。為了提高電流監(jiān)測電路數(shù)據(jù)采集的可靠性和穩(wěn)定性，該模塊在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了多次采集觸發(fā)，對所監(jiān)測的電流做了多次采集轉(zhuǎn)換。由于AD7467BRM是10bit分辨率精度，而其供電電源電壓為3.3V，所以其模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化精度為（3.3/210）V。因此，電流監(jiān)測電路實(shí)際的監(jiān)測電流值可以由公式（2）變換為公式（3）表示，其中Sdd表示電流監(jiān)測電路采集轉(zhuǎn)換完成后輸出的并行數(shù)據(jù)。

Ip = （（3.3/210）×Sdd - VQOV）/Gth ? ? ? ? ? （3）

對電流監(jiān)測電路做了多次測量驗(yàn)證，包括不同情況下的正電源電壓負(fù)載和負(fù)電源電壓負(fù)載，通過公式（3）計(jì)算可以得到相應(yīng)的測試結(jié)果，如表1所示。

3結(jié)束語

文中從設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)中電流監(jiān)測電路的必要性入手，通過對霍爾效應(yīng)原理的介紹，詳細(xì)分析了某雷達(dá)前端子系統(tǒng)中電流監(jiān)測電路的組成實(shí)現(xiàn)，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個方面對電流監(jiān)測電路進(jìn)行了闡述。目前，該電流監(jiān)測電路已經(jīng)完成工程設(shè)計(jì)，通過不同負(fù)載條件下的對比測試，獲取了相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟慶巨等. 半導(dǎo)體器件物理[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] 李增國. 傳感器與檢測技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.