某型產(chǎn)品電流采集電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

劉長甲　潘水

關(guān)鍵詞：電流采集；電路分析；設(shè)計(jì)與優(yōu)化；采樣；精度

中圖分類號：TP335 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）35-0085-03

1 引言

國產(chǎn)某型產(chǎn)品信號的電平邏輯和通信接口與標(biāo)準(zhǔn)接口不同，同時考慮到參數(shù)保密要求，在對其進(jìn)行性能檢測時，需先經(jīng)特定通信接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、光耦隔離和信號放大等操作，之后與工控機(jī)相連接進(jìn)行身份識別。身份鑒別成功后，通過檢測電路對產(chǎn)品的相關(guān)性能參數(shù)檢測。

當(dāng)前，通信接口電路多基于MAX203收發(fā)器等成熟電平轉(zhuǎn)換元器件，或通過ADF4356鎖相環(huán)等芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，而電流檢測部分，常基于電流互感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用電流互感器進(jìn)行測量，常存在精度偏低等問題[2-3]，不能充分滿足實(shí)際檢測的高精度需求。同時，由于采集電路所使用的元器件成本較高，使得電路進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整的成本偏高，造成了提高測量精度與電路調(diào)優(yōu)成本控制之間的困境。因此，重新設(shè)計(jì)電流采集電路以解決這一問題就成了一種現(xiàn)實(shí)需求。

針對這一需求，文章基于常見普通元器件對電流采集電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高其測量精度，同時綜合考量所設(shè)計(jì)電路的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性，以及與原檢測系統(tǒng)的適配性，以期為該型產(chǎn)品的電流數(shù)據(jù)采集提供一種低成本、高精度的方法。

2 采集系統(tǒng)簡介

該產(chǎn)品整個性能參數(shù)采集系統(tǒng)主要由工控機(jī)、通信接口電路、檢測電路、通信電纜、測試電纜等組成，整體系統(tǒng)功能組成框圖如圖1所示。

其中，通信接口電路主要有收發(fā)器MAX203、光耦6N137、三極管2N2222、二極管1N4148和電阻器等組成，承擔(dān)產(chǎn)品與工控機(jī)之間的電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞等作用，以完成身份識別確認(rèn)。身份正確識別后，通過檢測電路和工控機(jī)間的通信來實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的電流等性能參數(shù)進(jìn)行檢測。本文暫不考慮通信接口電路部分的實(shí)現(xiàn)，只針對產(chǎn)品原檢測方法手段存在的問題，對電流采集部分的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

作為檢測電路的重要組成部分，電流采集部分的電路設(shè)計(jì)方案為：待檢電流信號經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路（即電流-電壓轉(zhuǎn)換電路）轉(zhuǎn)換為電壓信號，后續(xù)再對此電壓信號進(jìn)行放大，并去除其中的混雜的高頻噪聲，后經(jīng)過A/D 器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成相應(yīng)的數(shù)字信號，再傳輸?shù)焦た貦C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[4]。電流采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 電流采集電路設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)分析

由于該產(chǎn)品工作電壓為±29V，電流上限為3.4A，需要對兩路電流進(jìn)行同時采集。所以，電流采集電路選用低阻值大功率采樣電阻、運(yùn)算放大器、雙四選一模擬開關(guān)送單片機(jī)進(jìn)行采集[5]。雙四選一模擬開關(guān)是為擴(kuò)充單片機(jī)采樣信號數(shù)量，實(shí)現(xiàn)分時采樣。為提高采樣電路的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)電壓電路，在電流采樣前先行采樣基準(zhǔn)電路電壓，作為采樣的基準(zhǔn)電壓。并通過定期對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證電流采樣的準(zhǔn)確性。在PCB（Printed Circuit Board）設(shè)計(jì)時，I/V 轉(zhuǎn)換電路輸入端信號走線盡量短，且在中間層走線，在信號線的上下參考層均設(shè)計(jì)為地參考層，起到屏蔽干擾的作用，減少運(yùn)放前端引入的干擾[6]。

3.2 電路設(shè)計(jì)初樣

電流采集電路初樣主要由運(yùn)算放大器LM124、雙四選一模擬開關(guān)CD4052、六路電壓電平轉(zhuǎn)換器CD4504和電阻器等組成，電路如圖3所示，通過設(shè)計(jì)的電路完成對直流信號的處理、選通和采樣工作。

電流采樣量程設(shè)計(jì)為5A，采樣電阻選用0.4Ω，經(jīng)計(jì)算采樣電阻功率P=I2R=10W；流經(jīng)采樣電阻的電壓U=IR=2V，因單片機(jī)采樣最大電壓為5V，故運(yùn)算放大器放大倍數(shù)β應(yīng)為2.5。

對+29V電壓，選用同相比例運(yùn)算電路，接同相輸入端。取R3=10KΩ，R9=10KΩ；因β = （1 + R_f R ），則R11的阻值應(yīng)為15KΩ。

對-29V電壓，選用反相比例運(yùn)算電路，接反相輸入端。取R2=10KΩ，R5=10KΩ；由β = -Rf／R 可計(jì)算出電阻R8的阻值應(yīng)為25KΩ[7]。

被測電流信號先由采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，再經(jīng)雙四選一模擬開關(guān)選通后輸出，最終送給單片機(jī)采樣口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)單片機(jī)讀出采樣數(shù)字量測算實(shí)際檢查數(shù)據(jù)。

為避免檢測結(jié)果受電路紋波影響，采用精密基準(zhǔn)電壓作為基準(zhǔn)電壓。基準(zhǔn)電壓電路基于穩(wěn)壓管TL431B構(gòu)建，另由電位器、電阻等限流元件及電容組成，基準(zhǔn)電壓電路如圖4所示。TL431 是一款性能優(yōu)良的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，內(nèi)部主要包括誤差放大器、2.5V 的基準(zhǔn)電壓源Vref、用于調(diào)節(jié)負(fù)載電流的晶體管、防反接保護(hù)二極管組成，通過改變電阻值可以設(shè)置輸出電壓為2.5V 到36V 間的任意值。TL431 相當(dāng)于一個可調(diào)式的齊納穩(wěn)壓管，將從參考端輸入的電壓與通過內(nèi)部比較器與基準(zhǔn)電壓源比較結(jié)果控制晶體管導(dǎo)通與截止，反復(fù)調(diào)節(jié)使采樣電壓與基準(zhǔn)源電壓相等，輸出電壓趨于穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)壓的目的[8]。

通過電位器W1選取合適的限流電阻阻值，使流過TL431的工作電流超過1mA閾值，TL431兩端的電壓即可穩(wěn)定，并且不隨電源電壓的變化而變化。基于TL431的精密基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)僅有50ppm/℃，其輸出電壓的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。基準(zhǔn)電壓設(shè)定為2.50V，可通過調(diào)整電位器W1校準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓，完成采樣基準(zhǔn)電壓的標(biāo)定[9]。先采樣基準(zhǔn)電路電壓，作為電流信號采樣的基準(zhǔn)，便于控制測量精度[10]。

3.3 電路調(diào)試優(yōu)化

考慮精度和分辨率問題，電路對電流的采樣使用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，可得其采樣LSB（Least SignificantBit，最低有效位）為1／2，又因?yàn)镕SR（Full Scale Range，測量滿量程）為5V，所以可得其采樣分辨率。即：

以1.00A的輸入電流為例對數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行說明。儀表測量輸入電流為1.00A，測量單片機(jī)采樣口電壓為1.02V，由式子（2）可求得單片機(jī)采樣的理論數(shù)據(jù)為836=（4096/5）*1.02。通過工控機(jī)軟件可讀得單片機(jī)采集電路的實(shí)際采樣數(shù)據(jù)為831，則由式子（3）可得換算后的輸出電壓Vout=（831/2040）*2.50V=1.018V。

在電流采集電路初樣調(diào)試過程中，輸入電流改變后，用檢定合格的FLUKE數(shù)字表對電流、電壓進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1電路初樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)表。

比較表中數(shù)據(jù)可見：電路口的實(shí)際采樣電壓略大于理論值，單片機(jī)的實(shí)際采集數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)也存在細(xì)微偏差問題。因此，應(yīng)考慮對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可通過平滑減小反饋電阻阻值，使放大倍數(shù)逐漸減小，并進(jìn)行過程性測試，直至實(shí)際電壓與理論計(jì)算電壓基本吻合，可據(jù)此放大倍數(shù)定型采樣電路。

另外，實(shí)際單片機(jī)實(shí)際采集數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)間的偏差在0.5‰以內(nèi)，可不做處理。

3.4 電路驗(yàn)證確認(rèn)

由以上分析可知，可采用連續(xù)減小反饋電阻阻值的方法，來動態(tài)減小電路的放大倍數(shù)，以期對電流采集電路進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)整過程中，通過不斷進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)比對發(fā)現(xiàn)，采集電路的放大倍數(shù)接近于2.45時，單片機(jī)采樣口電壓與輸入值基本相等。所以，以放大倍數(shù)β=2.45對電路進(jìn)行最終確認(rèn)定型。

另外，電路中的反饋電阻更換后，再次對已定型的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：電流采集電路經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，單片機(jī)采樣口電壓值與輸入電壓的偏差問題得到明顯改善。經(jīng)換算后得出的最終的采樣電流值與輸入電流大小基本一致，最大測量誤差不超過4.5‰，采樣電路的測量精度介于基于0.5級精度的普通電流互感器采集電路和0.2級精密電流互感器電路的測量精度之間[12]。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：文章針對國產(chǎn)某型產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)的電流采集電路，在電路調(diào)優(yōu)后能夠達(dá)到較高測量精度，相較原系統(tǒng)采用普通電流互感器采集電流的方法具有一定優(yōu)勢。同時，由于選用了市面常見的普通電子元器件，使得電路的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、制作和使用成本相對較低，能夠兼顧相對低成本和高精度困境，解決該型國產(chǎn)產(chǎn)品的現(xiàn)行電流檢測中存在的問題。

在實(shí)際工作中，電路與原系統(tǒng)適配度高、工作穩(wěn)定，滿足對指定產(chǎn)品的電流采集要求，可在該型產(chǎn)品的性能參數(shù)檢測中進(jìn)行推廣使用。