使用微控制器精确测量电流
介绍片上模拟cip，以减少或消除错误
某些应用，如电力电子、安全系统和气体监测器，可能需要测量电路中流动的电流。虽然使用模数转换器（adc）测量电压是一个简单的过程，但测量电流则不是。电流测量的复杂性增加，增加了测量误差的几率。这篇博文将讨论其中一些误差源，以及如何使用片上模拟内核独立外设（cip）来减少或消除这些误差。
问题的范围
当大电流流动时，更容易发生测量误差。但这些错误不仅仅是电力系统所独有的。接地和信号管理不良也会影响小信号测量。如果所有误差和不精度的总和超过最低有效位（lsb）的1/2，换句话说，超过adc每比特的分辨率，则误差将影响测量。了解潜在误差的来源可以最大限度地提高电流测量的能力。
显示问题
让我们从低侧电流测量电路的简化视图开始。当电流流过负载时，它通过检测电阻，根据欧姆定律 （v = ir） 在电阻两端产生电压。在理想情况下，测量该电路就像将adc输入连接到该分流器一样简单。
简化电流测量电路
现在，让我们再次看一下这个图，但添加了一些常见的寄生元件。电流检测电阻不再是该电路低端的唯一电阻源。接地回路的电阻（rgnd）与检测电阻串联。这种电阻通常来自印刷电路板 （pcb） 的接线、焊接连接和铜。
如图所示为具有寄生电阻的电流测量电路
如果分流电阻与rgnd相比相对较大，则影响可以忽略不计。但是，如果接地回路电阻仅为分流电阻的百分之几，则会增加大量误差。例如，如果使用 1 欧姆、±1% 分流电阻器，则仅 10 毫欧的电阻就相当于电阻上的容差，将其转换为 1 欧姆、-0%、+2% 电阻。随着分流器的电阻变小，这种影响变得更加明显。为了减少这种影响，有几种方法可以补偿和纠正此错误。
减少测量误差
增加分流电阻
首先，让我们看一下增加分流器的电阻。在电源应用中，这不是最佳解决方案。随着电阻的增加，电阻消耗的功率（p =i 2r）也会增加，从而降低了效率。为了保持通过负载的相同电流量，必须增加电源所需的顺从性（电压）。
这种方法仅在某些应用和情况下才可行。
降低寄生电阻
相反的方法是降低寄生损耗。为了将损耗降至最低，电流返回路径应尽可能短，阻抗应尽可能低。免费的在线计算器和工具可以估计pcb上特定走线宽度的电阻量。
差分测量
某些微控制器 （mcu），例如 pic18f56q71 系列、pic16f17146 系列、avr® dd 系列或 attiny1627 系列，包含差分 adc，可以测量两个输入之间的电压差，而不是参考 mcu 的接地。
信号的差分测量
这消除了失调，而无需对电路进行任何更改，尽管最小化寄生电阻和校准的其他方法（见下文）仍然有效，如果可能的话，值得添加。这种方法也可用于高端检测，只要（绝对）输入电压保持在mcu的绝对最大额定值内。
伪差分测量
如果mcu缺少真差分adc，则仍可以通过执行伪差分测量来使用单端adc执行差分测量。在这种测量模式下，adc首先测量电流检测的高端，然后测量低端。通过相互减去结果，可以确定差分结果。
但是，这假定信号的dc（稳态）行为。此测量的更好版本在模式高侧、低侧和高压侧执行三次测量。在减法之前对两个高端测量值进行平均，以校正样本之间信号的变化。
伪差分测量
校准误差
在模拟域之外，另一种减少误差的方法是执行系统校准。这可以在工厂或最终产品中执行。要执行校准，请将已知电路条件应用于测量电路，从mcu获取测量值，然后根据预期值计算误差。测量误差校正可以存储在设备存储器中以备将来使用，尽管随着时间的推移可能会出现漂移。然后，在运行时，mcu 在处理之前对结果应用纠错。
信号缩放问题
根据我们目前所讨论的内容，电流检测电阻两端的电压被假定为adc测量范围内的一个相当大的信号。但这种情况并不常见。如前所述，电流检测电阻耗散i2r功率。降低分流器的电阻可减少热量的耗散并提高电源效率。
使用可编程增益放大器 （pga）
一些差分adc（如attiny1627系列的adc）具有内置可编程增益放大器（pga），用于放大差分信号。当信号非常小时，此功能非常有用，只能使用adc测量范围的一小部分。通过放大信号，微控制器甚至可以直接测量非常小的差分信号。
更通用的方法
没有pga的mcu将不得不采取不同的方法。一种选择是将寄生电阻降至最低，并利用片内运算放大器（opamp）cip。opamp可用于将分流器的输出放大到更大、更可测量的值。此外，某些器件内置电阻梯，无需外部元件即可用于opamp增益。为了获得更严格的增益控制，如果需要，可以将外部电阻与opamp一起使用。
电流检测放大器
这种方法的一个局限性是，使用两个opamp cip进行差分放大将很难以有用的方式实现。要使这种方法发挥作用，两个opamp需要具有相同的增益（可能来自精密匹配的电阻）和难以校正的匹配失调电压。如果不匹配，将产生一定量的误差，如增益误差或失调误差。在这种情况下，分立仪表放大器将是更好的选择，因为它们包含匹配的电阻。
结论
这篇博文讨论了使用mcu测量电流的一些复杂性。
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问题的范围
当大电流流动时，更容易发生测量误差。但这些错误不仅仅是电力系统所独有的。接地和信号管理不良也会影响小信号测量。如果所有误差和不精度的总和超过最低有效位（lsb）的1/2，换句话说，超过adc每比特的分辨率，则误差将影响测量。了解潜在误差的来源可以最大限度地提高电流测量的能力。
显示问题
让我们从低侧电流测量电路的简化视图开始。当电流流过负载时，它通过检测电阻，根据欧姆定律 （v = ir） 在电阻两端产生电压。在理想情况下，测量该电路就像将adc输入连接到该分流器一样简单。
简化电流测量电路
现在，让我们再次看一下这个图，但添加了一些常见的寄生元件。电流检测电阻不再是该电路低端的唯一电阻源。接地回路的电阻（rgnd）与检测电阻串联。这种电阻通常来自印刷电路板 （pcb） 的接线、焊接连接和铜。
如图所示为具有寄生电阻的电流测量电路
如果分流电阻与rgnd相比相对较大，则影响可以忽略不计。但是，如果接地回路电阻仅为分流电阻的百分之几，则会增加大量误差。例如，如果使用 1 欧姆、±1% 分流电阻器，则仅 10 毫欧的电阻就相当于电阻上的容差，将其转换为 1 欧姆、-0%、+2% 电阻。随着分流器的电阻变小，这种影响变得更加明显。为了减少这种影响，有几种方法可以补偿和纠正此错误。
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首先，让我们看一下增加分流器的电阻。在电源应用中，这不是最佳解决方案。随着电阻的增加，电阻消耗的功率（p =i 2r）也会增加，从而降低了效率。为了保持通过负载的相同电流量，必须增加电源所需的顺从性（电压）。
这种方法仅在某些应用和情况下才可行。
降低寄生电阻
相反的方法是降低寄生损耗。为了将损耗降至最低，电流返回路径应尽可能短，阻抗应尽可能低。免费的在线计算器和工具可以估计pcb上特定走线宽度的电阻量。
差分测量
某些微控制器 （mcu），例如 pic18f56q71 系列、pic16f17146 系列、avr® dd 系列或 attiny1627 系列，包含差分 adc，可以测量两个输入之间的电压差，而不是参考 mcu 的接地。
信号的差分测量
这消除了失调，而无需对电路进行任何更改，尽管最小化寄生电阻和校准的其他方法（见下文）仍然有效，如果可能的话，值得添加。这种方法也可用于高端检测，只要（绝对）输入电压保持在mcu的绝对最大额定值内。
伪差分测量
如果mcu缺少真差分adc，则仍可以通过执行伪差分测量来使用单端adc执行差分测量。在这种测量模式下，adc首先测量电流检测的高端，然后测量低端。通过相互减去结果，可以确定差分结果。
但是，这假定信号的dc（稳态）行为。此测量的更好版本在模式高侧、低侧和高压侧执行三次测量。在减法之前对两个高端测量值进行平均，以校正样本之间信号的变化。
伪差分测量
校准误差
在模拟域之外，另一种减少误差的方法是执行系统校准。这可以在工厂或最终产品中执行。要执行校准，请将已知电路条件应用于测量电路，从mcu获取测量值，然后根据预期值计算误差。测量误差校正可以存储在设备存储器中以备将来使用，尽管随着时间的推移可能会出现漂移。然后，在运行时，mcu 在处理之前对结果应用纠错。
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结论
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