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一、選擇放大器方案

       1. 背景

        事情是這樣的，由于有時候需要同時測兩個地方電流，而我只有一個萬用表，因此我想做一個精度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，因此直接用一個采樣電阻的方案不太現實，計算如下，如果最大電流3A對應ADC最大采樣值3V的話，那么1mA對應的ADC值應該是1mV，一般MCU的精度是12位，3V /（2^12）= 0.7mV，很接近1mA電流對應的電壓1mV，精度上不夠。        因此在網上找方案，找到了B站一個叫《優雅的電流表》的開源項目，能做到1uA的采樣精度，以下介紹一下這個方案為框架改出來的電路。

          3. 方案框架 

       方案的關鍵在于在不同電流值時用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通道的ADC引腳。

    4. 放大電路設計

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

    5. 采樣電阻設計

      采樣電阻分三個檔位，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需要用低導通壓降MOS，以免采樣時影響原電路電壓。

        ② 運放要用低輸入失調電壓的運放，目前采用的是MAX4239，價格很貴，輸入失調電壓標稱最大只有2uV，但是實際調出來輸入失調電壓都有幾個mV，不知道是不是因為輸入共模電壓接近0V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 只能采集一個方向的電流，反向后無法采集。

        ⑤ 為了采集穩定，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，輸出過壓時觸發中斷及時切換檔位。

二、更優的方案

          1. 專業的電流放大器

        TI的INA226是專業的電流放大器，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，無需進行MCU的ADC進行處理，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范圍內對應的差模輸入電壓為：±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。 

        ② 另外能采集正負電流，不受電流方向影響。

        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最大輸入失調電壓可能達到正負10uV，可能對mA級的采樣造成誤差。如果要更高的精度，采用INA228，價格超高，大約20元/PCS。當然不想用INA228也可以對采樣結果進行校準，因為輸入失調電壓針對一個已有的運放來說是固定的。

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

       5. 注意事項

       ADC轉換時間與采樣噪聲有關，轉換時間越長噪聲越小，轉換時間可以通過I2C配置

三、總結

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

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