取样电阻的原理及其实现

取样电阻的原理

一，电流检测电阻的基本原理:

根据欧姆定律,当被测电流流过电阻时,电阻两端的电压与电流成正比 . 当 1W 的电阻通过的电流为几百毫安时,这种设计是没有问题的 . 然而如果电流达到 10-20A,情况就完全不同,因为在电阻上损耗的功率(P=I2xR)就不容忽视了 . 我们可以通过降低电阻阻值来降低功率损耗,但电阻两端的电压也会相应降低,所以基于取样分辨率的考虑,电阻的阻值也不允许太低 .

二，长期稳定性

对于任何传感器来说,长期稳定性都非常重要 . 甚至在使用了一些年后,人们都希望还能维持早期的精度 . 这就意味着电阻材料在寿命周期内一定要抗腐蚀,并且合金成分不能改变 . 要使测量元件满足这些要求,可以使用同质复合晶体组成的合金,通过退火和稳定处理的生产制程,以达到基本热力学状态 . 这样的合金的稳定性可以达到 ppm/ 年的数量级,使其能用于标准电阻 .

表面贴装电阻 在 140℃下老化 1000 小时后阻值只有大约 -0.2%的轻微漂移,这是由于生产过程中轻微变形而导致的晶格缺损造成的 . 阻值漂移很大程度上由高温决定,因此在较低的温度下比如+100℃,这种漂移实际是检测不出来的 .

三，端子连接

在低阻值电阻中,端子的阻值和温度系数的影响往往是不能忽略的,实际设计中应充分考虑这些因素,可以使用附加的取样端子直接测量金属材料两端的电压 .

由电子束焊接的铜 - 锰镍铜电阻实际上具有这样低的端子阻值,通过合理的布线可以作为两端子电阻使用而接近四端子连接的性能 . 但是在设计时一定要注意取样电压的信号连线不能直接连接取样电阻的电流通道上,如果可能的话,最好能够从取样电阻下面连接到电流端子并设计成微带线 .

四，低阻值

四引线设计推荐用于大电流和低阻值应用 . 通常的做法使用锰镍铜合金带直接冲压成电阻器,但这不是最好的办法 . 尽管四引线电阻有利于改进温度特性和热电压,但总阻值有时高出实际阻值 2 到 3 倍,这会导致难以接受的功率损耗和温升 . 此外,电阻材料很难通过螺丝或焊接与铜连接,也会增加接触电阻以及造成更大的损耗 .

康铜丝电阻

说到电流 / 电压的采样电路，就像上面万用表中所使用的那样，那么，什么是康铜丝电阻呢？

简单地说，康铜丝电阻是选用高精密合金丝并经过特殊工艺处理，其阻值低，精度高，温度系数低，具有无电感，高过载能力。

正是因为康铜丝具备以上这些优良的电气特性，所以它被广泛用于通讯系统，电子整机，自动化控制的电源等回路作限流，均流或取样检测电路连接等。

康铜丝具有较低的电阻温度系数，较宽的使用温度范围（500℃以下），加工性能良好，具有良好的焊接性能（这很重要！）。

此外还有一种新康铜电阻合金，为铜铁基同合金，它具有与康铜一样的电阻率，基本相近似的电阻温度系数，和相同的使用温度。

锰铜丝电阻

锰铜丝电阻和康铜丝电阻一样，同样是选用精密合金丝经过特殊工艺处理，使其阻值低，精度高，温度系数低，稳定性好；具有无电感，高过载能力。

锰铜丝电阻同样被广泛用于通讯系统，电子整机，自动化控制的电源等回路作限流，均流或取样检测电路连接等。

看过描述我们发现，貌似锰铜丝和康铜丝其实差不多，二者的电阻率也相差不多。

采样电阻谁更好？

两种电阻的性能用途无本质区别，但如果作为取样电阻更趋向于锰铜丝电阻，它的稳定性较好。

康铜丝电阻阻值从 0.1 毫欧至 100 毫欧之间，功率从 1 瓦至 30 瓦，产品精度最高可达 0.5%。

锰铜丝电阻阻值从 2 毫欧至 1 欧之间，功率从 1 瓦至 10 瓦可选，精度为 1%和 5%。

从这张表中我们得出结论：康铜的电阻温度系数却是锰铜的 4 倍以上；康铜对铜的热电势比锰铜的参数大 20-40 倍以上；另外由于康铜的镍含量较高，所以在锡焊时，采用普通助焊剂的情况下，康铜不如锰铜易于焊接。

总体而言，二者均可用做制造精密电阻的材料，但各有优势：锰铜的精密级别更高；康铜还可用于一定精度的大功率电阻的制造。

简单采样电路的实现

简约而不简单的三个公式：R=U/I；既然是采样电路，那么无非分为两种实际的应用，一种是电流采样，另一种则是电压采样，有时这仅仅是两种不同的叫法而已，实现方式则大同小异，只是特定的应用中，需要得到的量不同罢了。即使这样，根据不同的电路参数和需求，相应的采样电路也可能是大不相同，所以，我们在这里只说采样电阻的应用思路，不再讲那些“枯燥”的电路原理。

对于普通爱好者来说，可能用到最多的，应该是小电流或者小电压的采样，对于这种电路而言，通俗地说，要想使用采样电阻实现电流或者电压的采样，常用的另外一种重要器件便是带有 A/D 转换功能的芯片，必要时还需要先将被采样电流或者电压进行放大，这里就用到了运放等功能芯片。

是的，基本原理就是这样的，通过将采样电阻串接到电路中，由于采样电阻的阻值非常小，所以基本上不会对原有电路造成影响，因为流过的电流会在采样电阻上形成相应的电压，那么，只要把电路中的电流转换为电压信号，然后用 ADC 量化转化为相应的数字信号，我们就可以成功得到这个量值，从而实现采样过程。

AD 的差分与单端输入

当输入电压变化较大时，差分的两条信号线之间的电压差变化不大，而单端输入的一条线的电压变化时，GND 不变，所以电压差变化较大，综上，差分输入比单端输入的抗干扰性强得多。

另外，差分输入方式还可以有效抑制 EMI，这是因为两条信号线极性相反，所以对外辐射的电磁场相互抵消，两条信号线耦合越紧密，泄露到外界的电磁能量就越少。

审核编辑 黄昊宇