DIY制作低成本高精度示波器电流钳

从事电机控制、电源设计的工程师，经常会遇到测量电机相电流、电感电流的需求，那么有没有遇到手边没有电流钳的苦恼。打开淘宝，动起了买个电流钳的念头，却发现精度高点的价格很贵，价格便宜的电流钳精度又不高。该怎么办呢？

小编囊中羞涩，既然买不起，那就自己做个吧！决定DIY一个成本20元以内的高精度示波器电流钳，满足平日使用需求。

首先来看看今天的主角ACS712，它是一款基于霍尔效应的电流传感器,可用于电机控制中的相电流检测。它能够将电流信号转换成为电压信号。此系列霍尔电流传感器芯片有三种不同的电流等级，本文选择测量范围±20A，精度100mV/A的规格。

 

ACS712芯片内部的框图如上图所示，当电流从IP+流入IP-流出时，此时为正电流；当电流从IP-流入IP+流出时，此时电流为负电流。为了支持正负电流检测，芯片内部存在一个2.5V直流偏置，使得输出电压Vout始终为正电压，计算公式Vout= Ip*100mv/A+2.5V，因此静态时Vout输出为2.5V,对应电流为0A；当Vout输出4.5V时，对应电流为20A;；Vout输出0.5V，对应电流为-20A，每个电流值唯一对应一个电压值。

6引脚推荐外接电容，与芯片内部Rf=1.7kΩ构成低通滤波器，滤波器的截止频率

，因此可以通过选取电容值设置滤波器带宽，推荐1nF。

根据上文分析，从ACS712的输出信号电压Vout范围为0.5V到4.5V，始终为正值，如果直接显示在示波器上，不能很直观的观测出电流的正负。为了保持现有电流钳使用习惯，希望当输入电流为0时，对应的输出电压同样为0V。

为了在示波器上尽可能的还原出原始测量电流信号，做到和实际电流钳测试一样的效果，需要对ACS712的输出信号进行处理。下文将具体介绍方案设计。

硬件设计框图

硬件电路分为两个部分：电源电路和信号调理电路。

为了实现正负电流的显示，电路中运放需要使用双电源供电。板子采用9V仪表电池供电，使用LM7805稳压到+5V，然后使用SGM3204稳压到-5V电压，

信号调理电路处理ACS712的输出信号，首先减去+2.5V直流偏置电压，后使用同向放大电路处理输出，电路中还使用到低通滤波器用于滤除ACS712的器件噪声。

信号调理电路

减法电路，用于减掉ACS712输出的2.5V直流偏置电压，使得采集到的正负电流对应输出电压也为正负。电路原理如下图所示：

其输出电压

的推导过程为(该电路满足虚短续断)：

实际电路如下图所示：

由差分放大电路增益计算公式可知，该电路对输入信号的增益1。运放的同相输入端（R9左端）接ACS712信号输出，运放反向输入端（R12左端）接2.5V直流参考电压，刚好减掉ACS712中的2.5V直流偏置。根据上文分析，运放的输出Vo= Ip*100mv/A，这样刚好解决了ACS712的输出直流偏置电压问题，实现了0A对应0V。

得到2.5V的电压基准有多种方法，比如使用TL431,专用基准源芯片，电阻分压等。这里我采用了最简单的方法，使用电阻分压的方式得到2.5V，然后使用运算放大器搭建电压跟随器，降低信号输出阻抗，提高2.5V电压精度，电路如下图所示（电路中RP1不焊接）：

电源电路设计

为兼容传统电流钳使用习惯，整个电路使用9V仪表电池供电。在输入端使用二极管作为防反接保护。

上文分析可知，运放需要使用双电源供电，使用LM7805得到稳定的5V电压，然后使用电荷泵芯片SGM3204得到-5V电源。

LM7805为常规的LDO降压方案，实现原理这里不再展开，下面看看SGM3204是如何将+5V电压转换成-5V电压的。

SGM3204使用了电荷泵技术，它巧妙使用了电容两端电压不能突变的特点，通过对电容充放电回路的高频切换，使得电源输出电压翻转为负压。

下图截取自SGM3204数据手册中，当S1和S3闭合，S2和S4断开时电容Cfly充电到Vin，电容两端电压左高右低。当S1和S3断开，S2和S4闭合时，电容Cfly左端接地，由于电容电压无法突变，电容两端电压依然左高右低，电容右端电压即输出电压Vout变为负压，大小为-Vin。（忽略各个开关管压降）

对上述原理图在Tina中进行仿真，首先VG1设置为5V方波输出，频率设置为1Mhz。

VG1的高低电平切换模拟了SGM3204手册原理图中的开关S1和S2。高电平时（S1开，S2关），低电平时（S1关，S2开）。二极管模拟了开关管S3和S4，根据二极管的单向导电性，满足电荷泵的开关切换逻辑。

 

仿真波形中可以看出，在经过10us后，输出电压VF1逐渐稳定在-3.37V。

在经过1000us后，输出电压VF1最终稳定在-4.14V。因为二极管存在正向导通压降，输出电压损失了0.86V，电荷泵负压电路的原理就是这些，下面来看看SGM3204使用中关键器件的选型。

SGM3204的推荐电路比较简单，使用三个外部电容即可正常使用。分别为输入旁路电容Cin,”泵送”电容Cfly,输出电容Cout。

”泵送”电容Cfly,输出电容Cout的选型至关重要，它们共同决定了电荷泵电源的输出阻抗，输出电压纹波。

电荷泵的输出阻抗由下式计算得到，Cfly在工作中的阻抗与其电容大小和开关频率的乘积成反比。Rswitch为内部开关管导通电阻，ESR为电容的等效串联电阻。

电荷泵的输出阻抗的大小会直接影响到输出电压。当输出电流增大时，由于输出电阻的存在输出电压会出现下降趋势。

所以在电容选型时需选择低ESR的贴片陶瓷电容，也可通过多个小电容并联达到降低电容ESR的目的。同时，根据下式适当提高Cfly电容值，也可降低电荷泵输出阻抗,但请记住一定要适当提高。

输出电容Cout直接影响输出电压的纹波，峰峰值可根据下式展开计算

从公式中可以看出，如果将输出电容取得比较大，就可以达到非常小的输出纹波电压。

这是理论计算结果，实际中受SGM3204内部开关管通流能力的限制。如果将Cout选型过大，由于内阻比较小，会在充放电回路中产生浪涌电流，严重时会损坏芯片。

下图所示，增加5欧姆内阻,使用3.3uf电容情况下，电容充放电存在800ma浪涌电流。

”泵送”电容Cfly和输出电容Cout在大小上应保持相等，因为在S2,S4开关闭合时，Cfly与Cout是一个共享（平均）电荷的过程，当两者容量相等时，可以更快的达到输出稳定电压。

在设计中”泵送”电容Cfly和输出电容Cout的容量取值采用了手册推荐的3.3uf。使用该参数纹波测试效果，纹波小于10mv：

 

接口电路设计

常用的示波器的探头使用的是BNC接口，为了尽量减少信号在PCB板到示波器之间的衰减，同时做好接口的匹配。在设计中使用了SMA射频插座，然后使用SMA转BNC射频连接线，与示波器进行链接。SMA在接头处进行镀金处理，同时采用具有屏蔽层的连接线，屏蔽抗干扰，保证了传输信号的稳定性。

效果展示