4 羅氏線圈架構電流感測器 ADC 訊號鏈靈敏度分析

使用低成本 PCB 羅氏電流感測器的系統主要問題是感測器輸出處的訊號振幅通常非常小，在大多數情況下只有幾微伏特。您必須仔細設計訊號鏈，以滿足量測標準驅動的精確度需求。如此微小訊號的訊號調節必須包含顯著的差動增益，方法是選擇具內部增益的高解析度 ADC ，或是串接感測器與 ADC 之間的外部增益級。增加外部增益級通常是有害的，因為會增加總成本；因此，量化哪些解決方案需要外部增益級，以及何時可以避免，會更為合理。

表 3介紹三種不同的羅氏線圈，以分析外部增益級的有效性：

• 線圈 A 是一個 PCB 羅氏線圈，基於使用 PCB 羅氏線圈感測器的高精度交流電流測量參考設計 [11]，靈敏度約為 20μV/A。
• 線圈 B 是另一種專利的羅氏線圈，靈敏度約為 100μV/A
• 線圈 C 是市售的體磁羅氏線圈（脈衝 PA3209NL） [12] ，靈敏度約 500μV/A。

圖 2說明靈敏度分析的測量設定。各獨立羅氏線圈的輸出（如所示表 3）連接至訊號調節介面板，您可在此選擇或以四個跨接器繞過 TI INA188 型增益級 [13]。增益定義電阻器 R_G（請參閱圖 2）為 390Ω Ω ，提供可選的外部增益 128。

儀器放大器（INA）介面板的輸出可連接具備獨立 ADC 的三相電流變壓器 E 電表參考設計的相位 1 電流輸入[3]。此參考設計確實包含負載電阻器 R37 和 R38 ，僅在連接至比流器時才需要，且已實際移除以進行分析。電子電錶參考設計中的 ADC 是 TI ADS131M08，這是一種高精度、八通道、同時取樣 delta-sigma ADC，內部增益選項範圍為 1 至 128。

圖 3和圖 4表示使用 MTE 的 PTS3.3C 源產生器和參考儀表測量的 50Hz 線電流（100mA 至 10A）的電流精度。使用與 [3] 相同的測試程序，在 20ms 時間段內平均電流和能量的樣本。我們按照 [11] 中概述的步驟在數位域中實施羅式訊號集成。另一種方法是類比主動集成，如 [14] 所示，但在我們的分析中忽略此技術，因為這兩種方法通常產生相似的結果。

對於靈敏度極低（例如， 20μV/A）的 PCB 線圈，通過級聯 INA 級使用 128 外部增益時會有顯著改善（請參閱圖 3）。如先前所述，僅 ADS131M08 的內部 PGA 增益（即使增益為 128）並無法將小輸入訊號提升至高於量化雜訊位準以上。

使用靈敏度為 ≥100μV/A 的 PCB 線圈 （請參閱圖 4）時，選擇內部增益與外部增益會產生類似的誤差，表示感測器輸出振幅現在遠高於相關相位電流範圍的量化雜訊水平。產生誤差的絕對值高於某些收入級能源計量系統的可接受程度，該系統的目標是準確度 ≤0.5%。誤差增加是此設定中應用簡化校準程序的結果：單點（增益）校準。在典型的量測設計中，最多可套用三個校準步驟（偏移校準，增益校準和相位校準），以進一步減少絕對誤差。

圖 5和圖 6說明了 表 3中列出的三種不同線圈的測量誤差對羅式線圈靈敏度的依賴性

在小相位電流（200mA ，圖 5）與中級相位電流（5A ，圖 6）的情況下， 20μV 羅式線圈採用外部增益級可大幅改善（較小誤差）。正如預期的那樣，當檢測較大的線路電流值（5A，圖 6）時，所有誤差都會縮至較小的值。對 100μV/A 和 500μV/A Rogowski 而言，套用 128 外部增益與使用內部 ADC 增益的結果可獲得不相上下的準確度。