4 基于罗氏线圈的电流传感器的 ADC 信号链灵敏度分析

采用低成本 PCB 罗氏电流传感器的系统的主要考虑因素是传感器输出端的信号幅度通常非常小，在大多数情况下仅为几微伏。必须仔细设计信号链，满足计量标准的精度要求。此类极小信号的信号调节必须通过选择具有内部增益的高分辨率 ADC 或在传感器与 ADC 之间级联外部增益级，从而包括显著的差分增益。增加外部增益级通常会产生不利的影响，因为这会增加总成本；因此，量化需要外部增益级的解决方案以及可以避免外部增益级的时机更有意义。

表 3 介绍了三种不同的罗氏线圈，以便分析外部增益级的有效性：

• 线圈 A 是基于采用 PCB 罗氏线圈传感器的高精度交流电流测量参考设计的 PCB 罗氏线圈 [11]，灵敏度约为 20μV/A。
• 线圈 B 是另一种专有罗氏线圈，灵敏度约为 100μV/A。
• 线圈 C 是市售型整体式罗氏线圈 (Pulse PA3209NL) [12]，灵敏度约为 500μV/A。

图 2 展示灵敏度分析的测量设置。各罗氏线圈的输出（如 表 3 所示）连接到信号调节接口板，可在其中使用四根跳线选择或绕过基于 TI INA188 的增益级 [13]。增益定义电阻 R_G（参见 图 2）为 390Ω，可产生 128 倍的可选外部增益。

仪表放大器 (INA) 接口板的输出连接到使用独立 ADC 的三相电流互感器电表参考设计的第 1 相电流输入 [3]。该参考设计确实包括负载电阻器 R37 和 R38，这些电阻器仅在连接到电流互感器时才需要使用且在此分析中已物理移除。电表参考设计中的 ADC 为 TI ADS131M08，这是一款高精度、八通道、同步采样 Δ-Σ ADC，具有 1 到 128 倍的内部增益选项。

图 3 和 图 4 展示使用 MTE PTS3.3C 源发生器和参考表测量 100mA 到 10A 的 50Hz 线路电流的电流精度。使用与 [3] 中相同的测试程序，在 20ms 的时间段内对电流和能量的样本取平均值。我们按照 [11] 中概述的程序在数字域中实现罗氏信号积分。另一种方法是如 [14] 所示的模拟主动积分，但我们在分析中忽略此项技术，因为这两种方法通常会产生相似的结果。

对于灵敏度极低的 PCB 线圈（例如 20μV/A），通过级联 INA 级使用 128 倍外部增益可以显著提高精度（参见 图 3）。如上文所述，ADS131M08 本身的内部 PGA 增益（即便增益达到 128 倍）无法将较小的输入信号充分提高到量化噪声电平以上。

使用灵敏度 ≥100μV/A 的 PCB 线圈时（参见 图 4），选择内部增益或外部增益会产生类似的误差，表明此时传感器输出幅度远高于相关相电流范围的量化噪声水平。产生误差的绝对值高于某些收入级电能计量系统可接受的水平，此类系统的精度目标 ≤0.5%。误差增加是在此设置中应用简化校准程序的结果：单点（增益）校准。在典型计量设计中，应用多达三个校准步骤（偏移校准、增益校准和相位校准）可以进一步降低绝对误差。

图 5 和 图 6 展示 表 3 中列出的三种不同线圈的测量误差对罗氏线圈灵敏度的依赖性。

在较小的相电流 (200mA，图 5) 和中等相电流 (5A，图 6) 的情况下，20μV/A 罗氏线圈通过采用外部增益级实现显著改善（误差减小）。检测到较大的线路电流值时 (5A，图 6)，所有误差均减小到较小的值，符合预期。对于 100μV/A 和 500μV/A 罗氏线圈，应用 128 倍外部增益与使用内部 ADC 增益相比可实现类似的精度。