3 电能计量中使用的 PCB 罗氏线圈的灵敏度与 ADC 噪声性能

PCB 罗氏线圈灵敏度通常以微伏每安培为单位，取决于几何形状（匝数、线圈尺寸）、磁芯材料（如有）、电流频率以及环境因素（温度、湿度、外部磁场）[9]。常见的灵敏度范围从数十微伏到数百微伏每安培 [9]。

住宅电表测量 250mA 均方根 (RMS) 相电流的常见精度要求为 2% [1]。例如使用 200μV/A 罗氏线圈时，该相电流 ADC 输入端信号仅为 200μV/A × 0.250A = 50μV。以 2% 的精度测量该信号所需的 ADC 性能（即确定有效分辨率的噪声）低至 0.02 × 200μV/A × 0.250A = 1μV，通过 方程式 1 定义：

其中，V_nADC 是 ADC 所需噪声水平，tol 是给定相电流 I_phase-rms （单位为安培）的指定测量精度（以百分比表示），k 是罗氏线圈的灵敏度常数（单位为微伏每安培）。

因此，此示例中 ADC 的总噪声（量化噪声加白噪声）需要低于 1μV。

对比 1μV ADC 噪声要求与德州仪器 (TI) ADS131M08 [10] 等精密 ADC 的规格，显然达到预期性能水平可能需要对 ADC 样本进行额外的平均。表 2 展示此平均过程，同时还展示过采样率 (OSR) 定义的各种增益设置和数据速率下的总 ADC 噪声（单位为 RMS 微伏）。当增益为 1 且采样率为 4kSPS (OSR = 1,024) 时，ADC 噪声约为 5μVrms。平均时间翻倍时噪声以 √2 的系数提高，因此要满足 ADC 噪声 <1μV 的要求，需要时间周期 ≥16ms。这对于大多数电能计量系统来说可以接受，此类系统通常需要 20ms 的更新速率 [1]。此类平均实际上可以通过结合使用 Δ-Σ ADC 的内部过采样率 (OSR) 功能和外部后平均进行 ADC 内部过采样来实现。

表 2 建议采用的另一种选择是为 ADC 内部的可编程增益放大器 (PGA) 选择更高的增益，以此降低以输入为基准的噪声 [10]。另外，也可以在信号到达 ADC 之前，使用外部增益级对信号进行预处理。但外部增益级会显著增加信号链的成本。