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電源測試必知必會 —— 信號鏈
閱讀：1165 發(fā)布時間：2020-10-10
- 信號鏈
由于電池測試設(shè)備要求輸出電壓電流精度較高，特別是動力電池測試系統(tǒng)，這就需要我們弄清每一級信號調(diào)理環(huán)節(jié)。典型框圖如圖 1 所示，由于一級信號放大倍數(shù)在 50～100 范圍，分流電阻壓降較小，微伏級別的電壓變化都會造成萬分位的誤差。
圖 1 電壓環(huán)與電流環(huán)
一級信號放大
輸入偏置電壓造成的的直流誤差在設(shè)備后校準(zhǔn)工序中可以消除掉，但是根據(jù)溫度，輸入輸出條件而變化的誤差卻很難通過線性校準(zhǔn)消除掉，一級主要影響因素有：
1． 放大器的 Input voltage offset drift
一般根據(jù)設(shè)備的溫升值，選取合適的取值范圍，通常應(yīng)用場景如表一所示：
表 1：典型應(yīng)用環(huán)境
電流檢測采用儀表放大器 INA821：溫漂 0．4 ＆micro；V／°C
可以得知大電流時，分流電阻壓降 60mV，溫漂帶來的 INA821 輸出漂移為 0．4＊50＝20 ＆micro；V，此時誤差為 0．0333％，實(shí)際電路板的溫升低于 50℃，因此 INA821 在實(shí)際使用中也占據(jù)較好的優(yōu)勢。同時也可以選型零溫漂器件如 INA188。
2． 放大器的共模抑制比 CMRR
在高精度的電池測試設(shè)備中通常使用具有良好噪聲環(huán)境高可靠性的高側(cè)電流檢測方法，由于共模電壓較高，需要使用共模抑制比較高的放大器。首先，共模抑制比可以表示為
Ad 為共模增益，Acm 為差模增益，共模抑制比帶來的誤差可以表示為
Vin＿cm 輸入共模電壓，Vin＿d 為輸入差模電壓，共模誤差似乎是一個可以被校準(zhǔn)的誤差，當(dāng)共模電壓不變時，這的確可以被軟件校準(zhǔn)抵消掉，而由于實(shí)際的分容電池電壓是從 0V 增長到滿電 4．2V，此時共模電壓隨著充放電時間而變化，那么共模誤差將會成為不可校準(zhǔn)的誤差了，此時需要選用 CMRR 較高的器件。在增益 100 倍時，根據(jù)式（1）（2）給出幾種不同器件 CMRR 帶來的誤差：
3． 其他因素
其他無源器件的選擇上如分流器等，也有采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒梢越档蜏仄瘞淼恼`差，這里不做贅述。
當(dāng)然也有存在一些廠家通過實(shí)現(xiàn)多段擬合的方法盡量降低校準(zhǔn)時的非線性誤差，但是由于批量生產(chǎn)時的一致性問題，這需要很大的工作量通過批量的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，找出具有普適性的溫漂多段校準(zhǔn)折線，但是如果因?yàn)橐恢滦缘膯栴}也容易導(dǎo)致出現(xiàn)過擬合誤差。
第二級補(bǔ)償器的設(shè)計
補(bǔ)償器中運(yùn)算放大器這一級的增益 10 倍以內(nèi)，補(bǔ)償器的輸出電壓在 1V 以上，通常運(yùn)放的噪聲以及溫漂都在微伏級別，造成的誤差也只是十萬分位的差值。由于電池測試設(shè)備所需要的輸出動態(tài)響應(yīng)不高，因此補(bǔ)償器參數(shù)的設(shè)計只需要保證良好的穩(wěn)態(tài)特性即—充足的相位裕度，較大補(bǔ)償器的直流增益。
電流指令給定與數(shù)據(jù)采集
小電流電池測試設(shè)備只需要一兩片 ADC 與 DAC 可以解決整機(jī)的電流指令的傳輸與信息的采集，采用如圖 2 所示的結(jié)構(gòu)，多 MUX 的方案可以實(shí)現(xiàn)主控板 ADC 或 DAC 與測試通道 1：128 或者 1：256 的用量。
圖 2 MUX ＆ ADC 采樣電路
由于前面提到系統(tǒng)軟件校準(zhǔn)技術(shù)，因此誤差主要來源于 ADC 非線性誤差 INL，溫漂，以及考慮在小電流電池測試設(shè)備中，讀取系統(tǒng)中所有通道的電壓電流值的時間可以為秒的量級，因此需求的采樣率不需要很快，但是為了滿足千分之一的電流精度，需要 bit 位 12bit 以上的成本敏感型 ADC，如：
而大電流電池檢測設(shè)備中，目前市面上新出廠的設(shè)備可達(dá) 0．02％，那么需要 ADC 精度較高，且每通道采樣率大于 1kHz，提高系統(tǒng)的電壓電流值刷新率，允許雙極性差分輸入的 ADC 提供更寬的電流變化范圍，同時保證了從儀表放大器到 ADC 檢測所有信號鏈中的參考均為地。采樣速率低于 100kHz 時，delta－sigma 的 ADC 較為常見使用：建議采用 ADS131M08