电流/电压转换芯片MAX472在永磁直流电动机虚拟测试系统中的应用

　　永磁直流电动机虚拟测试系统(以下简称测试系统)通过系统辩识原理获得直流电动机的有关机电参数，从而可以对电动机进行多功能测试。根据测试系统的要求，需要采集电动机阶跃过渡过程的电压u、电流i和转速n，这三个量的采集是至关重要的，它们直接影响到整个测试系统的测试精度。
　　常规测量电流i的方法多用在被测电路串联电阻，直接测量电阻两端电压的方法，但存在测量范围小、测量误差大等缺点。而测试系统采用电流/电压转换芯片MAX472，则克服了常规方法的缺点，实现了电动机阶跃电流的高精度测量。
1 电流测量方法及其电路实现
　　由于电流不能直接由A/D 转换器转换，因此必须先将其转变成电压信号，然后才能转换。所以，电流/电压转换电路在测试系统中占有很重要的地位。
　　常用的电流测量方法是在被测电路中串入精密电阻，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。这种方法的优点是测量简单方便。但当被测电流较大而串入的电阻阻值又较大时，电阻的压降对电路的带载能力将产生较大的影响；当被测电流很小时，从电阻上直接取得的电压值又可能太小，影响测量准确度。因而，这种直接测量的方法很难选择一合适的阻值，以适应电流变化范围较大的情况，尤其是较小电流的准确测量。由于测试系统的特殊要求，需要采集的是阶跃信号，因而电动机的电流变化范围较大(从毫安级到十几安)，所以上述的串电阻直接测量的方法很难满足测试系统精度要求。
　　鉴于此，我们做了大量的调查和实验，最后选择了美国 MAXIM 公司最新生产的电流/电压转换器MAX472，其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想，且能适应大范围大电流的测量，经过实际的实验验证和测试，很好地满足了本系统的要求。下面介绍该芯片的工作原理及其在测试系统中的具体应用。
1.1 MAX472的工作原理
　　MAX 472的工作原理如图1所示，方框内的部分是该芯片的内部结构，其中A1和A2是两个运算放大器，构成差动输入，这样可以增强抗干扰能力，提高小电流信号的测量准确度；Q1和Q2是两个三极管；COMP是一比较器；R_sence是电流采样电阻，测试系统采用热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。方框外面的部分是用户可以根据自己的需要而改变的电路。其工作原理详述如下：

　　假定电流是从左向右(如图1中I_load方向所示)流过电流采样电阻R_sence,管脚OUT通过一电阻R_out接地。这样，运放A1工作，产生电流I_out,从Q1的发射极流出。而此时运放A2是截止的，没有电流从Q2流出。A1的负输入端(－)电位为：
　　

　　根据(5)式,R_sence取较小的值。通过(R_out/RG1)把比例P设置一个合适的值。对于小电流，可以获得较大的输出测量电压V_out,避免前述直接测量电压信号太小的缺点，对于较大的电流，又不会对电路的带载能力产生较大的影响。在电路的具体应用中，电路各参数具体计算要满足该芯片技术条件要求：
　　(1) OUT端的输出电压V_out＜(V_RG－1.5V)
　　(2) OUT端的输出电流I_out≤1.5mA
1.2 MAX472在测试系统中的具体应用
　　MAX472在测试系统中的应用电路如图2所示。

　　在图2中，功率驱动模块SWITCH POWER是实现施加阶跃电压的电路。MOTOR为永磁直流电动机，是测试系统的测试对象。
　　电流采样电阻R_sence的选择很重要，它的选择决定了电压/电流的转换比例P。对于较小的电流，R_sence的选择须使得P较大，才能使得转换得到的输出电压不至于太小而影响测量的准确度。而图2所示的MAX472的应用电路，正是可以通过调整其中的RG1、RG2和R_out来调整P,从而获得较理想的P。理想的P的获得是一个试凑计算的过程。
　　下面根据测试系统的要求，具体计算电路的各项参数。
　　已知测试系统最大电流为4A,最小电流为100mA,电动机额定工作电压为24V(阶跃电压由20V到24V)。应根据上述已知条件初选R_sence的阻值为0.02Ω。转换电路首先必须满足对最大电流的测量。所以，根据最大转换电流和1.1节中的要求(1)和(2)，计算R_out和RG1(＝RG2)。
　　由(4)式得：
　　V_out(max)＝(R_sence×R_out×I_load)/RG1
　　＝0.02×R_out×4/RG1
　　＝0.08×R_out/RG1
　　所以 I_out(max)＝V_out(max)/R_out＝0.08/RG1
　　即：RG1＝0.08/I_out(max)
　　将要求(2)：I_out(max)≤1.5mA代入，
　　得：RG1≥53.33Ω
　　选定： RG1＝RG2＝55Ω，
　　取电动机电压V_RG＝20V，由要求(1)：
　　V_out(max)＜(V_RG－1.5V
　　得： V_out(max)＜18.5V
　　将此值代入由(4)得出的V_out(max)，即可求出：
　　R_out≤12.72kΩ
　　选定： R_out＝12.5kΩ
　　则电压/电流的转换比例为：
　　p＝V_out/I_load＝R_sence×(R_out/RG)＝10.02×12500/55≈4.55
　　对于测试系统的最小电流100mA,经过转换后放大4.55倍，得到的电压值V_out(min)为：
　　V_out(min)＝0.1×4.55＝0.455V＝455mV
　　这样，最小电流经过放大后测量准确度就大大提高了。
　　采样电阻R_sence的压降最大为：
　　V_rsence＝R_sence×4＝0.02×4＝0.08V
　　如此小的压降对电路的带载能力的影响可以忽略。
　　经过上述的计算，可以看出初选的R_sence值为0.02Ω还是比较合适的。如果初选的值不合适，可以试着用其它的值按上述的过程来计算，直到获得较理想的P值。
2 精度分析
2.1 测试曲线的精度分析
　　根据上述计算的电路参数，将其应用到测试系统电路(图2所示)中，并实际采集了电动机的阶跃响应电流(阶跃电压为从20V加到24V)，经此电流/电压转换后的电压响应曲线如图3所示。