從事電機控制、電源設計的工程師，經(jīng)常會遇到測量電機相電流、電感電流的需求，那么有沒有遇到手邊沒有電流鉗的苦惱。打開淘寶，動起了買個電流鉗的念頭，卻發(fā)現(xiàn)精度高點的價格很貴，價格便宜的電流鉗精度又不高。該怎么辦呢？

小編囊中羞澀，既然買不起，那就自己做個吧！決定DIY一個成本20元以內(nèi)的高精度示波器電流鉗，滿足平日使用需求。

首先來看看今天的主角ACS712，它是一款基于霍爾效應的電流傳感器,可用于電機控制中的相電流檢測。它能夠?qū)㈦娏?a target="_blank">信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號。此系列霍爾電流傳感器芯片有三種不同的電流等級，本文選擇測量范圍±20A，精度100mV/A的規(guī)格。

ACS712芯片內(nèi)部的框圖如上圖所示，當電流從IP+流入IP-流出時，此時為正電流；當電流從IP-流入IP+流出時，此時電流為負電流。為了支持正負電流檢測，芯片內(nèi)部存在一個2.5V直流偏置，使得輸出電壓Vout始終為正電壓，計算公式Vout= Ip*100mv/A+2.5V，因此靜態(tài)時Vout輸出為2.5V,對應電流為0A；當Vout輸出4.5V時，對應電流為20A;；Vout輸出0.5V，對應電流為-20A，每個電流值唯一對應一個電壓值。

6引腳推薦外接電容，與芯片內(nèi)部Rf=1.7kΩ構(gòu)成低通濾波器，濾波器的截止頻率

，因此可以通過選取電容值設置濾波器帶寬，推薦1nF。

根據(jù)上文分析，從ACS712的輸出信號電壓Vout范圍為0.5V到4.5V，始終為正值，如果直接顯示在示波器上，不能很直觀的觀測出電流的正負。為了保持現(xiàn)有電流鉗使用習慣，希望當輸入電流為0時，對應的輸出電壓同樣為0V。

為了在示波器上盡可能的還原出原始測量電流信號，做到和實際電流鉗測試一樣的效果，需要對ACS712的輸出信號進行處理。下文將具體介紹方案設計。

硬件設計框圖

硬件電路分為兩個部分：電源電路和信號調(diào)理電路。

為了實現(xiàn)正負電流的顯示，電路中運放需要使用雙電源供電。板子采用9V儀表電池供電，使用LM7805穩(wěn)壓到+5V，然后使用SGM3204穩(wěn)壓到-5V電壓，

信號調(diào)理電路處理ACS712的輸出信號，首先減去+2.5V直流偏置電壓，后使用同向放大電路處理輸出，電路中還使用到低通濾波器用于濾除ACS712的器件噪聲。

信號調(diào)理電路

減法電路，用于減掉ACS712輸出的2.5V直流偏置電壓，使得采集到的正負電流對應輸出電壓也為正負。電路原理如下圖所示：

其輸出電壓

的推導過程為(該電路滿足虛短續(xù)斷)：

實際電路如下圖所示：

由差分放大電路增益計算公式可知，該電路對輸入信號的增益1。運放的同相輸入端（R9左端）接ACS712信號輸出，運放反向輸入端（R12左端）接2.5V直流參考電壓，剛好減掉ACS712中的2.5V直流偏置。根據(jù)上文分析，運放的輸出Vo= Ip*100mv/A，這樣剛好解決了ACS712的輸出直流偏置電壓問題，實現(xiàn)了0A對應0V。

得到2.5V的電壓基準有多種方法，比如使用TL431,專用基準源芯片，電阻分壓等。這里我采用了最簡單的方法，使用電阻分壓的方式得到2.5V，然后使用運算放大器搭建電壓跟隨器，降低信號輸出阻抗，提高2.5V電壓精度，電路如下圖所示（電路中RP1不焊接）：

電源電路設計

為兼容傳統(tǒng)電流鉗使用習慣，整個電路使用9V儀表電池供電。在輸入端使用二極管作為防反接保護。

上文分析可知，運放需要使用雙電源供電，使用LM7805得到穩(wěn)定的5V電壓，然后使用電荷泵芯片SGM3204得到-5V電源。

LM7805為常規(guī)的LDO降壓方案，實現(xiàn)原理這里不再展開，下面看看SGM3204是如何將+5V電壓轉(zhuǎn)換成-5V電壓的。

SGM3204使用了電荷泵技術(shù)，它巧妙使用了電容兩端電壓不能突變的特點，通過對電容充放電回路的高頻切換，使得電源輸出電壓翻轉(zhuǎn)為負壓。

下圖截取自SGM3204數(shù)據(jù)手冊中，當S1和S3閉合，S2和S4斷開時電容Cfly充電到Vin，電容兩端電壓左高右低。當S1和S3斷開，S2和S4閉合時，電容Cfly左端接地，由于電容電壓無法突變，電容兩端電壓依然左高右低，電容右端電壓即輸出電壓Vout變?yōu)樨搲海笮?Vin。（忽略各個開關(guān)管壓降）

對上述原理圖在Tina中進行仿真，首先VG1設置為5V方波輸出，頻率設置為1Mhz。

VG1的高低電平切換模擬了SGM3204手冊原理圖中的開關(guān)S1和S2。高電平時（S1開，S2關(guān)），低電平時（S1關(guān)，S2開）。二極管模擬了開關(guān)管S3和S4，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦裕瑵M足電荷泵的開關(guān)切換邏輯。

仿真波形中可以看出，在經(jīng)過10us后，輸出電壓VF1逐漸穩(wěn)定在-3.37V。

在經(jīng)過1000us后，輸出電壓VF1最終穩(wěn)定在-4.14V。因為二極管存在正向?qū)▔航担敵鲭妷簱p失了0.86V，電荷泵負壓電路的原理就是這些，下面來看看SGM3204使用中關(guān)鍵器件的選型。

SGM3204的推薦電路比較簡單，使用三個外部電容即可正常使用。分別為輸入旁路電容Cin,”泵送”電容Cfly,輸出電容Cout。

”泵送”電容Cfly,輸出電容Cout的選型至關(guān)重要，它們共同決定了電荷泵電源的輸出阻抗，輸出電壓紋波。

電荷泵的輸出阻抗由下式計算得到，Cfly在工作中的阻抗與其電容大小和開關(guān)頻率的乘積成反比。Rswitch為內(nèi)部開關(guān)管導通電阻，ESR為電容的等效串聯(lián)電阻。

電荷泵的輸出阻抗的大小會直接影響到輸出電壓。當輸出電流增大時，由于輸出電阻的存在輸出電壓會出現(xiàn)下降趨勢。

所以在電容選型時需選擇低ESR的貼片陶瓷電容，也可通過多個小電容并聯(lián)達到降低電容ESR的目的。同時，根據(jù)下式適當提高Cfly電容值，也可降低電荷泵輸出阻抗,但請記住一定要適當提高。

輸出電容Cout直接影響輸出電壓的紋波，峰峰值可根據(jù)下式展開計算

從公式中可以看出，如果將輸出電容取得比較大，就可以達到非常小的輸出紋波電壓。

這是理論計算結(jié)果，實際中受SGM3204內(nèi)部開關(guān)管通流能力的限制。如果將Cout選型過大，由于內(nèi)阻比較小，會在充放電回路中產(chǎn)生浪涌電流，嚴重時會損壞芯片。

下圖所示，增加5歐姆內(nèi)阻,使用3.3uf電容情況下，電容充放電存在800ma浪涌電流。

”泵送”電容Cfly和輸出電容Cout在大小上應保持相等，因為在S2,S4開關(guān)閉合時，Cfly與Cout是一個共享（平均）電荷的過程，當兩者容量相等時，可以更快的達到輸出穩(wěn)定電壓。

在設計中”泵送”電容Cfly和輸出電容Cout的容量取值采用了手冊推薦的3.3uf。使用該參數(shù)紋波測試效果，紋波小于10mv：

接口電路設計

常用的示波器的探頭使用的是BNC接口，為了盡量減少信號在PCB板到示波器之間的衰減，同時做好接口的匹配。在設計中使用了SMA射頻插座，然后使用SMA轉(zhuǎn)BNC射頻連接線，與示波器進行鏈接。SMA在接頭處進行鍍金處理，同時采用具有屏蔽層的連接線，屏蔽抗干擾，保證了傳輸信號的穩(wěn)定性。

效果展示