扩展DSO功能的仪表放大器

为了确定一个太阳能发电厂的 规格，需要准确地测量某个产品消耗的负载电流。该产品用于多个内部设备的开、关切换，间隔时间为数秒。但电流计显示电流瞬变的速度太快了，无法用目视观测，而我的经理要求提供有电流波形峰值的示波器照片。我推来了公司的车载DSO（数字存储示波器），在产品的正电源输入端串接了一个小阻值电阻器，试图在电流采样电阻器上作一个差分电压测量（Channel A减Channel B）。 　　很不幸，来自本地调频广播电台的 RF 噪声淹没了采样电阻器负载上少许波动所产生的电压，并且由于电源线路上无用的电压降而增加了电阻。最后，12V电压线路引入的一个电压偏移，限制了示波器准确解析差分小信号的能力，而这正是我要测量的内容。我断开示波器的交流接地，使其对采样电阻器而言为“悬浮”态，但迹线上的可见RF噪声更加明显。我曾考虑使用老式的模拟（非存储）示波器，但我得用DSO的存储功能来捕捉和打印我写报告所要求的波形。 　　遭到挫折后，我在工作台上寻找一些零散的元件，搭一个能解决这个问题的电路。搜集到零部件中恰好有一个仪表放大器IC1，它可以出色地完成将小信号从高频背景噪声中提取出来的工作。放大器固有的低响应速度可以衰减 RF 噪声，而不会影响到对较低频率信号的放大。在放大器的输入、输出端增加RC低通滤波器，进一步衰减由附近的开关电源和数字逻辑电路以及微处理器所产生的低频噪声。 　　通常情况下，我避免在模拟电路上采用会辐射噪声的DC/DC转换器作电源。但是，现在DC/DC转换器IC2 却是一个方便且技术上可行的方案（图1）。一般来说，DC/DC转换器在负载电流升高时产生的噪声也更大，但在本电路中，唯一的负载构成了仪表放大器，它只消耗几毫安电流。增加一些滤波元件可以进一步抑制噪声。 　　在正常运行情况下，消耗的电流在约300mA"800 mA之间波动。为尽量减少电源回路中产生的电压降，我用一个5mm%26;#215;20mm、10A、250V 的保险丝F1作电流采样电阻器。保险丝上的电压降每100mA电流约为1mV，保险丝工作在标称值的一小部分，避免了测量中引入非线性因素。 　　增益设定电阻器R2值为475Ω，仪表放大器为Analog Devices公司的AD620，可提供105V/V 增益，产生约1V的输出，相当于流过分流器的1A电流。电容器C12与C13为高频噪声提供低阻抗通路。