DIY制作低成本高精度示波器电流钳
从事电机控制、电源设计的工程师，经常会遇到测量电机相电流、电感电流的需求，那么有没有遇到手边没有电流钳的苦恼。打开淘宝，动起了买个电流钳的念头，却发现精度高点的价格很贵，价格便宜的电流钳精度又不高。该怎么办呢？
小编囊中羞涩，既然买不起，那就自己做个吧！决定diy一个成本20元以内的高精度示波器电流钳，满足平日使用需求。
首先来看看今天的主角acs712，它是一款基于霍尔效应的电流传感器,可用于电机控制中的相电流检测。它能够将电流信号转换成为电压信号。此系列霍尔电流传感器芯片有三种不同的电流等级，本文选择测量范围±20a，精度100mv/a的规格。
acs712芯片内部的框图如上图所示，当电流从ip+流入ip-流出时，此时为正电流；当电流从ip-流入ip+流出时，此时电流为负电流。为了支持正负电流检测，芯片内部存在一个2.5v直流偏置，使得输出电压vout始终为正电压，计算公式vout= ip*100mv/a+2.5v，因此静态时vout输出为2.5v,对应电流为0a；当vout输出4.5v时，对应电流为20a;；vout输出0.5v，对应电流为-20a，每个电流值唯一对应一个电压值。
6引脚推荐外接电容，与芯片内部rf=1.7kω构成低通滤波器，滤波器的截止频率
，因此可以通过选取电容值设置滤波器带宽，推荐1nf。
根据上文分析，从acs712的输出信号电压vout范围为0.5v到4.5v，始终为正值，如果直接显示在示波器上，不能很直观的观测出电流的正负。为了保持现有电流钳使用习惯，希望当输入电流为0时，对应的输出电压同样为0v。
为了在示波器上尽可能的还原出原始测量电流信号，做到和实际电流钳测试一样的效果，需要对acs712的输出信号进行处理。下文将具体介绍方案设计。
硬件设计框图
硬件电路分为两个部分：电源电路和信号调理电路。
为了实现正负电流的显示，电路中运放需要使用双电源供电。板子采用9v仪表电池供电，使用lm7805稳压到+5v，然后使用sgm3204稳压到-5v电压，
信号调理电路处理acs712的输出信号，首先减去+2.5v直流偏置电压，后使用同向放大电路处理输出，电路中还使用到低通滤波器用于滤除acs712的器件噪声。
信号调理电路
减法电路，用于减掉acs712输出的2.5v直流偏置电压，使得采集到的正负电流对应输出电压也为正负。电路原理如下图所示：
其输出电压
的推导过程为(该电路满足虚短续断)：
实际电路如下图所示：
由差分放大电路增益计算公式可知，该电路对输入信号的增益1。运放的同相输入端（r9左端）接acs712信号输出，运放反向输入端（r12左端）接2.5v直流参考电压，刚好减掉acs712中的2.5v直流偏置。根据上文分析，运放的输出vo= ip*100mv/a，这样刚好解决了acs712的输出直流偏置电压问题，实现了0a对应0v。
得到2.5v的电压基准有多种方法，比如使用tl431,专用基准源芯片，电阻分压等。这里我采用了最简单的方法，使用电阻分压的方式得到2.5v，然后使用运算放大器搭建电压跟随器，降低信号输出阻抗，提高2.5v电压精度，电路如下图所示（电路中rp1不焊接）：
电源电路设计
为兼容传统电流钳使用习惯，整个电路使用9v仪表电池供电。在输入端使用二极管作为防反接保护。
上文分析可知，运放需要使用双电源供电，使用lm7805得到稳定的5v电压，然后使用电荷泵芯片sgm3204得到-5v电源。
lm7805为常规的ldo降压方案，实现原理这里不再展开，下面看看sgm3204是如何将+5v电压转换成-5v电压的。
sgm3204使用了电荷泵技术，它巧妙使用了电容两端电压不能突变的特点，通过对电容充放电回路的高频切换，使得电源输出电压翻转为负压。
下图截取自sgm3204数据手册中，当s1和s3闭合，s2和s4断开时电容cfly充电到vin，电容两端电压左高右低。当s1和s3断开，s2和s4闭合时，电容cfly左端接地，由于电容电压无法突变，电容两端电压依然左高右低，电容右端电压即输出电压vout变为负压，大小为-vin。（忽略各个开关管压降）
对上述原理图在tina中进行仿真，首先vg1设置为5v方波输出，频率设置为1mhz。
vg1的高低电平切换模拟了sgm3204手册原理图中的开关s1和s2。高电平时（s1开，s2关），低电平时（s1关，s2开）。二极管模拟了开关管s3和s4，根据二极管的单向导电性，满足电荷泵的开关切换逻辑。
仿真波形中可以看出，在经过10us后，输出电压vf1逐渐稳定在-3.37v。
在经过1000us后，输出电压vf1最终稳定在-4.14v。因为二极管存在正向导通压降，输出电压损失了0.86v，电荷泵负压电路的原理就是这些，下面来看看sgm3204使用中关键器件的选型。
sgm3204的推荐电路比较简单，使用三个外部电容即可正常使用。分别为输入旁路电容cin,”泵送”电容cfly,输出电容cout。
”泵送”电容cfly,输出电容cout的选型至关重要，它们共同决定了电荷泵电源的输出阻抗，输出电压纹波。
电荷泵的输出阻抗由下式计算得到，cfly在工作中的阻抗与其电容大小和开关频率的乘积成反比。rswitch为内部开关管导通电阻，esr为电容的等效串联电阻。
电荷泵的输出阻抗的大小会直接影响到输出电压。当输出电流增大时，由于输出电阻的存在输出电压会出现下降趋势。
所以在电容选型时需选择低esr的贴片陶瓷电容，也可通过多个小电容并联达到降低电容esr的目的。同时，根据下式适当提高cfly电容值，也可降低电荷泵输出阻抗,但请记住一定要适当提高。
输出电容cout直接影响输出电压的纹波，峰峰值可根据下式展开计算
从公式中可以看出，如果将输出电容取得比较大，就可以达到非常小的输出纹波电压。
这是理论计算结果，实际中受sgm3204内部开关管通流能力的限制。如果将cout选型过大，由于内阻比较小，会在充放电回路中产生浪涌电流，严重时会损坏芯片。
下图所示，增加5欧姆内阻,使用3.3uf电容情况下，电容充放电存在800ma浪涌电流。
”泵送”电容cfly和输出电容cout在大小上应保持相等，因为在s2,s4开关闭合时，cfly与cout是一个共享（平均）电荷的过程，当两者容量相等时，可以更快的达到输出稳定电压。
在设计中”泵送”电容cfly和输出电容cout的容量取值采用了手册推荐的3.3uf。使用该参数纹波测试效果，纹波小于10mv：
接口电路设计
常用的示波器的探头使用的是bnc接口，为了尽量减少信号在pcb板到示波器之间的衰减，同时做好接口的匹配。在设计中使用了sma射频插座，然后使用sma转bnc射频连接线，与示波器进行链接。sma在接头处进行镀金处理，同时采用具有屏蔽层的连接线，屏蔽抗干扰，保证了传输信号的稳定性。
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acs712芯片内部的框图如上图所示，当电流从ip+流入ip-流出时，此时为正电流；当电流从ip-流入ip+流出时，此时电流为负电流。为了支持正负电流检测，芯片内部存在一个2.5v直流偏置，使得输出电压vout始终为正电压，计算公式vout= ip*100mv/a+2.5v，因此静态时vout输出为2.5v,对应电流为0a；当vout输出4.5v时，对应电流为20a;；vout输出0.5v，对应电流为-20a，每个电流值唯一对应一个电压值。
6引脚推荐外接电容，与芯片内部rf=1.7kω构成低通滤波器，滤波器的截止频率
，因此可以通过选取电容值设置滤波器带宽，推荐1nf。
根据上文分析，从acs712的输出信号电压vout范围为0.5v到4.5v，始终为正值，如果直接显示在示波器上，不能很直观的观测出电流的正负。为了保持现有电流钳使用习惯，希望当输入电流为0时，对应的输出电压同样为0v。
为了在示波器上尽可能的还原出原始测量电流信号，做到和实际电流钳测试一样的效果，需要对acs712的输出信号进行处理。下文将具体介绍方案设计。
硬件设计框图
硬件电路分为两个部分：电源电路和信号调理电路。
为了实现正负电流的显示，电路中运放需要使用双电源供电。板子采用9v仪表电池供电，使用lm7805稳压到+5v，然后使用sgm3204稳压到-5v电压，
信号调理电路处理acs712的输出信号，首先减去+2.5v直流偏置电压，后使用同向放大电路处理输出，电路中还使用到低通滤波器用于滤除acs712的器件噪声。
信号调理电路
减法电路，用于减掉acs712输出的2.5v直流偏置电压，使得采集到的正负电流对应输出电压也为正负。电路原理如下图所示：
其输出电压
的推导过程为(该电路满足虚短续断)：
实际电路如下图所示：
由差分放大电路增益计算公式可知，该电路对输入信号的增益1。运放的同相输入端（r9左端）接acs712信号输出，运放反向输入端（r12左端）接2.5v直流参考电压，刚好减掉acs712中的2.5v直流偏置。根据上文分析，运放的输出vo= ip*100mv/a，这样刚好解决了acs712的输出直流偏置电压问题，实现了0a对应0v。
得到2.5v的电压基准有多种方法，比如使用tl431,专用基准源芯片，电阻分压等。这里我采用了最简单的方法，使用电阻分压的方式得到2.5v，然后使用运算放大器搭建电压跟随器，降低信号输出阻抗，提高2.5v电压精度，电路如下图所示（电路中rp1不焊接）：
电源电路设计
为兼容传统电流钳使用习惯，整个电路使用9v仪表电池供电。在输入端使用二极管作为防反接保护。
上文分析可知，运放需要使用双电源供电，使用lm7805得到稳定的5v电压，然后使用电荷泵芯片sgm3204得到-5v电源。
lm7805为常规的ldo降压方案，实现原理这里不再展开，下面看看sgm3204是如何将+5v电压转换成-5v电压的。
sgm3204使用了电荷泵技术，它巧妙使用了电容两端电压不能突变的特点，通过对电容充放电回路的高频切换，使得电源输出电压翻转为负压。
下图截取自sgm3204数据手册中，当s1和s3闭合，s2和s4断开时电容cfly充电到vin，电容两端电压左高右低。当s1和s3断开，s2和s4闭合时，电容cfly左端接地，由于电容电压无法突变，电容两端电压依然左高右低，电容右端电压即输出电压vout变为负压，大小为-vin。（忽略各个开关管压降）
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仿真波形中可以看出，在经过10us后，输出电压vf1逐渐稳定在-3.37v。
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电荷泵的输出阻抗由下式计算得到，cfly在工作中的阻抗与其电容大小和开关频率的乘积成反比。rswitch为内部开关管导通电阻，esr为电容的等效串联电阻。
电荷泵的输出阻抗的大小会直接影响到输出电压。当输出电流增大时，由于输出电阻的存在输出电压会出现下降趋势。
所以在电容选型时需选择低esr的贴片陶瓷电容，也可通过多个小电容并联达到降低电容esr的目的。同时，根据下式适当提高cfly电容值，也可降低电荷泵输出阻抗,但请记住一定要适当提高。
输出电容cout直接影响输出电压的纹波，峰峰值可根据下式展开计算
从公式中可以看出，如果将输出电容取得比较大，就可以达到非常小的输出纹波电压。
这是理论计算结果，实际中受sgm3204内部开关管通流能力的限制。如果将cout选型过大，由于内阻比较小，会在充放电回路中产生浪涌电流，严重时会损坏芯片。
下图所示，增加5欧姆内阻,使用3.3uf电容情况下，电容充放电存在800ma浪涌电流。
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效果展示
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