一种电流监测电路的设计与实现

张小虎 云龙 王雪莉 张思

摘要：在雷达天线前端子系统中，为了能够实时有效监控雷达前端子系统的工作状态，需要采集前端子系统中T/R组件的状态信息，诸如T/R组件的温度信息、工作电流信息等。文中从电流监测电路设计的必要性入手，通过对霍尔效应的介绍，详细分析了电流监测电路的组成实现，从硬件设计和软件设计两个方面对电流监测电路进行了阐述。

关键词： 霍尔传感器; 电流监测; A/D转换

1电流监测

霍尔电流传感器不仅可以测量直流电流，还可以测量交流电流，其所依据的工作原理主要是霍尔效应（3）。霍尔效应可以描述为：当在通电半导体材料上施加一个固定磁场，由于磁场对通电半导体中电子和空穴施加的洛伦兹力不同，则会在通电半导体材料的两端产生相应的感应电压，而该电压值会随着半导体材料中通过电流的大小而发生变化（1）。利用霍尔电流传感器进行电流监测的优势在于它是一种非接触式的测量方法，测量过程中不会改变被测电路本身的特性，本身的功耗也不高，其测量过程简单、灵活、可靠（2）。

2监测电路设计

2.1监测电路组成：该监测电路主要利用霍尔电流传感器监测T/R组件工作时的电流信号，霍尔电流传感器输出感应的电压模拟量在经过AD芯片采样、量化后得到霍尔电压数字量送入FPGA控制芯片进行处理。本文中的霍尔电流传感器选用的是科峰航智公司生产的AN1V50PB22，AD芯片采用的是AD公司生产的10位分辨率AD芯片AD7467BRM，FPGA控制芯片采用的是Altera公司生产的EP2S60F484I4。

2.2硬件设计：AN1V50PB22是一款基于霍尔效应的开环电流传感器，它内部的原边与副边之间完全绝缘，其电流测量值可以保持与被测电源变化的成比例输出。该霍尔电流传感器的工作电压Vc典型值为5V，电流消耗Ic典型值为11mA，理论增益Gth典型值为80mV/A，零点输出电压VQOV典型值为0.55V，原边额定电流有效值最大为50A，工作温度范围为-40℃～150℃。其测量输出的电压值可以用公式（1）表示：

Vout =（Vc/5）×（VQOV + Gth×Ip）       （1）

在公式（1）中，Vout表示測量输出的电压值，Ip表示被测试原边电流值。由于零点输出电压VQOV会因实际电路负载的不同而有所差异，因此该电压值可以使用数字万用表在实际监测电路中测量获取。该电压值测量的条件是：当Vc=5V且Ip =0A。另外，Vc/5可以认为是常量1，因而通过对公式（1）的简化变换可以得到电流测量值公式（2）。

Ip = （Vout - VQOV）/Gth           （2）

AD7467BRM器件的CS信号，SCLK信号均由FPGA芯片产生，AD芯片完成模数转换后的串行数据SDATA直接进入FPGA芯片中做后续处理。

2.3软件设计：软件部分主要涉及FPGA芯片对AD7467BRM器件的控制及其输出串行数据的处理。在正常工作情况下，T/R组件作为负载相对变化较小，而且电流监测电路回报数据的速率也不高。为了提高电流监测电路数据采集的可靠性和稳定性，该模块在一定时间内产生了多次采集触发，对所监测的电流做了多次采集转换。由于AD7467BRM是10bit分辨率精度，而其供电电源电压为3.3V，所以其模数转换的量化精度为（3.3/210）V。因此，电流监测电路实际的监测电流值可以由公式（2）变换为公式（3）表示，其中Sdd表示电流监测电路采集转换完成后输出的并行数据。

Ip = （（3.3/210）×Sdd - VQOV）/Gth           （3）

对电流监测电路做了多次测量验证，包括不同情况下的正电源电压负载和负电源电压负载，通过公式（3）计算可以得到相应的测试结果，如表1所示。

3结束语

文中从设计实现雷达系统中电流监测电路的必要性入手，通过对霍尔效应原理的介绍，详细分析了某雷达前端子系统中电流监测电路的组成实现，从硬件设计和软件设计两个方面对电流监测电路进行了阐述。目前，该电流监测电路已经完成工程设计，通过不同负载条件下的对比测试，获取了相应的测试数据。

参考文献

[1] 孟庆巨等. 半导体器件物理[M]. 北京：科学出版社，2009.

[2] 李增国. 传感器与检测技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.