儘管機械電能表（moving-coil meter）的解析度和精確度都不如數位電錶，它們仍是追蹤讀數變動及繪製測量值改變率的最佳顯示裝置。機械電能表的缺點在於測量低電流時，電錶的滿刻度偏轉電流通常遠大於待測量的電流，而且需要另一組獨立電源來驅動電錶。早期的機械電能錶提供可充電的蓄電池來解決此問題，Hartmann and Braun的Multavi-10就是其中一例。透過手動選擇式分流電阻和截波放大器的適當組合，使用者可以選擇從1μA到1A的13種不同電流範圍。
隨著INA19x系列等新一代分流監控元件（current-shunt monitor）出現，機械電能錶的放大器設計已大幅簡化。(圖一)是電流測量範圍0到100mA的8英吋機械電能表的驅動電路，電錶的滿刻度偏轉電流則為15mA。分流監控元件INA193會感測1Ω分流電阻RS1兩端的電壓降，此電壓降在100mA最大電流時等於100 mV。
| 《圖一 利用INA193提供獨立電源的動線圈電錶》 |
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RS1電阻值視應用而定，須兼顧小訊號的精確度和測量線（measurement line）所能容許的最大電壓降。提高RS1電阻會將偏移電壓的影響減至最少，使小電流測量更精確；減少RS1電阻會將供電線路的電壓降減至最小。RS1電阻只要能提供50mV到100mV的滿刻度分流電壓範圍，就能讓多數應用發揮最大效能。此電路在500mV的最大輸入範圍內都能提供精確的測量結果。
在這個例子裡，INA193會將100mV的滿刻度輸入放大20倍成為2V滿刻度輸出。隨後的運算放大器OPA344則提供Rail-to-Rail輸入與輸出，並與N通道MOSFET BSN254組成壓控電流源。
包含INA193在內的整個電錶電路都是使用5V單電源，將運算放大器的最大輸出電壓擺幅限制為5V。MOSFET應選擇VGS（閘極到源極的臨界電壓）很小的元件，因為運算放大器的輸出擺幅必須扣掉這個電壓。BSN254的最大臨界電壓僅2V，符合低VGS電壓的要求。由於運算放大器的非反相輸入端電壓等於反相輸入端電壓，2V滿刻度輸出電壓會出現在RS2兩端。設計人員可利用下式計算R S2以便讓最大偏轉電流通過：
調整RS2可以校準電錶或改變其滿刻度電流範圍，調整RS1則能增加低電流的測量精確度或把測量範圍擴大到更高電流。此電路的另一優點是能將電錶與測量點隔開。機械電能錶的用途並非高精準度測量，因此設計人員可以使用精確度較差的電阻。為了避免電錶從充滿電磁雜訊的環境拾取任何雜訊，儀錶電源還應利用解耦合電容將雜訊旁路到地。
關於INA19x分流監控元件
INA193是德州儀器（TI）分流監控元件之一。INA194和INA195也屬該產品線，它們的接腳完全相同，但提供50V/V和100V/V的不同增益值。INA196、INA197和INA198則是另外三顆功能相同、但接腳不同的分流監控元件。
INA19x系列採用獨特創新的內部電路架構，能以單電源操作並提供-16V到+80V共模電壓。傳統儀錶放大器的共模拒斥比會受到電阻匹配精準度的限制，INA19x則將感應輸入電壓轉換為電流，使共模拒斥比不再受到電阻匹配精準度的影響，放大器也可提供更高效能來滿足寬廣的共模電壓要求。
(圖二)是基本電路功能的簡化圖。放大器A2在共模電壓為正時進入操作狀態，此時RS 兩端的差動輸入電壓（VIN+～VIN-）會在A2輸入端產生vN和vP電壓：
要讓vP＝vN，A2必須驅動電晶體以集極電流IC在5kΩ電阻的兩端產生與差動輸入電壓相等的電壓降：
利用輸出電壓與負載電阻的比值將IC表示為IC = VOUT / RL，則輸出電壓可定義為：
放大器A1會在共模電壓為負時進入操作狀態，並將RS兩端的差動輸入電壓（VIN+ ? VIN?）轉換為通過5kΩ電阻的電流。此電流是由一個高精準度的電流鏡供應，其輸出會直接進入RL，以便將訊號轉換回電壓後交給輸出緩衝放大器加以放大。這套正在申請專利的電路架構，就算在放大器A1和A2同時導通的轉換階段也可確保順利操作。
輸入接腳VIN+和VIN?的位置應儘量靠近分流電阻，才能將分流電阻的串聯阻抗減至最小。電源供應必須連接旁路電容以確保穩定操作。採用高雜訊或高阻抗電源供應的應用系統可能需要更多的解耦合電容來消除電源供應雜訊。旁路電容的位置也應儘量靠近元件接腳。
INA19x的輸入電路提供超過其電源供應電壓V+的精確測量範圍。舉例來說，就算V+電源供應只有5V，負載電源供應電壓仍能高達+80V。只不過OUT接腳的輸出電壓範圍會受到電源供應接腳的電壓限制。
INA19x能在電源供應接腳V+所設定的輸出電壓擺動範圍內提供精確輸出，從INA195或INA198（兩者的增益值都是100）即可明顯看出，它們不僅擁有提供+10V的輸出電壓擺動能力，所採用的電源供應電壓也必須能夠讓輸出電壓達到10V，才能接受分流電阻傳來的100mV滿刻度輸入。
雖然INA19x系列的輸出端很容易連接濾波電路，但這個位置會抵消內部緩衝器的低輸出阻抗優點。另一個適合執行濾波作業的位置是在INA19x的輸入接腳，然而5kΩ+30％的內部輸入阻抗會讓濾波電路變得很複雜(圖二)。使用最小電阻值能同時將初始增益偏移和零件公差的影響減至最少。初始增益所受的影響可表示成：
以5kΩ?30％（或3.5kΩ）或5kΩ+30％（或6.5kΩ）取代上式的5kΩ就能算出增益誤差所受的影響。若將RFILT的最大公差值代入上式，譬如輸入端若使用兩顆1％精準度的100Ω電阻，初始增益誤差將等於1.96％。在本例中，最壞情形下的公差值總是出現在內部5kΩ電阻變小（3.5kΩ）和RFILT – 3％變大的時候。
| 《圖三 輸入濾波器（增益誤差從-1.5％至-2.2％）》 |
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除了這些公差值之外，INA19x的規格精確度也應列入考慮。儘管前面的討論是將電阻的最大公差值合併視為最不精確的狀況，但在計算精確度變異的總效應時仍應使用幾何法或均方根值為佳。
---作者為TI德州儀器資深系統工程師---
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