尽管机械电能表（moving-coil meter）的分辨率和精确度都不如数字电表，它们仍是追踪读数变动及绘制测量值改变率的最佳显示设备。机械电能表的缺点在于测量低电流时，电表的满刻度偏转电流通常远大于待测量的电流，而且需要另一组独立电源来驱动电表。早期的机械电能表提供可充电的蓄电池来解决此问题，Hartmann and Braun的Multavi-10就是其中一例。透过手动选择式分流电阻和截波放大器的适当组合，用户可以选择从1μA到1A的13种不同电流范围。
随着INA19x系列等新一代分流监控组件（current-shunt monitor）出现，机械电能表的放大器设计已大幅简化。(图一)是电流测量范围0到100mA的8英吋机械电能表的驱动电路，电表的满刻度偏转电流则为15mA。分流监控组件INA193会感测1Ω分流电阻RS1两端的电压降，此电压降在100mA最大电流时等于100 mV。
| 《图一 利用INA193提供独立电源的动线圈电表》 |
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RS1电阻值视应用而定，须兼顾小讯号的精确度和测量线（measurement line）所能容许的最大电压降。提高RS1电阻会将偏移电压的影响减至最少，使小电流测量更精确；减少RS1电阻会将供电线路的电压降减至最小。RS1电阻只要能提供50mV到100mV的满刻度分流电压范围，就能让多数应用发挥最大效能。此电路在500mV的最大输入范围内都能提供精确的测量结果。
在这个例子里，INA193会将100mV的满刻度输入放大20倍成为2V满刻度输出。随后的运算放大器OPA344则提供Rail-to-Rail输入与输出，并与N信道MOSFET BSN254组成压控电流源。
包含INA193在内的整个电表电路都是使用5V单电源，将运算放大器的最大输出电压摆幅限制为5V。MOSFET应选择VGS（闸极到源极的临界电压）很小的组件，因为运算放大器的输出摆幅必须扣掉这个电压。BSN254的最大临界电压仅2V，符合低VGS电压的要求。由于运算放大器的非反相输入端电压等于反相输入端电压，2V满刻度输出电压会出现在RS2两端。设计人员可利用下式计算R S2以便让最大偏转电流通过：
调整RS2可以校准电表或改变其满刻度电流范围，调整RS1则能增加低电流的测量精确度或把测量范围扩大到更高电流。此电路的另一优点是能将电表与测量点隔开。机械电能表的用途并非高精准度测量，因此设计人员可以使用精确度较差的电阻。为了避免电表从充满电磁噪声的环境拾取任何噪声，仪表电源还应利用解耦合电容将噪声旁路到地。
关于INA19x分流监控组件
INA193是德州仪器（TI）分流监控组件之一。INA194和INA195也属该产品线，它们的接脚完全相同，但提供50V/V和100V/V的不同增益值。INA196、INA197和INA198则是另外三颗功能相同、但接脚不同的分流监控组件。
INA19x系列采用独特创新的内部电路架构，能以单电源操作并提供-16V到+80V共模电压。传统仪表放大器的共模拒斥比会受到电阻匹配精准度的限制，INA19x则将感应输入电压转换为电流，使共模拒斥比不再受到电阻匹配精准度的影响，放大器也可提供更高效能来满足宽广的共模电压要求。
(图二)是基本电路功能的简化图。放大器A2在共模电压为正时进入操作状态，此时RS 两端的差动输入电压（VIN+～VIN-）会在A2输入端产生vN和vP电压：
要让vP＝vN，A2必须驱动晶体管以集极电流IC在5kΩ电阻的两端产生与差动输入电压相等的电压降：
利用输出电压与负载电阻的比值将IC表示为IC = VOUT / RL，则输出电压可定义为：
放大器A1会在共模电压为负时进入操作状态，并将RS两端的差动输入电压（VIN+ ? VIN?）转换为通过5kΩ电阻的电流。此电流是由一个高精准度的电流镜供应，其输出会直接进入RL，以便将讯号转换回电压后交给输出缓冲放大器加以放大。这套正在申请专利的电路架构，就算在放大器A1和A2同时导通的转换阶段也可确保顺利操作。
输入接脚VIN+和VIN?的位置应尽量靠近分流电阻，才能将分流电阻的串联阻抗减至最小。电源供应必须连接旁路电容以确保稳定操作。采用高噪声或高阻抗电源供应的应用系统可能需要更多的解耦合电容来消除电源供应噪声。旁路电容的位置也应尽量靠近组件接脚。
INA19x的输入电路提供超过其电源供应电压V+的精确测量范围。举例来说，就算V+电源供应只有5V，负载电源供应电压仍能高达+80V。只不过OUT接脚的输出电压范围会受到电源供应接脚的电压限制。
INA19x能在电源供应接脚V+所设定的输出电压摆动范围内提供精确输出，从INA195或INA198（两者的增益值都是100）即可明显看出，它们不仅拥有提供+10V的输出电压摆动能力，所采用的电源供应电压也必须能够让输出电压达到10V，才能接受分流电阻传来的100mV满刻度输入。
虽然INA19x系列的输出端很容易连接滤波电路，但这个位置会抵消内部缓冲器的低输出阻抗优点。另一个适合执行滤波作业的位置是在INA19x的输入接脚，然而5kΩ+30％的内部输入阻抗会让滤波电路变得很复杂(图二)。使用最小电阻值能同时将初始增益偏移和零件公差的影响减至最少。初始增益所受的影响可表示成：
以5kΩ?30％（或3.5kΩ）或5kΩ+30％（或6.5kΩ）取代上式的5kΩ就能算出增益误差所受的影响。若将RFILT的最大公差值代入上式，譬如输入端若使用两颗1％精准度的100Ω电阻，初始增益误差将等于1.96％。在本例中，最坏情形下的公差值总是出现在内部5kΩ电阻变小（3.5kΩ）和RFILT – 3％变大的时候。
| 《图三 输入滤波器（增益误差从-1.5％至-2.2％）》 |
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除了这些公差值之外，INA19x的规格精确度也应列入考虑。尽管前面的讨论是将电阻的最大公差值合并视为最不精确的状况，但在计算精确度变异的总效应时仍应使用几何法或均方根值为佳。
---作者为TI德州仪器资深系统工程师---
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