在工業(yè)控制中，電流是閉環(huán)反饋電流環(huán)中的重要參數，大家對電流測量都比較熟悉，也比較重視。在實(shí)際中由于電壓的測量不會(huì )直接參與到反饋控制中，多數只用來(lái)監測電壓的狀態(tài)，所以大家談?wù)摰妮^少。

雖然電壓測量不是控制領(lǐng)域的主角，但不可不可或缺。接下來(lái)談?wù)勗诠I(yè)控制電路中電壓測量的幾種方法：

最常見(jiàn)的電壓測量是采用電阻測量，即在被測電壓點(diǎn)的兩端并聯(lián)大電阻，通過(guò)檢測標準電阻兩端的電壓來(lái)計算被測電壓的大小，如圖1所示，通過(guò)檢測標準電阻R3兩端的電壓V2，可以計算出被測的高壓電壓V1。

圖1 電阻測量法

這種串并聯(lián)電阻的電壓測量方法，電路結構簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，在低壓測量如小功率UPS,變頻器等設備中普遍使用。在使用中，需要注意并聯(lián)電阻的阻值要遠遠高于被測電路阻抗，電阻過(guò)小會(huì )對被測電路分流過(guò)多，消耗功率。通常會(huì )是兆歐級，高阻值的電阻精度都不高，需要采用多個(gè)電阻串、并聯(lián)的方式，一是可以降低單個(gè)電阻的阻值，二是可以增加精度。但串聯(lián)的電阻越多，又需要考慮整體PCB板的布局以及占板面積和安裝位置。另外，這種結構簡(jiǎn)單的測量方法，無(wú)法實(shí)現電氣上的隔離，除非后級增加隔離器件，但隔離器件的增加又增加了成本，有時(shí)還需要考慮涂三防漆等以降低安規方面的風(fēng)險。

第二種是采用電壓傳感器測量。目前市面上用的比較多的直測型電壓傳感器有霍爾原理型。這一類(lèi)傳感器大多體積大，價(jià)格偏高，也很難批量使用在對成本要求比較高的工業(yè)控制中，一般都用于機車(chē)牽引系統、風(fēng)電變流系統等這類(lèi)電壓等級高，柜體空間比較大的場(chǎng)合。

也有一些體積小的霍爾原理的電壓傳感器，利用霍爾閉環(huán)電流測量的原理，將電壓的測量轉換為電流，從而實(shí)現電壓的隔離測量。這類(lèi)傳感器雖然體積小，可以焊接在PCB板上，也實(shí)現了電氣的隔離。但為了照顧到交、直流的測量，都采用雙電源供電，功耗比較大。由于要減小體積，傳感器設計時(shí)都會(huì )把電壓轉換為電流的原邊電阻外置。

談到了外置的測量電阻，也是有一定的學(xué)問(wèn)。除了簡(jiǎn)單的按照被測電壓的等級與傳感器所要求的額點(diǎn)電流來(lái)選取合適的阻值，還需要考慮配接電阻的功率，如果功率選的過(guò)小，會(huì )導致電阻發(fā)熱嚴重，不僅影響測量精度，也會(huì )有電阻過(guò)熱燒壞的風(fēng)險。另外如何在PCB板上布局這些電阻與電壓傳感器的位置，也會(huì )對測量精度以及可靠性方面造成影響。

那么在使用小型的霍爾原理電壓傳感器時(shí)，為了避免電阻發(fā)熱嚴重，很好地實(shí)現散熱和增大安規距離，建議采用多個(gè)電阻串聯(lián)。通常建議采用圖3的對稱(chēng)布局，以有效的避免或改善共模特性，對稱(chēng)布局即把外接電阻對稱(chēng)分散布置在電壓傳感器的正負輸入端，而不是采用圖2這種只串聯(lián)在其中一個(gè)輸入端的方式。

圖2

圖3

雖然按照圖3的方式可以解決不少實(shí)際問(wèn)題，但是，串接電阻與傳感器內部電壓轉換電流的原邊線(xiàn)圈，在物理意義上構成了RL電路，RL電路的存在也會(huì )降低傳感器的帶寬，這也是外置原邊電阻霍爾電壓傳感器普遍帶寬不高的原因，這種電壓傳感器的帶寬通常都不高于20kHz。

這么看來(lái)，使用PCB型的霍爾原理電壓傳感器，加上配接的原邊測量電阻，從器件的占板面積上與內置測量電阻的模塊型電壓傳感器相當，不僅沒(méi)有減少，還會(huì )有測量電阻發(fā)熱問(wèn)題，在一些環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合整個(gè)電路板還需要涂三防漆來(lái)防止電腐蝕來(lái)降低安全風(fēng)險。

為了解決電阻法不隔離，霍爾傳感器體積大的問(wèn)題，LEM公司開(kāi)發(fā)了小型化的光電隔離型電壓傳感器DVC1000-P（圖4），適用于交、直流電壓的測量。從電氣隔離的角度，避免了電阻法后級輸出需要加隔離器件的復雜設計，從電路設計角度，避免了小體積霍爾電壓傳感器的PCB布板和電阻發(fā)熱問(wèn)題。傳感器體積只有43x37x23.5mm。這種電壓傳感器采用單5V供電，不需要配接原邊測量電阻，被測1000V的交直流電壓可以直接接入電壓傳感器的輸入端。單一的器件既可以節省空間，又可以實(shí)現電氣上的電壓隔離測量，交流絕緣測試電壓高達4.2kV  rms/1min。另外DVC  1000-P另外一個(gè)比較突出的優(yōu)勢是帶寬，在-3db的情況下可以達到47kHz，可以滿(mǎn)足對頻響特性要求高的場(chǎng)合。

圖4

這種新的電壓傳感器在設計上也充分考慮了環(huán)保問(wèn)題，符合日益嚴格的環(huán)保要求，不僅僅是選用材料和生產(chǎn)過(guò)程中符合RoHS和Reach指令要求，同時(shí)所有的材料可以實(shí)現100%的可回收和再利用。

當然，以上的幾種電壓測量方式各有利弊，在使用中還需要結合實(shí)際情況來(lái)選擇適合的測量方式。尤其是現在的工業(yè)控制的設計，不僅僅是憑單一器件本身的性能來(lái)選型，更是要全面衡量系統的材料、設計、制造成本以及成套設備的整體特性等因素，高性?xún)r(jià)比的方式才是最受歡迎的。