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  • 电流采样电路设计
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    2021-10-07 13:15:12

    1. AD芯片TLV2543

    1.1 基本信息

    A / D 转换器用于将输入模拟量信号的电压参数转换为数字量,然后通过数字接口传输给智能处理芯片。A/D 转换器的数字接口通常采用并行接口、SPI接口或 I2C 接口。
    TLV2543 是 TI 公司生产的开关电容逐次逼近型模数转换器,12位分辨率;

    1. 具有片内14通道多路转换器,可以选择11个输入通道或3个内部自测试电压中的任意一个。
    2. 从数据输入端(DATA IN) 输入 8 位控制字,可以编程控制输入通道、输出数据长度、输出数据方向以及输出数据极性。
    3. 片内系统时钟与 I/O CLOCK 端输入的外部时钟同步。
    4. 芯片有两个输出端、数据输出端( DATA OUT) 输出转换得到的数字量;
    5. 采样保持功能自动,在转换结束时,转换结束(EOC)输出变为高电平,表明转换完成。在转换周期开始时 EOC输出低电平,当转换完成且输出数据寄存器被锁存时 EOC 变高,转换时间为10us。
    6. TLV2543对输入寄存器数据长度编程,选择 8、12 或 16 时钟长度输入序列,能够实现串行 8、12 或 16 位的数据输出。由于转换器有 12 位的分辨率,一般选择 12 位作为数据输出长度。

    1.2 引脚功能

    1. AIN0-AIN10: 从这部分引脚输入的模拟信号在内部被多路转换 ,当 I/O CLOCK 频率为 4.1MHz 时,驱动部分的阻值不超过 50Ω 并能把模拟信号转换到60pF的电容中。
    2. CS:片选信号输入端,CS引脚由高电平变为低电平时对其计数器和控制器进行复位,同时控制 DATA OUT,DATA INPUT 和 I/O CLOCK 这 3 个引脚开始 4 个上升沿由时钟同步输入,当 4 位地址位送到地址寄存器后,这时 I/O CLOCK 将按次序同步输入剩余位。 
    3. DATA INPUT:串行数据输入端,用于选择进行转换的模拟输入或测试电压,串行数据以 MSB 在前的方式出现且在 I/O  CLOCK 开始 4 个上升沿由时钟同步输入,当 4 位地址位送到地址寄存器后,此时 I/O CLOCK 按次序同步输入剩余位。 
    4. DATA OUT:A/D 转换结果的3态串行输入端,当CS为高电平时DATA OUT处于高阻状态,当CS为低电平时,DATA OUT 变为低阻状态并被驱动至与前次转换结果的 MSB/LSB 值相对应的逻辑电平,I/O  CLOCK 的下一个下降沿把 DATA OUT 驱动至下一 MSB/LSB 相对应的逻辑电平,并按次序移出剩下的余位。 
    5. EOC:转换结束标志引脚,当最后一个 I/O CLOCK 的下降沿完成,EOC 从高电平转为低电平并保持低电平。 
    6. I/O CLOCK:内部/外部时钟端,I/O CLOCK 接收串行输入并实现下列 4 个功能:在第 4 个上升沿之后多路转换器地址可供使用的情况下,在 I/O CLOCK 前8个上升沿,它把8个输入数据位送入输入数据寄存器;在 I/O CLOCK 的第 4 个下降沿,所选多路转换器输入端上的模拟输入电压开始对电容器阵列充电并继续充电直到 I/O  CLOCK 最后一个下降沿为止;它把前次转换数据余下的 11 位移到DATA  OUT 上,数据在 I/O CLOCK下降沿发生改变;在最后一个 I/O  CLOCK 的下降沿,它把转换的控制传送至内部状态控制器。
    7. REF+:高基准电压值(通常为 Vcc)加到 REF+端,最大输入电压范围由加至此端的电压与加至 REF 一端的电压之差来决定。 
    8. REF-:低基准电压值(通常为地)加至 REF-端。 
    9. Vcc:正电源电压(本次为5V)。

    1.3 TLVC2543转换操作过程

    CS高电平,I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止,DATA OUT处于高阻态。

    CS低电平,使能I/O CLOCK和DATA INPUT并开始转换时序,DATA OUT脱离高阻态。

    转换器的操作被组织为两个不同的周期,I/O周期和实际转换周期。I/O周期由外部提供的I/O CLOCK规定且延续8,12或者16个周期,这取决于输出数据的长度。

    1.3.1 I/O周期

    在I/O周期内,两种操作同时发生。

    • 具体是地址和控制信息的8位数据流提供给DATA INPUT。此数据在开始8个I/O CLOCK的上升沿送入器件。12或者16个时钟I/O传输期间内,在开始8个时钟之后DATA INPUT被忽略。
    • DATA OUT端串行提供8,12或16位长度的数据输出,如果CS保持低电平,那么第一个输出数据位发生在EOC的上升沿,如果在转换时CS被取消,那么第一个输出数据位发生在CS的下降沿。此数据是前次转换周期的结果,在第一个输出数据位之后,每后续位在每一后续I/O CLOCK的下降沿由时钟同步输出。

    1.3.2 转换周期

    转换周期与I/O CLOCK同步内部时钟控制,在转换周期内,器件对模拟输入电压进行逐次逼近转换。在转换周期开始时,ECO输出变为低电平;转换完成且输出寄存器被锁定时ECO变为高电平。转换周期仅在I/O周期完成之后被启动。

    1.4 设计要点

    1.4.1 控制字

    控制字是输入到地址和控制寄存器的8位控制字,主要包括:选择器件的输入通道(测试和掉电方式)输出数据长度、输出数据格式等。

    控制字D7-D4选择11个模拟输入、3个内部测试电压以及调电方式输入噪声。

    D2和D3选择输出数据长度,8、12或16位。

    控制字D1设置数据输出格式,D1=0,高位在前。D1=1,低位在前。

    控制字D0位是选择转换模式,D0=1,单极性转换模式,可转换Vref+到Vref-的模拟输入;D0=1,双极性转换模式。

    1.4.2 工作时许

     在采样周期内,在4个地址位由时钟同步送入输入数据寄存器之后,转换器立即开始采样所选择的输入,采样开始于第4个下降沿。根据数据长度选择情况,转换器保持采样方式直至I/O CLOCK的第8、第12或第16个下降沿为止。在离开最后一个I/O CLOCK下降沿EOC延迟时间之后。EOC转为低电平,指示采样周期结束及转换周期开始。I/O CLOCK在送控制字的同时把前次转换数据移送到DATA OUT上。

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    因为FOC运算需要用到电机的线电流值和母线电压值,所以ADC采样功能必不可少。但是单片机的IO口输入电压范围是0~3.3V,所以为了保证安全,需要把测量电压保持在这个范围之内。

    计算运放电路的放大倍数之前,需要先明确几个模电的概念-------虚短、虚断
    虚短:运放的两个输入端视为同等电位;
    虚断:因为流入运放输入端的电流往往不足1uA,所以输入端可以视为等效开路。

    电压采样电路图

    在这里插入图片描述
    电压采样电路如上图所示。

    电压放大增益计算

    假设上图中Vcc为48V,R1 = 47K,R2 = 1K。则根据电阻分压,Vi = 48 * (1/48)=1V。
    因为虚短:V+ = V-。 (式1)
    因为虚断:反向输入端无电流输入输出,通过R3和R4的电流相等,假设电流为I,则由欧姆定律得:
    I = Vout / (R3 + R4)。
    由图和(式1)知:Vi = V+ = V- = R4上的分压。
    即:Vi = I * R4
    即:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    Vi已知,只要保证Vout在0~3.3V之间就可以进行电压的采集,进而对电路中电阻阻值进行设置。

    电流采样电路图

    在这里插入图片描述
    电流采样电路图如上图所示。

    电流放大增益计算

    ADC采集电流实际上还是采集电压,如上图,R9就是电流采样电阻。采集R9两端电压,然后根据欧姆定律得到电流值。
    先假设:V = i * R9。 (式1)
    由虚断知:运放输入端没有电流流过,则流过R5和R8的电流相等;R6和R7的电流相等。
    则有如下公式:
    在这里插入图片描述
    由虚短知:Vx = Vy (式3)
    联合(式1)和图可知:V1 = V2 + V。 (式4)
    将(式4)和(式3)带入(式2)的第一个等式得:
    在这里插入图片描述
    假设!!R5 = R6。R7 = R8。
    (式5)-((式2)的第二个等式)可得到:
    在这里插入图片描述
    进而得到:
    在这里插入图片描述
    因为电流范围已知,所以V就已知,然后R5和R6相等(自由设置),R8和R7相等(自由设置)。
    只要保持Vout在0~3.3V之间,就可以对电路电阻进行设置。

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    1. 问题需求:检测高压侧流经母线的电流

    在电流4.6A,运放检测宽度-2.5~+2.5,加2.5V参考电压垫高2.5V。

    实际情况如下:在28V电机运行时,在高压侧检测电机运行时流经母线的电流大小,可以串接一个检流电阻,电流流经检流电阻根据U=IR可以得到电阻两端的电压。利用运算放大器进行差分电压放大就可以将电阻两端电压进行放大,进而可以求出流经电阻的电流。

    2.方案1:AD620采集方案

    2.1 基本参数

    AD620是仪表放大器,共模电压不能超过供电电压,故在±12V供电情况下,共模电压的输入范围应该在-10.1~10.8V。故28V的共模电压会使AD620无法正常工作。

    因此采用差分的方式对电阻电压进行分压,将运放的输入端的共模电压降低到允许范围之内即可,电路如下。AD620的输入电流平均时0.5nA,已知1A=10^3mA=10^6μA=10^9nA

    2.2 选择40K+分压电阻仿真出错

    2.3 采用20K分压电阻负电流各点电压情况

    2.4 采用20K分压电阻正电流各点电压情况

    如此一来,流经检流电阻的电压是1.01mV,分压点的电压值为6.12V满足共模输入电压。输入运放的差模电压是221mV,放大10倍,参考地为2.5V,输出电压是4.713V。我们可以通过以下方式计算流经检流电阻的电流值,运放输出电压时4.713V,4.713V-REF2.5V=2.213V,放大10倍,通过Uin = 2.213V/10=221.3mV,可以推导出输入运放的差模电压值。再通过电阻分压公式Ur/(20K+5.6K)=Uin/5.6K,可以推导出Ur = 1.011V,就是检流电阻两端的电压值,再有I=U/R=1.011/0.22=4.6A可以得到电流值为4.6A。

    2.5 实战电路图如下: 

    但是这种方案理论上可行,但是由于实际分压电阻的精度并不是理想状态,采用过小的检流电阻阻值,经过分压后的差模电压并不敏感,因此为了能够让差模输入电压对检流电阻的电压变化值更敏感,就需要增大检流电阻的阻值,例如采用0.25R的电阻,事实上我们采用普通的2512型号贴片检流电阻,其电阻的实际额定功率智能到2W~3W,当流经检流电阻两端电压过大时就会导致严重发热,因此应当采用功率型高精度碳膜电阻,但热耗不能抵消。

    为了防止剧烈发热,应当采用功率电阻。 

    3.方案2:AD620+OP07采集方案

    为了避免AD620只能采用阻值高的检流电阻才能利用分压电阻降低共模电压来采集检流电阻两端的电压而引起的发热问题,方案2提供了一个OP07配合AD620进行小电阻采样方大的方法。

    具体方法如下,在前级使用OP07搭建差分放大电路,电路示意图如下:

     当R1=R3并且R2=R4时,得到等式2.5。这就是此电路命名的由来,它可以对差分信号进行放大。

    其AD620和OP07都不能监测共模电压高于运放供电电压的,因为OP07的共模电压输入范围也要小于供电电压才能正常工作。

    这个电路问题是输入端电压改变时没法实时响应,反馈电阻除以输入电阻就是放大倍数。由于要进行分压,因此只能是放大倍数为0.1倍的检流电阻两端电压。

    3.1 大电流下的放大情况

    3.2 负电流下的放大情况

    3.3 实战电路 

    1、8脚可以悬空。5脚为NC,空,内部谁也没接(凑数的,呵呵)
    1、8PIN是用于调零的,即抵消偏移电压(或叫失调电压).由于OP07的偏移电压本身已经很低(典型60uV最大150uV),所以可以不接,如果要接,要求必须是高精度电位器(22圈的精密电位器)。如果接了,接不好反而容易引起毫伏级的误差。

    电路图如图所示:

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    前言

    有时候我们需要对电流进行采样,但是电流实际是不好测量的,最简单的方法就是把电流转化为电压,这里推荐一种比较简单的放大电路。差分放大电路。大家可以看模电课本 283-284页的加减运算电路。
    在这里就不推导公式了
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    一、差分放大电路的优点?

    差分放大电路的优点就是具有很高的共模抑制比,就共有的成分都被减掉了,剩下的就是两端的电压差并进行放大,这对于小信号的检测也是可以的。
    Uo=(UI2-UI1)Rf/R.
    在这里插入图片描述

    二、注意事项

    1.电阻要完全对称,最好完全一致

    2.运放的供电电压要大于输入端电压

    总结

    这个电路还是比较重要的,反反复复碰到了好几次,也很好用哦。
    参考博文:运放电流采样电路电压采样电路

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电流采样电路设计