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  • 常用电流和电压采样电路
  • 电压、电流采样电路设计以及放大倍数计算

    千次阅读 多人点赞 2021-01-25 10:53:44
    电流、电压采样以及放大倍数计算 电压采样电路图 电压放大增益计算 电流采样电路图 电流放大增益计算 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~...


    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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  • 电路电流采样主要通过电阻R1和芯片LTC6102进行 1、LTC6102简介  LTC®6102/LTC6102HV 是多功能、高压、高边电流检测放大器。高电源电压额定值使其可用于许多高端应用,而低漂移和失调则能保证其在各种工作状况下...

    一、电路分享
    在这里插入图片描述
    二、电路详解
    电路中电流采样主要通过电阻R1和芯片LTC6102进行
    1、LTC6102简介
      LTC®6102/LTC6102HV 是多功能、高压、高边电流检测放大器。高电源电压额定值使其可用于许多高端应用,而低漂移和失调则能保证其在各种工作状况下的精度。 LTC6102-1 是 LTC6102 的一个版本,提供低功耗禁用模式以节省系统待机功耗。
      LTC6102/LTC6102HV 通过外部检测电阻 (分流电阻) 两端的电压来监测电流。内部电路将输入电压转换为输出电流,使得大共模电压上的小检测信号可以转换为以地为基准的信号。低直流失调电压支持使用非常小的分流电阻值和较大的增益设置电阻。结果,分流器中的功率损耗得以降低。
      宽工作电源电压和高精度使 LTC6102 成为从汽车到工业和电源管理的各种应用的理想选择。 2V的最大输入检测电压支持监测宽范围的电流和电压。快速响应使 LTC6102 成为负载电流警告和关断保护控制的出色选择。LTC6102 的所有版本均提供 8 引脚 MSOP 和3mm × 3mm DFN 封装。
    特点
    ■ 电源电压范围:
    4V 至 60V, 70V 最大值 (LTC6102)
    5V 至 100V, 105V 最大值 (LTC6102HV)
    ■ 输入失调: ±10μV (最大值)
    ■ 输入失调漂移: ±50nV/°C (最大值)
    ■ 快速响应: 1μs 阶跃响应
    ■ 通过两个电阻配置增益
    ■ 低输入偏置电流: 3nA (最大值)
    ■ PSRR: 130dB (最小值)
    ■ 输出电流最高可达 1mA
    ■ 工作温度范围: –40°C 至 125°C
    ■ 禁用模式 (仅限 LTC6102-1): 1μA (最大值)
    其他具体请参考手册
    1、LTC6102简介

    三、输出电压计算

    Vout = VR1*VR5/VR4

    四、LTC6102中文资料下载
    LTC6102中文资料下载

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  • 在电信和其它使用高电压负电源轨的场合,可将一个仪表放大器与独立元件简单结合,实现大电流检测以保护电路。高端大电流检测放大器(CSA)主要用于正电源轨电流监测。然而,诸如ISDN和电信电源类应用需要采用工作在...
  • 运放电流检测采样电路电压采样电路

    万次阅读 多人点赞 2021-01-13 16:09:34
    输出电流检测电路通过运放LMC6482采样差分放大电路实现;采样电阻放在低端,若采样电阻放在高端,会有较大的共模电压使采样电流不准确,采样电阻为10m????,由于采样电阻较小,采样电阻上的压降较小,不利于直

     

    输入输出电压检测

    输入输出电压通过运放LMC6482采用差分电路将输出电压按比例缩小至ADC能够采样的范围,再使用ADC采样,软件解算出输出电压。输入电压采样是通过MCU内部运放按比例缩小在送到ADC进行采样的,具体电路如图3.5.1所示。输出电压检测电路如图3.4.1所示。

    输出电流检测➢

    输出电流检测电路通过运放LMC6482采样差分放大电路实现;采样电阻放在低端,若采样电阻放在高端,会有较大的共模电压使采样电流不准确,采样电阻为10m𝛺,由于采样电阻较小,采样电阻上的压降较小,不利于直接采样,需要放大后再采样;输出电流检测电路如图3.4.2所示。

     

     

    1、低端运放电流检测方法:

    分析下原理:

    运用运放的虚短特性,既得到了:

    V+ = V-;

    运用运放的虚断特性,既输入端和输出端没有电流流过。所以R3和R6流过电流相等。

    (VOUT-V-)/R3 = V-/R6;

    由上面两个式子即可得到

    VOUT = V+ * (R3 + R6)/R6;

    而又有:

    V+ = I * R8

    所以有:

    I =V+ / R8 = VOUT * R6/(R3 + R6)/R8

    电流就这样转换出来了,调整好几个电阻的阻值,Vout 用单片机的ADC采样即可。

    2、高端电流检测电路

     

    这个电路要检测电流最终的目的就是要得到图上VOUT和V1、V2的关系。

    先来分析下输入端,虚断可知:

    V+/R7 = (V2-V+)/R5;

    虚短得到:

    V+=V-;

    输入负极的一条路电流是相等的:

    (V--VOUT)/R1 = (V1-V-)/R2;

    通常在使用该电路的时候有R1 = R7、R2 = R5。

    综合上式有:

    VOUT = (V2-V1)*R1/R2;

    V2-V1 = I*R4;

    所以 

    I = VOUT*R2/(R1*R4) ;

     

     

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  • 差分运算放大电路,对共模信号得到有效抑制,而只对差分信号进行放大,因而得到广泛的应用。1、如下图是差分电路的电路构型目标处理电压:是采集处理电压,比如在系统中像母线电压的采集处理,还有像交流电压的采集...

    差分运算放大电路,对共模信号得到有效抑制,而只对差分信号进行放大,因而得到广泛的应用。

    1、如下图是差分电路的电路构型

    cf87dec4deedfb595ce60e469b88e4fc.png

    目标处理电压:是采集处理电压,比如在系统中像母线电压的采集处理,还有像交流电压的采集处理等。

    差分同相/反相分压电阻:为了得到适合运放处理的电压,需要将高压信号进行分压处理,如图中V1与V2两端的电压经过分压处理,最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。

    差分放大电路

    ①反馈,对于运算放大电路来说,运放工作在线性区,所以这里一定是负反馈,没有反馈(开环)或者是正反馈,那是比较器电路而不是放大电路,这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区,正因为饱和,输出才是电源电压的幅值。

    如下图是一种带正反馈的运放电路,这里就不能叫运算放大电路了,因为运放的开环放大倍数理想是无限大,当然实际中不可能无限大,所以如下结构是迟滞电压比较器,运放工作在非线性区或饱和区。

    106ebfa28ea28ac6cb526580a289790e.png

    如下图,依然是电压比较器结构,上面已经提到,运放开环增益很大,不带负反馈,工作就如非线性区,当做电压比较器来使用。

    1d6a9050ba8943955239c8833a86a6b1.png

    运算放大器,反馈电阻从输出接到反相端"-"就是负反馈,当然在输出信号不超过电源电压时(注:一切信号的能量来源是电源,输出当然不可能超过电源幅值),实现的功能就是放大信号的功能;接到同相端"+"就是正反馈,电路功能是电压比较器。当然在实际当中我们并不提倡用运放去做电压比较器,而是选用专用的比较器,如LM339、LM393、LM211等,因为比较器和运放在实际当中内部器件的工作状态还是有区别的。

    比较器接了限流电阻—"R74、R77",这是因为比较器在幅值切换时,快速上升或下降沿对后级容性负载进行充放电,这个充放电电流确来自这个有源器件—比较器,因此加限流电阻目的是防止电流冲击。

    RC滤波:可以酌情调节,目的是防止输出过冲等信号失真问题

    2差分输入电压的计算

    如下电路,为了便于计算,我们给定每个阻值,差分电路的另一个特点是对称性,R40=R56以及R47=R55,差分分压两个之路电阻也是相等的。

    acf7444c8b0d6aca51085c3d53613059.png

    Vin+和Vin-的值是如何计算的,我们先通过繁琐的计算来得到,然后再简化计算

    首先,运放的同相端5引脚和反相端6引脚,利用"虚短"得到,其中系数6是指6个100k的电阻,方便简化式子

    3fa1fa5e5528e51cac5270a3d50ace1b.png

    那么通过分压关系得到Vin+

    6a10ba6af3b95e9b6dd58876b961a486.png

    再次通过分压关系得到Vin-

    3e9c4cf09ed8f6231ed805739370d237.png
    3625dd44c9ec3366cd6b9483d0db1735.png

    那么就得到Vin+ - Vin-的值

    其实还有一种简单方法得到Vin+ - Vin-的值,利用运放的虚短特点,可将电路等效为

    8b284292b01daf76a72ee70838fa58b1.png
    233c453f98fd28f673c2addf3535fbe3.png

    所以要计算Vin+ -Vin-的值,变得很容易,只是一个简单的分压电路而已,如下计算得到

    617ec37f6b3bf5434525c72693b7cbca.png
    8f3a079ec858f190ba07b4dde65619fe.png

    得到差分电压输入值是0.84V

    3差分放大电路的计算

    d314e32065daa1776de40ab79995c0e3.png

    计算公式推导,依旧遵循运放的虚短和虚断特性,当R56=R40,R47=R55时,差分计算可以简化为:

    1ac3083b76fddc6f55c4f0b74a4b7741.png

    实际应用电路中,我们为了简化计算,也是用最简方法计算,经常使用电路也是使用上述电路,令电阻相等关系,简化计算。

    4放大电路的"偏移计算"

    为什么要对输出电压进行偏移,这是因为如当你采集负值时,我们的采样芯片和MCU几乎都不支持负值采样的时候,你就必须进行偏移,使得输出总是为正值。

    偏移电路,如下图,在原来同相端电阻接地GND的地方,我们接一个电压值,通常也称为偏移电压,那么最终表达式是什么。

    df65da4bc649ee1ec9791d1bb1b936c6.png

    通过叠加定理最终得到

    3383945efb5c265854133142889761f4.png

    这里公式的成立,保证R64=R72,R73=R57,那么最终得到偏移公式是在原来基础上加个电压偏移量2.5V_Ref

    65db9dd7aa45bfac0d2f1223eb7d45b5.png

    只要根据实际应用选择合适的偏移量,输出总会为一个正值

    比如,如下电路,输入电压变为-100V,那么最终输出电压就为

    5ef4018977c6c1559946cacaa41c3b0d.png
    8cca70199ec54700bd993e4ddeb50527.png

    这样就将负电压偏移为正电压,处理器符合处理器处理要求了,偏移电路在采集如交流电、以及存在负直流电压的控制电路中广泛使用。

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交流电流采样放大电路