电压采集和采样电路设计优化

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电压采集是电路设计中常用到的一项技术。它可以通过一系列的电路设计将源电压转换为数字信号,并通过数模转换芯片或单片机内部的模数转换器(AD)读入微控制器(MCU),以执行相应的决策。在电压采集中,主要分为直流采集和交流采集两种类型。
 
接下来,我将通过一个具体的实例介绍如何设计合适的电压采集电路。
 
直流电压采集
 
要求:将一个输出范围在20V-28V之间的Uo电压信号采集到0-3.3V的AD中。
 
设计思路:首先需要将20V至28V的输入电压范围映射到0-8V的范围内,以更好地利用AD模块。因此,我们可以先将输入电压Uo与20V进行差分运算,将其压低到0-8V的范围内(注:有时由于仪放信号输入电压的范围较小,可能会先进行分压再进行压低,具体见形式二)。然后,通过使用电阻分压的方法,将8V的范围映射到0-3.3V的范围内。
 
这样设计的电压采集电路可以满足要求,将20V-28V的输入电压信号转换为0-3.3V的范围内的信号,以便于后续AD模块的读取和处理。

 

在形式一中,
 
首先,利用现有的电压产生一个20V的基准电压。
 
使用差分放大器(仪放)将输入电压Uo与20V进行差分操作(注:使用826芯片的REF引脚作为输出基准)。
 
进行分压和输出阻抗匹配,采用电压跟随器来保持电压输出的稳定性。
 
添加钳位保护电路,以保护电路免受过高或过低的电压波动的影响。
 
在形式二中,
 
将输入电压Uo进行7倍的分压,将0-28V范围映射到0-4V。同样地,将20V也进行7倍的分压,以产生一个2.857V的电压基准。
 
对分压后的信号进行差分放大,放大倍数为2.887,并添加钳位电路(计算方法:3.3 / (4-2.857))。差放直接输入给AD,无需进行阻抗匹配。
 
对于交流电压采集,
 
要求:采集单相正弦交流电的有效值范围为0-24V。
 
设计思路:使用电压互感器读取电压,并将其放缩到合适的范围内,然后将输出接入有效值检测芯片,再将检测芯片的输出连接到AD。
 
使用电压互感器来读取交流电压信号。
 
连接有效值检测芯片和保护电路,以获得交流电压的有效值数据。
 
总结:无论电路设计多么精确,总会存在一定的误差。因此,在电路设计的基础上,使用MATLAB等工具对数据进行拟合分析,才能进一步消除误差。
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