当我们利用单片机ADC采样功能,采集电流电压信号时,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。

设计目标:

        采集电流范围:0~1A

·       采集电压范围:0~15V

        实物:基于STM32F103C8T6的电流电压采样,通过0.96寸OLED屏幕显示

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。

一、电流采样电路(低端采集):

        电路设计:

高端检测:采样电阻靠近电源正端

        优点:1、可以检测负载是否短路 2、无地电平干扰

        缺点:1、共模电压高,使用非专用分立器件设计复杂、成本高、面积大。

低端检测:采样电阻靠近电源负端

        优点:1、共模电压低,可以使用低成本的普通运算放大器。

        缺点:1、检测电流引入地平干扰,电流越大地电位干扰越明显,有时甚至会影响负载。   

        电路分析:

                利用差分放大电路,预设采集1A电流,通过0.01Ω采样电阻,将电流信号转化为对应的电压信号,设计放大150倍,满偏电流对应1.5V电压,正向输入端添加1.65V直流电压偏置,使得输出满偏电压为3.15V

        电路计算:

                假设集成运放为理想运放,由虚短,虚断可知  

Vout = Vin / ( R6 + R8 ) * R8 * ( R2 / R5 ) + 1.65V

         ADC计算:

V ={ [ ( Vout / 4096) * 3.3 ] – 1.65V } / R8 * ( R6 + R8 )

二、电压采集电路:

        电路设计:

        电路分析:

                利用电压跟随器,通过R6,R7分压电阻,将0~15V电压映射到0~3.3V,通过单片机ADC采集,计算出实际电压值。

         电路计算:

Vout = Vin / (R6 + R7) * R7

        ADC计算:

V = [(Vout / 4096) * 3.3] / R7 * (R6 + R7)

三、运放参数分析:

        1、输入失调电压:输入失调电压的测试方法是将运放的两个输入端接地,测输出电压,理想运放此时输出应该是0V,但由于制造工艺问题会造成两个输入端不对称。将此时的输出电压除以运放的增益倍数就是失调电压

        2、输入失调电压的温漂:在一定温度范围内,输入失调电压的变化与温度变化的比值。作为失调电压的补充,便于计算放大电路由于温度变化造成的输入失调电压漂移大小。

        3、输入偏置电流:当运放输入的直流电压为0时,运放两个输入端流进或流出的平均值。这个参数越大对原信号的影响越大。

        4、输入失调电流:两个输入端偏置电流的插值,反应运放内部的对称性,对称性越好输入失调电流越小。

        5、共模电压输入范围:运放两端与地能加的共模电压的范围,轨到轨输出指输入共模电压范围十分接近电源轨。

        6、输入动态范围:即输出电压范围,所谓轨到轨输出,指输出的Voh,Vol十分接近正负供电电源(电源轨)

        7、输出电流特性/短路电流限制:即运放的带载能力,一般会给出输出电流特性电流大小(灌电流或源电流),也有给出短路时的极限电流。

        8、压摆率:即转换速率,运放在闭环条件下,将一个大信号(阶跃信号)加到运放输入端,从运放输出端测得的输出电压上升速率。 由于在转换期间,运放输入极处于开关状态,所以运放的反馈回路不起作用,也就是转换速率与闭环增益无关。 压摆率越大,对应的带宽也越高。

        9、增益带宽积 GBP:定义为运放的闭环增益为1的条件下,将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db(相当于输入信号减小到0.707倍)所对应的信号频率。即LMC6482放大1倍电压时输入信号超过1.5MHz,电压增益就会急速下降,实际应用中输入信号的频率要小于增益带宽积,并且单极放大的增益不能太大,否则输入频率也要大打折扣。

        10、运放参数分析:运放工作于线性区时,差模增益与共模增益的比值。在运放输入两端加相同信号时,输入输出间的增益称为共模电压增益AVC,则CMRR = AV/AVC值越大抑制共模干扰的能力越强,越大越好。

四、实际电路测试:

        1、电压采集:

                (1)LM358运放:​​​​​​​

 

 

        2、电流采集:

               (1)OPA2188运放:​​​​​​​

 

 

                 (2)LM358运放:

 

 

                (3)GS8552运放:

 (Multisim中无GS8552系列运放)

                 以上误差范围为 2% ~ 8%之间,在实验误差范围为之内,电路设计合理。

五、0.96寸SPI LCD屏幕部分:

 

转自:
https://blog.csdn.net/m0_69082048/article/details/129894358