常用ADC采樣調(diào)理電路的原理和結(jié)構(gòu)

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5 _1 P* I) Z( D$ i) d1 @本篇先對(duì)電源的ADC采樣原理和常用的采樣調(diào)理電路進(jìn)行介紹。
一、ADC采樣原理ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）采樣是將模擬信號(hào)按照一定的采樣頻率進(jìn)行離散化然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，通常包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟。
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1、采樣采樣主要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的離散化處理，即將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列時(shí)間間隔相等的模擬信號(hào)。采樣的間隔由采樣頻率決定，頻率越高采樣得到的信號(hào)越接近原始信號(hào)。但較高的采樣頻率會(huì)使得數(shù)據(jù)量增加，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速度要求變高。一般選擇采樣頻率為原始信號(hào)最高頻率的3-5倍。
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2、保持采集模擬信號(hào)后，需花時(shí)間將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定值，需用保持電路對(duì)取得的模擬信號(hào)進(jìn)行電壓保持。此過(guò)程可通過(guò)并聯(lián)電容的方式實(shí)現(xiàn)。輸入的連續(xù)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣與保持后將得到一個(gè)時(shí)間上離散的模擬信號(hào)樣本集合。3、量化數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和幅值上都是離散的，量化是將采樣電壓轉(zhuǎn)化為離散電平的近似過(guò)程。常用的量化方法有只舍不入和四舍五入。量化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生量化誤差，它是一種無(wú)法消除的原理性誤差。ADC的位數(shù)越高，離散電平之間的差值越小，量化誤差也會(huì)越小。以參考電壓3.3V的12位ADC采樣模塊為例，輸入模擬電壓與量化后產(chǎn)生的數(shù)值之間的關(guān)系如下


9 Q/ U' i. ^8 k2 [# [7 P3 V# z4、編碼為方便數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)，需要將量化得到的十進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼。常用的編碼方式有二進(jìn)制編碼、格雷編碼、調(diào)制編碼和二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼等。
二、ADC采樣實(shí)現(xiàn)方式ADC采樣的實(shí)現(xiàn)方式包括外接采樣芯片和采用控制核心內(nèi)部采樣模塊兩種。大多數(shù)MCU/DSP內(nèi)部都囊括了ADC采樣模塊，如STM32F103內(nèi)部集成了12-bit ADC，最大采樣率為1MS/s，STM32F4支持10位/12位ADC采樣。但是采樣模塊精度有限，可以通過(guò)外接專用ADC芯片提高采樣精度。對(duì)于沒(méi)有ADC采樣模塊的數(shù)字電源控制核心，如經(jīng)典的51單片機(jī)以及MSP430單片機(jī)等，需要根據(jù)采樣頻率與精度的要求選擇合適的ADC采樣芯片。數(shù)字電源中常用的高精度ADC采樣芯片有AD7915、AD7606和MAX1324等。采樣精度（位數(shù)）越高量化誤差越小，采樣頻率高則信號(hào)越接近原始信號(hào)。
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使用控制核心內(nèi)嵌采樣模塊或外接ADC采樣芯片時(shí)，需使用采樣調(diào)理電路將待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)，以滿足ADC采樣模塊的輸入電壓范圍。
三、采樣調(diào)理電路在數(shù)字電源采樣過(guò)程中，通常會(huì)對(duì)電源拓?fù)潆娐返碾妷汉碗娏鬟M(jìn)行采樣。接下來(lái)，我們將詳細(xì)介紹常用的電壓采樣和電流采樣電路。
1、電壓采樣電路采樣調(diào)理電路分為隔離型與非隔離型兩類。隔離型采樣電路采用隔離器件對(duì)前端信號(hào)進(jìn)行電氣隔離與采樣，常用的有互感器采樣、光耦采樣以及霍爾采樣等。非隔離型采樣電路沒(méi)有電氣隔離，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)共享相同的接地參考，常用的有分壓采樣以及運(yùn)放直接采樣等。
（1）非隔離型電壓采樣電路電壓分壓采樣電路是典型的非隔離型電壓采樣電路之一，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，常被用于數(shù)字電源電壓采樣。其電路結(jié)構(gòu)如圖，輸入電壓Vin經(jīng)過(guò)Rs1與Rs2分壓后經(jīng)過(guò)輸入側(cè)濾波（Ry11、Cy11）接入運(yùn)算放大器U1，再經(jīng)過(guò)輸出端濾波（R21、C21）接入ADC采樣模塊，運(yùn)算放大器U1起電壓跟隨作用。U1、U2運(yùn)放需要選取低壓軌至軌、低失調(diào)電壓運(yùn)放，建議與ADC采樣模塊同電源供電。
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（2）隔離型電壓采樣電路隔離型電壓采樣電路一般采用霍爾元件、隔離運(yùn)放、光耦以及互感器等元件進(jìn)行電壓采樣。這里以霍爾電壓采樣以及隔離運(yùn)放電壓采樣為例進(jìn)行介紹。
1 U- \2 v$ f3 ]0 y: m8 |) K- B①霍爾電壓采樣首先我們介紹一下霍爾元件的采樣原理，霍爾傳感器內(nèi)部包含垂直于磁場(chǎng)方向放置的半導(dǎo)體薄片，根據(jù)霍爾效應(yīng)，當(dāng)有電流流過(guò)半導(dǎo)體薄片時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，可以通過(guò)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的大小得到流過(guò)電流的大小。以單電源閉環(huán)霍爾電壓采樣電路為例：

待測(cè)電壓通過(guò)采樣電阻Rs3接入霍爾電壓傳感單元U1，得到一個(gè)幅值在0~V+的輸出電壓Vo。Vo經(jīng)過(guò)分壓電阻Rs1與Rs2后接入運(yùn)算放大器U2，分壓電阻的作用是調(diào)整霍爾電壓傳感器的輸出電壓幅值，以適應(yīng)ADC采樣模塊的輸入電壓范圍。運(yùn)算放大器U2起到電壓跟隨的作用。U2的輸出再經(jīng)過(guò)低通濾波器（R1、C1）后接入ADC采樣單元。
②隔離運(yùn)放電壓采樣隔離運(yùn)算放大器是一種特殊的測(cè)量放大電路，其輸入電路和放大器輸出之間有歐姆隔離的器件，信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有公共的接地端。隔離運(yùn)放電壓采樣的基本電路結(jié)構(gòu)如圖，輸入電壓經(jīng)過(guò)Rs1與Rs2分壓后接入隔離運(yùn)算放大器，隨后接入差分運(yùn)放電路中，運(yùn)放U1的輸出電壓經(jīng)過(guò)濾波器（R1、C1）后接入ADC采樣模塊。


2、電流采樣電路（1）非隔離型電流采樣電路電流分壓電路是典型的非隔離型電流采樣電路之一，其電路結(jié)構(gòu)如圖。在待測(cè)支路中串聯(lián)采樣電阻Rs3，并將電阻兩端電壓接入運(yùn)算放大器U2中。電路中U2以及電阻Ry21-Ry24構(gòu)成的差分電路。差分電路的輸出經(jīng)過(guò)濾波器（R11、C11）后接入ADC采樣模塊。U1、U2運(yùn)放需要選取低壓軌至軌、低失調(diào)電壓運(yùn)放，建議與ADC采樣模塊同電源供電。
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9 ?5 E5 ?4 O; p. I0 F（2）隔離型電流采樣電路在隔離型電流采樣電路中，霍爾電流傳感器由于高精度、寬測(cè)量范圍、響應(yīng)快速和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。霍爾電流采樣電路一般由霍爾傳感元件、運(yùn)算放大器和濾波器構(gòu)成。以單電源閉環(huán)霍爾電流采樣為例：待測(cè)電流穿過(guò)霍爾電流傳感器U1會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅值在0~V+之間的輸出電壓值Vo。Vo經(jīng)分壓電阻Rs1與Rs2后接入運(yùn)放U2，隨后經(jīng)低通濾波器（R1、C1）后接入ADC采樣單元。U2、Rs1與Rs2作用可參考霍爾電壓采樣電路。
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除了單電源供電霍爾采樣電路外，雙電源供電霍爾采樣電路也較為常用。雙電源供電霍爾采樣電路中霍爾元件的輸出電壓有正有負(fù)，因此需要在Rs2兩端并聯(lián)鉗位二極管來(lái)改變霍爾元件輸出電壓的幅值范圍。
本文介紹了大功率數(shù)字電源中不可或缺的采樣調(diào)理電路和ADC采樣模塊，重點(diǎn)闡述了常用采樣調(diào)理電路的原理和結(jié)構(gòu)。


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