技術(shù)微課堂丨科普篇：電源常用電路—采樣電路

在上期課程中，我們簡要介紹了數(shù)字電源及其核心控制器PPEC。當(dāng)然，數(shù)字電源除了包含電源拓?fù)潆娐芬约皵?shù)字控制核心外，還包括采樣、驅(qū)動(dòng)和通訊等外圍電路。

接下來我們就分篇對電源外圍電路給大家進(jìn)行講解，本篇就先對電源的ADC采樣原理和常用的采樣調(diào)理電路進(jìn)行介紹吧。

01ADC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)的過程，通常包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟。

▍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。

▍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)的量化編碼過程提供一個(gè)穩(wěn)定值，需用保持電路對取得的模擬信號(hào)進(jìn)行電壓保持。

此過程可通過并聯(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。

▍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程。常用的量化方法有只舍不入和四舍五入。

量化過程中會(huì)產(chǎn)生量化誤差，它是一種無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

▍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。

02ADC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，可以通過外接專用ADC芯片提高采樣精度。

對于沒有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)。

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。

03采樣調(diào)理電路

在數(shù)字電源采樣過程中，通常會(huì)對電源拓?fù)潆娐返碾妷汉?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電流/" target="_blank">電流進(jìn)行采樣。接下來，我們將詳細(xì)介紹常用的電壓采樣和電流采樣電路。

▍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)如下圖。

輸入電壓Vin經(jīng)過Rs1與Rs2分壓后經(jīng)過輸入側(cè)濾波（Ry11、Cy11）接入運(yùn)算放大器U1，再經(jīng)過輸出端濾波（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。

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）霍爾電壓采樣

首先我們介紹一下霍爾元件的采樣原理?；魻?a target="_blank">傳感器內(nèi)部包含垂直于磁場方向放置的半導(dǎo)體薄片，根據(jù)霍爾效應(yīng)，當(dāng)有電流流過半導(dǎo)體薄片時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢稱為霍爾電勢，可以通過測量電動(dòng)勢的大小得到流過電流的大小。以單電源閉環(huán)霍爾電壓采樣電路為例：

待測電壓通過采樣電阻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)在傳輸過程中沒有公共的接地端。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)過濾波器（R1、C1）后接入ADC采樣模塊。

▍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。

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、寬測量范圍、響應(yīng)快速和使用壽命長等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用?；魻栯娏鞑蓸与娐芬话阌苫魻杺鞲性⑦\(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：待測電流穿過霍爾電流傳感器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。

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)鉗位二極管來改變霍爾元件輸出電壓的幅值范圍。

本期介紹了大功率數(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)。電路元件選型可參考我們公司自主研發(fā)的數(shù)字電源控制核心——PPEC的產(chǎn)品應(yīng)用手冊。