常用ADC采样调理电路的原理和结构

硬件笔记本 2024-09-04 07:44

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本篇先对电源的ADC采样原理和常用的采样调理电路进行介绍。

一、ADC采样原理

ADC（模数转换器）采样是将模拟信号按照一定的采样频率进行离散化然后转换为数字信号的过程，通常包括采样、保持、量化和编码四个步骤。

1、采样

采样主要实现模拟信号的离散化处理，即将连续的模拟信号转换为一系列时间间隔相等的模拟信号。采样的间隔由采样频率决定，频率越高采样得到的信号越接近原始信号。但较高的采样频率会使得数据量增加，同时对系统的转换速度要求变高。一般选择采样频率为原始信号最高频率的3-5倍。

2、保持

采集模拟信号后，需花时间将其转化为数字信号，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，需用保持电路对取得的模拟信号进行电压保持。此过程可通过并联电容的方式实现。输入的连续模拟信号经过采样与保持后将得到一个时间上离散的模拟信号样本集合。

3、量化

数字信号在时间和幅值上都是离散的，量化是将采样电压转化为离散电平的近似过程。常用的量化方法有只舍不入和四舍五入。量化过程中会产生量化误差，它是一种无法消除的原理性误差。ADC的位数越高，离散电平之间的差值越小，量化误差也会越小。

以参考电压3.3V的12位ADC采样模块为例，输入模拟电压与量化后产生的数值之间的关系如下

4、编码

为方便数字信号数据的传输与存储，需要将量化得到的十进制数字信号转换成二进制编码。常用的编码方式有二进制编码、格雷编码、调制编码和二进制补码编码等。

二、ADC采样实现方式

ADC采样的实现方式包括外接采样芯片和采用控制核心内部采样模块两种。大多数MCU/DSP内部都囊括了ADC采样模块，如STM32F103内部集成了12-bit ADC，最大采样率为1MS/s，STM32F4支持10位/12位ADC采样。但是采样模块精度有限，可以通过外接专用ADC芯片提高采样精度。

对于没有ADC采样模块的数字电源控制核心，如经典的51单片机以及MSP430单片机等，需要根据采样频率与精度的要求选择合适的ADC采样芯片。数字电源中常用的高精度ADC采样芯片有AD7915、AD7606和MAX1324等。采样精度（位数）越高量化误差越小，采样频率高则信号越接近原始信号。

使用控制核心内嵌采样模块或外接ADC采样芯片时，需使用采样调理电路将待测信号转换为小电压信号，以满足ADC采样模块的输入电压范围。

三、采样调理电路

在数字电源采样过程中，通常会对电源拓扑电路的电压和电流进行采样。接下来，我们将详细介绍常用的电压采样和电流采样电路。

1、电压采样电路

采样调理电路分为隔离型与非隔离型两类。隔离型采样电路采用隔离器件对前端信号进行电气隔离与采样，常用的有互感器采样、光耦采样以及霍尔采样等。非隔离型采样电路没有电气隔离，输入信号和输出信号共享相同的接地参考，常用的有分压采样以及运放直接采样等。

（1）非隔离型电压采样电路

电压分压采样电路是典型的非隔离型电压采样电路之一，因为其结构简单、可靠性高、成本低等特点，常被用于数字电源电压采样。其电路结构如图，输入电压Vin经过Rs1与Rs2分压后经过输入侧滤波（Ry11、Cy11）接入运算放大器U1，再经过输出端滤波（R21、C21）接入ADC采样模块，运算放大器U1起电压跟随作用。U1、U2运放需要选取低压轨至轨、低失调电压运放，建议与ADC采样模块同电源供电。

（2）隔离型电压采样电路

隔离型电压采样电路一般采用霍尔元件、隔离运放、光耦以及互感器等元件进行电压采样。这里以霍尔电压采样以及隔离运放电压采样为例进行介绍。

①霍尔电压采样

首先我们介绍一下霍尔元件的采样原理，霍尔传感器内部包含垂直于磁场方向放置的半导体薄片，根据霍尔效应，当有电流流过半导体薄片时会产生电动势，该电动势称为霍尔电势，可以通过测量电动势的大小得到流过电流的大小。以单电源闭环霍尔电压采样电路为例：

待测电压通过采样电阻Rs3接入霍尔电压传感单元U1，得到一个幅值在0~V+的输出电压Vo。Vo经过分压电阻Rs1与Rs2后接入运算放大器U2，分压电阻的作用是调整霍尔电压传感器的输出电压幅值，以适应ADC采样模块的输入电压范围。运算放大器U2起到电压跟随的作用。U2的输出再经过低通滤波器（R1、C1）后接入ADC采样单元。

②隔离运放电压采样

隔离运算放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入电路和放大器输出之间有欧姆隔离的器件，信号在传输过程中没有公共的接地端。隔离运放电压采样的基本电路结构如图，输入电压经过Rs1与Rs2分压后接入隔离运算放大器，随后接入差分运放电路中，运放U1的输出电压经过滤波器（R1、C1）后接入ADC采样模块。

2、电流采样电路

（1）非隔离型电流采样电路

电流分压电路是典型的非隔离型电流采样电路之一，其电路结构如图。在待测支路中串联采样电阻Rs3，并将电阻两端电压接入运算放大器U2中。电路中U2以及电阻Ry21-Ry24构成的差分电路。差分电路的输出经过滤波器（R11、C11）后接入ADC采样模块。U1、U2运放需要选取低压轨至轨、低失调电压运放，建议与ADC采样模块同电源供电。

（2）隔离型电流采样电路

在隔离型电流采样电路中，霍尔电流传感器由于高精度、宽测量范围、响应快速和使用寿命长等优势被广泛应用。霍尔电流采样电路一般由霍尔传感元件、运算放大器和滤波器构成。以单电源闭环霍尔电流采样为例：待测电流穿过霍尔电流传感器U1会产生一个幅值在0~V+之间的输出电压值Vo。Vo经分压电阻Rs1与Rs2后接入运放U2，随后经低通滤波器（R1、C1）后接入ADC采样单元。U2、Rs1与Rs2作用可参考霍尔电压采样电路。

除了单电源供电霍尔采样电路外，双电源供电霍尔采样电路也较为常用。双电源供电霍尔采样电路中霍尔元件的输出电压有正有负，因此需要在Rs2两端并联钳位二极管来改变霍尔元件输出电压的幅值范围。

本文介绍了大功率数字电源中不可或缺的采样调理电路和ADC采样模块，重点阐述了常用采样调理电路的原理和结构。

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