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采样保持电路


采样保持电路

简介

​ 采样保持电路,有时表示为S/H电路或S&H电路,通常与模数转换器一起使用来采样输入模拟信号并保持采样信号,因此得名为采样保持电路。

​ 典型的采样保持电路的简单框图

​ PWM控制mos,开关闭合时,信号被采样,打开时,电路保持输出信号

基本采样保持电路

主要包括四个主要部分:输入放大器,电容,输出缓冲器和开关电路

​ 核心是电容

当 MOSFET 作为闭合开关工作时,通过漏极端子提供给它的模拟信号将被馈送到电容器,然后电容将充电至其峰值。当释放开关时,电容停止充电。由于电路末端连接了高阻抗运算放大器,电容将因此而产生高阻抗,因此无法放电。

电压采样电路

  • 隔离型
    • 互感器采样
    • 光耦采样
    • 霍尔采样
  • 非隔离型
    • 分压采样
    • 运放直接采样
非隔离型电压采样电路
电压分压采样电路

​ 输入电压经过电阻分压,然后经过输入侧滤波接入运算放大器,再经过输出端滤波(RC)接入ADC采样模块,这里的运算放大器起电压跟随作用,

​ ADC采样在单片机里,但是单片机的IO口输入电压范围时0-3.3V,所以要把测量电压保持在这个范围

​ 其实感觉就是一个分压,不过不止分压,还有运放的隔离,滤波等

为啥说电容是核心

  • 采样阶段:在电压信号的采样阶段,开关(通常是 MOSFET 或类似的半导体开关)闭合,将输入电压连接到电容器上。此时,电容器的电压将充电到输入电压的值。这个过程在采样阶段持续发生,确保电容器电压与输入信号保持一致。
  • 保持阶段:在采样阶段结束后,开关断开,电容器与输入信号隔离。电容器上的电压(即采样电压)被保持在一个稳定的值,直到 ADC 读取这个电压值。电容器的特性使得它可以在保持阶段内存储电压值,以便提供稳定的输入信号给 ADC 进行转换。

运放

​ 电压经过运行(跟随器)之后,输入到MCU的ADC模块

​ 由于运放具有输入电阻无穷大,而输出电阻无穷小的特点。等效电阻与运放的输入电阻相比较,可以忽略。输入到运行正极的电压等于Uin+,这样Uout=Uin+。

隔离型电压采样电路

霍尔电压采样

​ 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留过电流的大小。

​ 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。

隔离运放电压采样

​ 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。

电流采样电路

非隔离型电流采样电路
电流分流采样电路

​ 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。

隔离型电流采样电路

霍尔电流采样电路

​ 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。

电压采样电路设计

要求:采集一个输出范围为20V-28V的Uo电压信号到0-3.3V的AD。 设计思路:将20v到28v中的8v压差全部映射到0-3.3v的范围内,才内能更好的利用AD模块,所以首先将Uo与20V做差分,将电压抬低到0-8v(注:有时碍于仪放信号输入电压的范围较小会先分压再抬低见形式二),然后通过电阻分压将8v映射到3.3v的范围内。 形式一

  • 利用现有的电压产生20v的基准电压
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  • 通过运放将Uo与20V做差分

  • 分压及输出阻抗匹配(电压跟随器)

  • 输出钳位保护

形式二

  • 将Uo分压7倍,即将0-28v映射到0-4v,同理将20v也分压7倍即要产生2.857v的电压基准

  • 差分并放大2.887倍及钳位电路(计算方法:3.3/(4-2.857),差放直接输入给AD不需要阻抗匹配)


文章作者: LS
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