运放电路采集电流0~1A、电压0~15V

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运放电路采集电流0~1A、电压0~15V

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在电子工程领域，运放电路是实现信号采集和处理的重要工具。本文将详细介绍如何设计一个运放电路，用于采集0~~1A电流和0~~15V电压信号，并保证信号在单片机ADC输入范围（0~3.3V）内安全传输。

设计目标

采集电流范围：0~1A
采集电压范围：0~15V

在设计运放电路之前，需要先明确几个模电的基本概念：虚短和虚断。

虚短与虚断

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。

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 )

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)

运放参数分析

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
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。
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。
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。
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。
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)
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。
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。
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。
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。