一、 需求：

1. 測(cè)量電壓范圍-100V～+100V

2. 元器件：越簡(jiǎn)單越好

3. 精度：待定。

二、設(shè)計(jì)電路結(jié)果：

分壓電路+電壓跟隨器+加法器+分壓電路得到0~3.3V間的電壓，再通過STM32系列芯片的ADC進(jìn)行采集

三、測(cè)量結(jié)果：

分別對(duì)-100V, 0V, +100V進(jìn)行測(cè)試如下圖：

100V輸出2.5V，即100V對(duì)應(yīng)著2.5V

0V輸出1.25V，即0V對(duì)應(yīng)著1.25V

-100V輸出8.71uV約等于0V，即-100V對(duì)應(yīng)著0V，所以，實(shí)際值 = (采樣值 - 1.25)/(2.5 - 0)*(100 - (-100))

即 實(shí)際值 = (采樣值 - 1.25)* 80

四、概念及原理：

1. 電壓測(cè)量概念：

電壓是指電場(chǎng)力對(duì)電場(chǎng)中的單位正電荷由一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)所作的功稱為電壓。電壓測(cè)量是電子電路測(cè)量的一個(gè)重要內(nèi)容。是許多電參量測(cè)量的基礎(chǔ)。

參考：https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E5%8E%8B%E6%B5%8B%E9%87%8F/12605747

2. 電壓測(cè)量原理：

分直流電壓測(cè)量和交流電壓測(cè)量。

直流電壓測(cè)量

正電壓測(cè)量：通常用電阻分壓法+ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，后用處理器采集即可。(注：很多控制器現(xiàn)在已經(jīng)集成了ADC模塊)

負(fù)電壓測(cè)量：通常先轉(zhuǎn)換為正電壓，一般用絕對(duì)值電路，或者加法器將負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓，然后參考正電壓采集原理即可。

交流電測(cè)量

方法一：一般用橋式電路進(jìn)行整流，然后濾波，再進(jìn)行分壓測(cè)量(參考直流正電壓測(cè)量)

優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，占用面積較小。

不足：精度難以做到精準(zhǔn)，一般在5%左右。

方法二：用電流互感器或者電壓互感器，轉(zhuǎn)換為電流或電壓后，再通過電阻分壓后，通過ADC進(jìn)行采集。

優(yōu)點(diǎn)：精度較高。

不足：模塊較大，占用電路板較多地方，不適合小體積產(chǎn)品使用。

已驗(yàn)證過的方案一電路，可以參考如下：電阻值要改下，RO11為512k，ROT為5k。

3. 運(yùn)放簡(jiǎn)介：

概念：參考維基百科：

因?yàn)檫\(yùn)放涉及的知識(shí)點(diǎn)太多，這里就簡(jiǎn)單介紹下運(yùn)放最常用的一些原理，及常用的幾個(gè)電路如：過零比較器，加法器，減法器，電壓偏移電路等。

一個(gè)特點(diǎn)：輸入阻抗大，輸出阻抗小。

兩大重要原則：“虛短”與“虛斷”。

“虛短”的意思是正端和負(fù)端接近短路，即V+=V-,看起來像“短路”;

“虛斷”的意思是流入正端及負(fù)端的電流接近于零，即I+=I-=0,看起來像斷路(因?yàn)檩斎胱杩篃o窮大)。

舉幾個(gè)常見電路，并對(duì)其通過虛短虛斷進(jìn)行分析。

參考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/27595184

總結(jié)的太好了，就直接摘過來了，就不再拓展了。

放大電路

反相比例放大電路

圖2.2 比例放大電路

圖2.2是典型的比例放大電路，根據(jù)“虛短”及“虛斷”法則可以很簡(jiǎn)單的計(jì)算得到結(jié)果：

等式2.1中負(fù)號(hào)，代表輸出和輸入相位相差180°。

推導(dǎo)過程：

(1)、電流的流入等于流出，所以i1=i2+13。由“虛斷”法則得知i3=0A，所以i1=i2。

因此，根據(jù)第一章介紹的“疊加法則”，得到：

(2)、又根據(jù)“虛短”法則，得知運(yùn)放的正負(fù)兩個(gè)端等同于“短路”，所以V+=V-。而因?yàn)檫\(yùn)放的正端子V+被R3下拉至地平面，所以V-=V+=0V，代入等式2.2可得到：

再由等式2.3，進(jìn)一步得到公式2.1，

因?yàn)閂out與Vin成線性的比例關(guān)系，因此這個(gè)典型放大電路被稱為比例放大電路。

關(guān)于R1,R2及R3的選值：

1)、R1,R2及R3應(yīng)該在K級(jí)，不宜達(dá)到M級(jí);

2)、R3應(yīng)該等于或近似于R1與R2的并聯(lián)，以消除偏置電流的影響。

差分放大電路

圖2.3 差分放大電路

圖2.3為差分放大電路，它是圖2.2反相比例放大電路的“變種”。類似與反相比例放大電路的分析方法，可以得到結(jié)論：

當(dāng)R1=R3并且R2=R4時(shí)，得到等式2.5。這就是此電路命名的由來，它可以對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大。

同相放大電路

上文介紹的放大電路會(huì)引起相位翻轉(zhuǎn)180°，圖2.4為同相放大電路，顧名思義，輸出和輸入保持相同的相位。理想的運(yùn)放具有輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小的特點(diǎn)，同相放大電路保持了運(yùn)放的這種特性。

圖2.4 同相放大電路

分析圖2.4，應(yīng)用運(yùn)放的“虛短”，可知V2=V1;此外，因?yàn)檫\(yùn)放的“虛斷”，輸出電壓的電流全部流經(jīng)R2和R1，因此V2由R1和R2對(duì)Vout分壓得到。

因此，

調(diào)節(jié)R2可以電路的放大倍數(shù)。

注意，同相放大電路的應(yīng)用場(chǎng)合具有局限性，一般只用于直流電平的放大，不適合用于交流信號(hào)的放大，因?yàn)樗鼤?huì)將交流信號(hào)的直流偏置電壓一并放大，從而使其偏置電位發(fā)生偏移。帶參考電平的反相比例放大電路在信號(hào)放大時(shí)比較有實(shí)用性。

實(shí)際上只是在圖2.3的差分放大器的基礎(chǔ)上加一個(gè)隔直電容C1,具體原理待日后講解有源濾波器時(shí)再分析。

電壓跟隨電路

圖2.5 電壓跟隨電路

圖2.5是運(yùn)放的一種特殊應(yīng)用方式，很容易得到結(jié)論Vout=Vin。輸出電壓跟隨輸入電壓，因此稱之為“電壓跟隨器”。

電壓跟隨電路是圖2.4同相放大電路的衍生產(chǎn)物，是放大倍數(shù)為1的同相放大電路。前文已介紹理想的同相放大電路的輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小。

基于此特性，電壓跟隨電路一般用于信號(hào)的隔離。簡(jiǎn)單舉例說明，如圖2.6，由R1和R2產(chǎn)生參考電壓供給下一級(jí)電路使用，因?yàn)橄乱患?jí)電路的等效內(nèi)阻會(huì)影響R1和R2的分壓比，因此參考電壓將會(huì)發(fā)生變化，如果內(nèi)阻不是固定的，則此電路將無法使用。

圖2.6 不可靠的參考電壓電路

比較可靠的設(shè)計(jì)如圖2.7所示：

圖2.7 可靠的參考電壓電路

儀器放大電路

圖2.8 儀器放大電路

圖2.8是典型的儀器放大電路，顧名思義此方法電路使用于小信號(hào)的放大，一般用于傳感器信號(hào)的放大。傳感器的輸出信號(hào)很小，一般只有幾毫伏到幾十毫伏。

電路由兩級(jí)放大電路組成，第一級(jí)由A1,A2組成，同相輸入，輸入阻抗高，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可很好的抑制零點(diǎn)漂移;第二級(jí)由A3組成，良好的共模抑制比，輸入阻抗高，增益在大范圍內(nèi)可調(diào)。

選值要求：R4=R5,R6=R7,R8=R9(保持電路的對(duì)稱性)，R3為可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)電路增益。電路輸入輸出的關(guān)系式如下：

推導(dǎo)過程：

實(shí)際上，儀器放大電路是前文所述的同相放大電路及差分放大電路的綜合體。分析方法可以參考前文的闡述。

(1)、首先分析由A1和A2組成的同相放大電路。

由“虛短”及“虛斷”原則，推導(dǎo)得到：

(2)、進(jìn)一步分析由A3組成的差分放大電路。

由“虛短”及“虛斷”原則，推導(dǎo)得到：

(3)、聯(lián)合等式2.9和2.10得到結(jié)論：

比較器

1)、簡(jiǎn)單的比較器

圖2.9 簡(jiǎn)單的比較器

圖2.9是最簡(jiǎn)單的比較器電路，它利用的原理是“理想的運(yùn)放具有無窮大的增益”。因此，V+與V-之間稍有電壓差，即可引起輸出的翻轉(zhuǎn)。微弱的電壓差經(jīng)運(yùn)放放大引起輸出飽和。

Av為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)(一般為100dB左右，即十萬倍)。當(dāng)V+大于V-時(shí)，輸出為正飽和(接近VCC，但是無法達(dá)到);當(dāng)V-大于V+時(shí)，輸出為負(fù)飽和(接近-VSS，但是無法達(dá)到)。連接V+至地，構(gòu)成過零比較器，如圖2.10所示。

圖2.10 過零比較器

圖2.10的過零比較器雖然簡(jiǎn)單，但是并不實(shí)用，它的問題在于比較器只有一個(gè)臨界電壓，輸入信號(hào)上的雜波易引起輸出誤操作，如圖2.11所示。

圖2.11，信號(hào)雜波引起的比較器誤操作

2)、遲滯比較器(The hysteresis comparator)

相對(duì)于上文所述的簡(jiǎn)單比較器，比較實(shí)用的是遲滯比較器，如圖2.12所示。

圖2.12，遲滯比較器

相比簡(jiǎn)單比較器，遲滯比較器只是增加了一個(gè)電阻R2。這將引起怎樣的微妙變化呢?

通俗地說，R2在輸入與輸出之間搭起了一座橋梁，輸出的變化可以通過R2傳遞至輸入，然后比較器的閾值將隨輸出的變化而改變，達(dá)到了磁滯的目的。

如果需要定量分析，所有的比較器的原理都是一樣的，利用運(yùn)放的放大倍速為“無窮大”，將V+與V-之間的微弱電壓差進(jìn)行放大，達(dá)到飽和輸出。所以，首先計(jì)算比較器的臨界電壓值(V+)，得到等式2.11。

顯然，R2的作用是將輸出電壓引入臨界電壓。因?yàn)閂out會(huì)有兩種狀態(tài)+Vsat和-Vsat,所以遲滯比較器也將有兩個(gè)臨界電壓(Vth_H及Vth_L)。

表格2.1，遲滯比較器的狀態(tài)表

表格2.1可以很好的解釋遲滯比較器的工作原理，圖2.8是另一種有效的表達(dá)遲滯比較器工作原理的方式。設(shè)計(jì)合適的Vth_H及Vth_L，使(Vth_H-Vth_L)大于雜波幅值，可以有效的避免因?yàn)檩斎胄盘?hào)上的雜波引起的誤操作。

圖2.13，遲滯比較器的狀態(tài)矢量圖

3)、窗口比較器

窗口比較器用于判別輸入電壓是否落在某一個(gè)范圍之內(nèi)，圖2.14是典型的窗口比較器。

其中，URH>URL，D1和D2不能省略，防止兩個(gè)運(yùn)放輸出電平相反時(shí)損壞運(yùn)放。比如，運(yùn)放A1輸出VOH，但是運(yùn)放A2輸出VOL,D1導(dǎo)通，但是D2截止，因此電流不會(huì)從A1流入A2,避免大電流損壞器件。

圖2.14，窗口比較器

窗口比較的工作原理如圖2.15所示。

1)、Uin>URH>URL，A1輸出UOH,A2輸出UOL，D1導(dǎo)通，D2截止，Uout=UOH;

2)、Uin

3)、URL< Uin

圖2.15，窗口比較器的邏輯

五、OP07運(yùn)放簡(jiǎn)介：

參考官網(wǎng)文檔：

常用的幾個(gè)典型電路：

絕對(duì)值電路：

尺寸：