技術微課堂丨科普篇：電源常用電路—采樣電路

在上期課程中，我們簡要介紹了數字電源及其核心控制器PPEC。當然，數字電源除了包含電源拓撲電路以及數字控制核心外，還包括采樣、驅動和通訊等外圍電路。

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

01ADC采樣原理

ADC（模數轉換器）采樣是將模擬信號按照一定的采樣頻率進行離散化，然后轉換為數字信號的過程，通常包括采樣、保持、量化和編碼四個步驟。

▍采樣

采樣主要實現模擬信號的離散化處理，即將連續的模擬信號轉換為一系列時間間隔相等的模擬信號。

采樣的間隔由采樣頻率決定，頻率越高采樣得到的信號越接近原始信號。但較高的采樣頻率會使得數據量增加，同時對系統的轉換速度要求變高。一般選擇采樣頻率為原始信號最高頻率的3-5倍。

▍保持

采集模擬信號后，需花時間將其轉化為數字信號，為了給后續的量化編碼過程提供一個穩定值，需用保持電路對取得的模擬信號進行電壓保持。

此過程可通過并聯電容的方式實現。輸入的連續模擬信號經過采樣與保持后將得到一個時間上離散的模擬信號樣本集合。

▍量化

數字信號在時間和幅值上都是離散的，量化是將采樣電壓轉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。

量化過程中會產生量化誤差，它是一種無法消除的原理性誤差。ADC的位數越高，離散電平之間的差值越小，量化誤差也會越小。

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生的數值之間的關系如下

▍編碼

為方便數字信號數據的傳輸與存儲，需要將量化得到的十進制數字信號轉換成二進制編碼。

常用的編碼方式有二進制編碼、格雷編碼、調制編碼和二進制補碼編碼等。

02ADC采樣實現方式

ADC采樣的實現方式包括外接采樣芯片和采用控制核心內部采樣模塊兩種。

大多數MCU/DSP內部都囊括了ADC采樣模塊，如STM32F103內部集成了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采樣模塊的數字電源控制核心，如經典的51單片機以及MSP430單片機等，需要根據采樣頻率與精度的要求選擇合適的ADC采樣芯片。

數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）越高量化誤差越小，采樣頻率高則信號越接近原始信號。

使用控制核心內嵌采樣模塊或外接ADC采樣芯片時，需使用采樣調理電路將待測信號轉換為小電壓信號，以滿足ADC采樣模塊的輸入電壓范圍。

03采樣調理電路

在數字電源采樣過程中，通常會對電源拓撲電路的電壓和電流進行采樣。接下來，我們將詳細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進行電氣隔離與采樣，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，輸入信號和輸出信號共享相同的接地參考，常用的有分壓采樣以及運放直接采樣等。

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。因為其結構簡單、可靠性高、成本低等特點，常被用于數字電源電壓采樣。其電路結構如下圖。

輸入電壓Vin經過Rs1與Rs2分壓后經過輸入側濾波（Ry11、Cy11）接入運算放大器U1，再經過輸出端濾波（R21、C21）接入ADC采樣模塊，運算放大器U1起電壓跟隨作用。U1、U2運放需要選取低壓軌至軌、低失調電壓運放，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、隔離運放、光耦以及互感器等元件進行電壓采樣。這里以霍爾電壓采樣以及隔離運放電壓采樣為例進行介紹。

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">傳感器內部包含垂直于磁場方向放置的半導體薄片，根據霍爾效應，當有電流流過半導體薄片時會產生電動勢，該電動勢稱為霍爾電勢，可以通過測量電動勢的大小得到流過電流的大小。以單電源閉環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，得到一個幅值在0~V+的輸出電壓Vo。Vo經過分壓電阻Rs1與Rs2后接入運算放大器U2，分壓電阻的作用是調整霍爾電壓傳感器的輸出電壓幅值，以適應ADC采樣模塊的輸入電壓范圍。運算放大器U2起到電壓跟隨的作用。U2的輸出再經過低通濾波器（R1、C1）后接入ADC采樣單元。

2）隔離運放電壓采樣

隔離運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，信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。隔離運放電壓采樣的基本電路結構如圖。

輸入電壓經過Rs1與Rs2分壓后接入隔離運算放大器，隨后接入差分運放電路中，運放U1的輸出電壓經過濾波器（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，其電路結構如圖。

在待測支路中串聯采樣電阻Rs3，并將電阻兩端電壓接入運算放大器U2中。電路中U2以及電阻Ry21-Ry24構成的差分電路。差分電路的輸出經過濾波器（R11、C11）后接入ADC采樣模塊。U1、U2運放需要選取低壓軌至軌、低失調電壓運放，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、響應快速和使用壽命長等優勢被廣泛應用?；魻栯娏鞑蓸与娐芬话阌苫魻杺鞲性?、運算放大器和濾波器構成。

以單電源閉環霍爾電流采樣為例：待測電流穿過霍爾電流傳感器U1會產生一個幅值在0~V+之間的輸出電壓值Vo。Vo經分壓電阻Rs1與Rs2后接入運放U2，隨后經低通濾波器（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，因此需要在Rs2兩端并聯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字電源中不可或缺的采樣調理電路和ADC采樣模塊，重點闡述了常用采樣調理電路的原理和結構。電路元件選型可參考我們公司自主研發的數字電源控制核心——PPEC的產品應用手冊。