电子设计竞赛电源题(2)-检波与采样
電賽中的電源題說好做也好做，說不好做也不好做，電源是一個危險的東西，硬件和軟件稍有不慎可能就會炸板子炸芯片。在19年前的電賽電源題一般都是做開關電源逆變器之類的，但是這類題做的太多了，已經飽和了或者說現在的單純的電源已經做的效率達到非常之高。往后來說電源題會越來越偏向于環保方面和節能方面，當然也會越來考察基礎知識，就比如19年的電源題：簡易電路特性測試儀，就是一個關于三極管放大電路展開的。看似簡單但是如果你沒有很強的模電知識你是做不出來的，第一點在分析電路方面你就會卡死。所以趨勢在要求我們不僅動手能力要強而且理論知識也不能太弱。我寫的這些都是在電源題目中會經常遇到的一些非常典型的電路，可以拿過來直接用。
比如在上一章中我寫了很多關于概念的東西：什么是電壓調整率?、什么是負載調整率等等。這些概念一般出現在基礎部分的第一第二問，讓你的電壓調整率或者負載調整率達到多少多少。如果最基本的概念不清楚的話就無法進行下面的操作，所以說萬丈高樓平地起，基礎知識還是很重要的。這一章說的就是檢波與采樣。
1 ?有效值檢波技術
1.1 ?均值檢波技術
??在工業中，我們常用的檢波技術主要有三種：均值檢波技術、峰值檢波技術以及均方根值檢波技術。其中，均值檢波法主要應用于交直流轉換電路中，其主要實現方法是將交流信號進行半波或者全波整流，再對整流輸出的脈動直流信號進行積分得到較為平緩的直流信號，最后再根據被測信號的半波整流平均值或全波整流平均值與有效值的關系即可計算出被測信號的有效值。圖1.1為均值檢波的典型電路圖：
??圖1.1為用于電流的交直流轉換電路，圖中二極管D1和D2構成半波整流電路，二極管D2用于保持被測回路電流的連續性，并非轉換電路本身需要。當用于測量電壓信號時，二極管D2可以省略。當輸入處于正半周時，二極管D1導通，向電容C充電，微安表得到的是經電容平滑濾波之后的直流電，當輸入處于負半周時，電流從D2流過，二極管D1截止，電容電荷通過微安表內阻放電，電容電壓下降。
圖1.2 ?均值檢波電路電容兩端電壓波形
??電容兩端的電壓波形如圖1.2所示，流過微安表的電流波形與圖1.2電壓波形相同，可見，只要輸入交流電流幅值不變，流過電流表的波形非常接近一條直線。充放電電路的時間常數越大或信號頻率越高，輸出波形越接近直線。充放電電路的時間常數越大，當輸入電流幅值發生變化時，輸出響應越慢。因此，均值檢波電路較適合于幅值相對穩定或變化緩慢，而頻率較高的交流電測量。
??而峰值檢波則是對交流信號進行半波或者全波整流，再用充電電容保持整流輸出的脈動直流信號的峰值，得到較為平緩的直流信號。
??均值檢波電路通常采用電容充放電電路作為平均值電路，由于輸出為整流平均值，要求電容充放電時間常數相等。由圖1.1可知，電容充放電時間常數取決于微安表內阻，充電時，微安表內阻越大，電容越大，流過微安表的電流越小，電容充電電流越大，充電越快；放電時，微安表內阻越大，電容越大，放電越慢。為了使充放電速度相同，因此，只有在微安表內阻與電容符合特定關系時，才能使充放電速度相同。
??對于數字采樣的儀表，圖中微安表可用取樣電阻替代。并且一般會先將電流信號轉變為電壓信號再作轉換，電壓半波整流的均值檢波電路如圖1.3所示。
??但是，上圖存在一些問題：
??① 由于二極管存在壓降，當測量電壓較小時，二極管壓降帶來的影響不能忽略。
??② 這是電阻電容串聯電路，并不是嚴格的平均電路。
??因此，圖1.3電路不能實現嚴格的整流平均值，我們可以通過將變容二極管半波整流電路采用基于精密整流的絕對值電路替代來解決第一個問題，圖1.4為實用的均值檢波電路，圖中只要去除C1，就是全波精密整流電路，本電路在A2構成反相加法器上增加積分電容，將其變為反相加法及積分電路。圖中R3=2R4。
1.2 ?峰值檢波技術
??峰值檢波法構建的交直流轉換電路對交流信號進行半波或全波整流，再用充電電容保持整流輸出的脈動直流信號的峰值，得到較平緩的直流信號，直流信號的幅值就是被測交流信號的峰值，再利用被測信號的峰值與有效值的關系即可計算出被測信號的有效值。與均值檢波技術不同的是，它利用的是被測信號的峰值而不是均值來計算有效值。
??峰值因數是指信號的峰值與有效值的比值。因此，峰值檢波法交直流轉換電路得到的測量結果需要除以峰值因數才是被測信號的有效值。
??有趣的是，峰值檢波的最簡電路模型可以采用和交流電壓檢波電路一樣的模型，如圖1.5所示：
??但是實際上，峰值檢波和均值檢波還是有很多差別的，它們的最大差別在于：
??① 峰值檢波電路要求充電時間足夠短，用于窄脈沖測試的峰值檢波電路，要求在很短的時間之內，電容可以快速充電至峰值。而放電時間相對長，否則，輸出波形不夠平滑。對于正負對稱并且幅值相對穩定的交流電而言，只要放電速度遠遠低于充電速度，即使充電速度較慢，也能使輸出非常接近于峰值。
??② 均值檢波電路要求充放電時間相等，否則，得到的不是整流平均值，均值檢波電路適用于正負對稱并且幅值相對穩定的交流電的測量。
??與均值檢波類似，在被測電壓較小時，需要消除二極管壓降帶來的誤差，我們同樣對電路進行改進，得到如圖1.6所示電路：
圖1.6 ?改進的峰值檢波電路
??當紅色當Vi大于Vo時，A1輸出正電源電壓，變容二極管D1截止，D2導通，電容C迅速充電至Vi。
??當紅色當Vi小于Vo時，A1輸出負電源電壓，變容二極管D1導通，D2截止，電容C通過電阻Rc緩慢放電。
1.3 ?均方根值檢波技術
??均方根值檢波技術可以用硬件方法或者軟件算法來實現，如果要用硬件實現的話，可以采用專用的真有效值轉換芯片來實現。常用有效值轉換芯片有AD536、AD637、LTC1966、LTC1967、LTC1968等。其用法可以參考芯片的datasheet，這里不再贅述。我們來詳細探討下軟件算法的實現。
??均方根值，顧名思義，就是在輸入信號的整數周期內，對輸入信號進行平方，相加平均再開方。我們采用均方根值算有效值的流程通常是先將輸入信號轉化為電壓信號，再根據信號的頻率選用高速AD對信號進行采樣，最后，我們將采樣值輸入FPGA或者單片機中進行算法處理，得到信號的有效值。這里有兩點要特別注意：
??① 對于頻率較高的信號，我們最好選用采樣率足夠高的AD和主頻足夠高的FPGA來進行處理，否則的話，算出來的有效值誤差會非常大。
??② 在采樣時，最好是按照周期的整數倍來進行采樣和數據處理，如果數據處理時不是按照整數個周期來處理的話，得到的值將會是一個跳動的數字。
流程圖如下：
??首先，搭建一個DDS平臺來產生周期性累加的時鐘信號，模塊最終輸出就是要求的有效值，經實測，用TLC3578采樣，每個周期采樣兩百個點進行運算，最終得到的有效值精度可以到小數點后第三位，滿足絕大部分應用場景。
??綜上所述，均值檢波電路輸出結果等于被測信號有效值除以波形因數，峰值檢波電路輸出結果等于被測信號有效值乘以峰值因數，均方根檢波電路輸出結果等于被測信號有效值。各種方法各有優劣，應根據實際場景來選擇最合適的方案。
2 ?高精度采樣技術
??采樣對于電源設計來說，是極其重要的一部分，采樣精度往往決定了整個系統最終輸出的精度，性能以及穩定性，因此，我們在設計系統的采樣部分時，應盡可能地高標準。要想實現高精度采樣，有兩點最重要，第一是AD的選擇，第二則是采樣電路以及濾波算法的選擇。
2.1 ?AD的選擇
??根據A/D轉換器的轉換原理可以把A/D轉換器分為兩大類：直接型A/D和間接型A/D。
??直接型A/D將輸入的模擬電壓通過比較直接轉換為數字量。而間接型A/D轉換器，模擬電壓先被轉換為一種中間變量（像時間、頻率、脈沖等），然后再把中間量轉換成數字量。
??直接型A/D中應用較為廣泛的主要有逐次逼近式A/D轉換器、流水線A/D轉換器；間接型A/D轉換器中應用較為廣泛的主要有雙積分A/D轉換器和V/F變換A/D轉換器。
2.1.1 ?A/D轉換器的性能指標
??在選擇A/D轉換器的時候，要根據需要選擇性能指標合適的A/D轉換器，這就需要我們對A/D的性能指標有一定的了解。
??（1）分辨率
??分辨率表示輸出數字量變化一個數字量，輸入的模擬電壓的變化量，轉換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2的n次方的比值，其中n代表A/D轉換器位數。
??（2）轉換速率
??轉換速率是指A/D轉換器完成一次數據轉換所需要的時間。不同的A/D的轉換時間是不一樣的，根據實際需要轉換速率合適的A/D。
??（3）量化誤差
??量化誤差是由于A/D轉換器的有限分辨率而引起的誤差。量化誤差是指量化結果和被量化模擬量的差值，顯然量化級數越多，量化的相對誤差越小。分辨率高的A/D具有較小的量化誤差。
??（4）非線性度
??非線性度是指轉換器實際的轉換曲線與理想轉換曲線的偏移，也可以稱為線性度。
??（5）偏移誤差
??偏移誤差是指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，也叫做零值誤差。偏移誤差通常是由A/D轉換器內部的放大器或比較器輸入的失調電壓或電流引起的。在使用A/D轉換器前，要先將偏移誤差降到最低，有的A/D轉換器有零點調節的功能。
??（6）輸入電壓范圍
??A/D轉換器一般都有規定的輸入電壓范圍，使用過程中盡量不要超出范圍，因為這樣會造成對A/D的永久損壞。
2.1.2 ?A/D轉換器的選擇
??對于品種繁多、性能各異的A/D轉換器，在設計數據采集系統時要按照以下幾點要求進行選擇。
??（1）A/D轉換器的位數
??A/D轉換器的位數的確定與整個測量控制系統所要測量控制的范圍和精度有關。A/D轉換器的位數至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。雖然分辨率與轉換精度是不同的概念，但是沒有基本的分辨率就談不上轉換精度。但是，選的太高也沒有實際意義，而且會增加系統的成本。
??（2）確定A/D轉換器的轉換速率
??A/D的轉換速率從s級到ns級都有，實際應用中根據系統需要選擇合適的轉換速率。像積分型的A/D轉換速率就比較慢，一般用于對溫度、壓力、流量等緩變參量的測量和控制。逐次比較型A/D轉換器屬于中速轉換器，常用于單片機控制系統、音頻采集等。FLASHA/D轉換器屬于高速轉換器，適用于雷達、數字傳輸、瞬態記錄等實時要求高的測量系統。
??（3）確定工作電壓和基準電壓
??早期設計的集成A/D轉換器需要±15V的工作電源，現在的A/D轉換器大多可以在5V～12V范圍內工作。基準電壓是A/D轉換準確的保證，有的A/D帶有內部基準比較方便，對于要外接基準的A/D轉換器，一定要保證基準電壓幅度穩定、準確。必要時使用基準電壓芯片。
??（4）輸入電壓范圍
??A/D轉換器根據用途不一，輸入電壓范圍各異，選擇A/D前一定要注意輸入電壓的范圍，超范圍的電壓輸入可能會導致A/D轉換器的永久損壞。
2.1.3 ?A/D轉換器的使用注意事項
??A/D轉換器的啟動一般需要外部控制啟動轉換信號，一般由CPU提供。A/D轉換器的啟動轉換信號一般分為兩種：脈沖控制啟動和電平控制啟動。對于電平控制類A/D轉換器，電平應在轉換的全過程中保持不變，否則會中止轉換。
??在正常使用中，A/D轉換芯片可能會電流突然增大、突然發熱，這是可控硅現象，是所有CMOS集成電路在使用中都可能發生的現象。出現這種情況以后，要切斷電源，然后重新打開，又會回復正常工作。為防止這種現象發生可采取以下措施：
??（1）盡量避免較大電流干擾竄入電路；
??（2）加強電源穩壓濾波措施，在A/D轉換芯片的電源入口處加去耦電路。為防止窄脈沖竄入，應加一個高頻濾波電容（0.01μF左右）；
??（3）在A/D轉換芯片的電源端串一個100～200?的限流電阻，可在出現可控硅現象時有效地限定電流，保護芯片。
??另外現在使用的A/D中一般都自帶采樣保持電路，不需要外面再外接采樣保持電路。
2.2 ?采樣電路的設計
??說完了AD的選擇，我們就來聊聊采樣電路的設計。在電源系統的設計中，AD的采樣管腳直接采樣的一般都是電壓信號，如果需要采樣電流信號，我們可以先將電流信號轉化為電壓信號之后再進行采樣，而電壓采樣一般也分為兩種：直流電壓采樣和交流電壓采樣，接下來我們來分別討論這兩種采樣的電路設計。
2.2.1 ?直流電壓采樣
??最簡單，最直接的采樣方法：判斷采樣電壓的峰值是否在AD的采樣范圍之內，如果信號范圍和AD采樣范圍相吻合，濾波后直接送入AD采樣口進行采樣，這里濾波可以用簡單的LC或者RC濾波。如果信號的范圍超出了AD的采樣范圍，可以用電阻分壓之后再將信號送入AD采樣口進行采樣。如果分壓之后信號幅值太小，可以用運放將信號放大之后再送入AD采樣口采樣。典型的電路圖如圖2.1所示：
2.2.2 ?交流電壓采樣
??在我國，交流電的頻率一般都是50Hz，對交流電壓的采樣，我們可以先用電壓電流互感器將強交流信號轉化為較弱的交流信號，以方便后級采樣。這里對交流互感器的選擇也是有講究的，普通的線圈互感器只能互感交流信號，如果采樣信號是交流加上直流偏置的話，直流信號會被直接過濾掉，從而破壞信號的完整性，為了同時采集直流信號和交流信號，我們可以采用霍爾交流互感器，它可以同時互感直流和交流信號，最大程度地保證信號的完整性。然后，我們可以利用高速AD，以周期為單位采集信號的瞬時值并保存在數組里，為之后求信號有效值值或者峰值做準備，這里以求信號有效值為例，我們可以用FPGA搭建一個DDS信號發生器或者買一個DDS發生器模塊，使得DDS信號發生器的周期和交流信號的周期成整數倍關系，然后根據DDS信號的節拍去對采樣信號進行均方根運算，最后將結果除以那個整數，即可求得較為精確的交流電壓有效值。
典型采樣電路如圖2.2所示：
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「重磅猜題之第二篇」2019年大學生電子設計競賽
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以上是生活随笔為你收集整理的电子设计竞赛电源题(2)-检波与采样的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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