AD采样电路该怎么样设计？从原理公式到测试注意事项全流程解析

针对0-10V工频交流电压的ADC采样电路设计，需兼顾信号调理、抗干扰和精度需求，以下是分步设计方案：

一、信号调理电路设计

1. 电平抬升电路（消除负电压）

偏置加法电路 使用运算放大器（如LM358）搭建同相加法器：

输入信号：0-10V交流（实际可能为±5V双极性信号）

偏置电压：+5V（需稳定，建议使用TL431提供基准）

输出范围：0-10V（将原±5V信号抬升至0-10V单极性）

公式：

电阻匹配：

R1=R2R1=R2（典型值10kΩ），确保增益为1。

2. 电压跟随器（阻抗匹配）

运放选择 采用高输入阻抗、低输出阻抗的运放（如OPA2188），避免信号衰减。

电路连接 将加法器输出接入电压跟随器，隔离后续电路对信号源的负载效应。

二、信号适配与保护

1. 分压电路（适配ADC输入范围）

若ADC输入范围为0-5V（如ADS1115）： 使用电阻分压（R3=R4=10kΩR3=R4=10kΩ），将0-10V信号压缩至0-5V（图2）。

公式：

2. 抗混叠滤波

RC低通滤波 截止频率设为略高于工频（如100Hz）：

抑制高频噪声，避免采样混叠

3. 输入保护

TVS二极管（如SMAJ5.0A） 并联在ADC输入端，钳位电压至±5.5V，防止瞬态过压。

限流电阻（100Ω） 串联在信号路径，限制瞬态电流。

三、ADC选型与配置

1. ADC芯片选择

推荐型号

高精度：ADS1256（24位，30kSPS）

低成本：ADS1115（16位，860SPS）

关键参数：输入范围、采样率、分辨率需匹配工频信号需求。

2. 参考电压配置

外部基准源（如REF5025） 提供5.0V基准电压，提升ADC线性度和温漂性能。

3. 采样率设置

工频信号（50Hz/60Hz）至少需2倍采样率（奈奎斯特定理）。

若需波形细节（如每周期100点），采样率设为5kHz（50Hz×100）。

四、校准与软件处理

1. 硬件校准

偏置电压校准 输入0V信号时，测量ADC输出值作为零点偏移量。

增益校准 输入已知幅度信号（如5V），调整软件系数匹配实际值。

2. 软件算法

直流分量剔除 通过数字滤波（如均值减法）消除抬升引入的5V偏置。

波形还原 将ADC采样值还原为原始交流信号：

五、关键设计验证

1. 信号完整性测试

用示波器观察ADC输入端波形，验证无失真、无过冲。

测量运放输出与分压后波形的一致性。

2. 噪声评估

在空载和满载条件下，测量ADC输出的RMS噪声，确保满足SNR要求。

图1：电平抬升与跟随电路

+5V (TL431) | R1 (10kΩ) +---[运放+]---> 电压跟随器 --> 分压电路 --> ADC | Vin --- R2 (10kΩ)

图2：分压与滤波电路

运放输出 -- R3 (10kΩ) --+-- R4 (10kΩ) -- GND | +-- C1 (1.6μF) -- GND | +-- TVS -- ADC输入

注意事项

运放供电：若信号含负电压，需双电源供电（如±12V）；若仅单电源，需确保输入信号始终在共模范围内。

布局优化：模拟地与数字地单点连接，信号路径远离高频干扰源。

温漂控制：选择低温漂电阻（如±25ppm/℃）和基准源。

通过上述设计，可实现0-10V工频交流信号的高精度采样，误差可控制在±0.5%以内（取决于ADC分辨率及校准精度）。