简单分压电路,检测电压用

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电阻分流分压总电阻计算公式

设R1,R2并联,通过它们的电流为I1和I2
U1=U2
I1*R1=I2*R2
I1/I2=R2/R1
I1/(I1+I2)=R2/(R1+R2) I2/(I1+I2)=R1/(R1+R2)
设R1,R2串联,通过它们的电压为U1和U2
I1=I2
U1/R1=U2/R2
U1/U2=R1/R2
U1/(U1+U2)=R1/(R1+R2) U2/(U1+U2)=R2/(R1+R2)

电阻分压公式

所谓分压公式,就是计算串联的各个电阻如何去分总电压,以及分到多少电压的公式。

分电压多少这样计算:占总电阻的百分比,就是分电压的百分比。公式是:U=(R/R总)×U源

如5欧和10欧电阻串联在10V电路中间,5欧占了总电阻5+10=15欧的1/3,所以它分的电压也为1/3,也就是
10/3伏特。

分压电路

当电流表和其相连电阻连接时起到分压效果,此时用外接(电流表内阻一般不足一欧,但如果于其相连的电阻也只有几欧那就起分压效果了)

如相连电阻有几十欧以上,就可以忽略电流表的分压效果,用内接。

电阻并联总电阻

两个电阻并联
R并=R1*R2/(R1+R2)
3个或3个以上电阻并联后的 总电阻
R=R1*R2*R3/(R1R2+R1*R3+R2*R3)



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<think>嗯,用户要求设计一个基于LM358的2.5V偏置差分放大电路,用于电压和电流检测。这需要综合运放电路设计知识和LM358的特性。 用户可能正在开发电源监测或电池管理系统,需要同时检测电压电流。考虑从几个核心点展开:首先差分放大电路是必须的,因为需要消除共模干扰;其次2.5V偏置很关键,这样能处理正负信号;最后LM358的输入输出范围限制需要特别注意。 准备在回复时先解释基础电路结构,再说明偏置实现方法。重点要强调三个技术要点:一是电阻匹配精度对CMRR的影响,建议0.1%精度的电阻;二是单电源供电时输入输出范围的限制,LM358的输出不能完全到地;三是失调电压的补偿方法。这些对实际电路性能都很关键。 对于电流检测部分,考虑说明两种方案:低侧检测简单但会抬高地电位,高侧检测需要差分方案但更精确。用户应该需要根据具体应用选择。 最后要提醒实际调试要点,比如先调零偏置电压再校准增益。用户可能遇到零漂问题,所以建议在输出端预留RC滤波和调零电路。 考虑到用户可能想立即动手实验,准备提供完整的参考电路图,包含所有关键元件参数。同时补充三个进阶问题:如何提升共模抑制比、低侧检测的接地影响、LM358的替代方案,这样能帮助用户深入理解。</think>好的,我们来设计一个基于LM358的2.5V偏置差分放大电路,用于电压和电流检测。这种设计在电源监测、电池管理系统、电机控制等场景中非常常见。 **核心需求:** 1. **差分放大:** 测量两个点之间的电压差(例如,负载两端的电压,或电流检测电阻两端的电压)。 2. **2.5V偏置:** 将输入或输出信号的中心点抬高到2.5V。这通常是为了: * 适应单电源供电(LM358通常用单电源)。 * 允许测量可能低于地(GND)的输入信号(如果输入信号本身有负电压)。 * 为后续的单电源ADC(模数转换器)提供0V到5V(或其他基于2.5V的)输入范围。 3. **电压检测:** 直接测量两点间的电压差。 4. **电流检测:** 通过测量一个已知阻值的分流电阻(Shunt Resistor)两端的电压差来计算电流(I = V_shunt / R_shunt)。 **LM358特性要点:** * 单电源或双电源供电(我们这里用单电源)。 * 输入共模电压范围包括地(0V),甚至略低于地(-0.3V典型值)。 * 输出电压范围:大约从地(0V)到 V+ - 1.5V(典型值)。例如,5V供电时,输出范围约为0V到3.5V。 * 输入失调电压:典型值2mV(需注意精度应用)。 * 单位增益带宽积:约1MHz(限制高频响应)。 * 双通道(一个芯片包含两个独立运放)。 **电路设计:2.5V偏置差分放大器** 下图展示了实现所需功能的经典电路配置: ``` +Vcc (e.g., 5V) | R3 | +----[2.5V Ref]----+ | | | | R1 | R4 Vin+ o----/\/\/\----+--|-\ | | \ | | \ | | \______ Vout | / | | / | | / | +--|+/ | R2 | | Vin- o----/\/\/\----+ | | | | | | | | R5 | R6 | | | | | | GND o---------------o--+------------+-----o GND 关键: * R1 = R2 * R3 = R4 * R5 = R6 * 2.5V Ref 是稳定的2.5V参考电压源(如TL431, REF3025等) ``` **电路分析:** 1. **差分放大原理:** * 这是一个标准的差分放大器配置。 * 输出电压 `Vout` 由两个输入电压 `Vin+` 和 `Vin-` 的差值以及电阻比值决定。理想情况下: $$Vout = \frac{R4}{R3} \times (Vin+ - Vin-) + V_{ref}$$ * 如果 `R1 = R2` 且 `R3 = R4`,则电路的共模抑制比(CMRR)最高,能有效抑制 `Vin+` 和 `Vin-` 上相同的干扰信号。 * 差分增益 `A_d = R4 / R3`。 2. **2.5V偏置实现:** * 关键点在于将稳定的 **2.5V参考电压** `V_{ref}` 通过电阻 `R4` 引入到运放的同相输入端。 * 根据叠加原理: * 当 `Vin+ = Vin- = 0V` 时,电路相当于一个同相放大器,放大 `V_{ref}`,此时 `Vout = V_{ref} * (1 + R4/R3)`。但这不是我们想要的。 * 为了在输入差压为0时输出恰好为 `V_{ref}`(这里是2.5V),我们需要在反相端也引入一个偏置。这就是电阻 `R5` 和 `R6` 的作用。 * 通过精确匹配电阻 `R1 = R2`, `R3 = R4`, `R5 = R6`,电路方程简化为: $$Vout = \frac{R4}{R3} \times (Vin+ - Vin-) + V_{ref}$$ * 因此,当 `Vin+ = Vin-`(输入差压为0)时,`Vout = V_{ref} = 2.5V`。输入差压 `(Vin+ - Vin-)` 被放大 `R4/R3` 倍后,叠加在这个2.5V的基准上。 3. **电阻选择与计算:** * **匹配:** `R1 = R2`, `R3 = R4`, `R5 = R6` 至关重要!建议使用精度为1%或0.1%的电阻。 * **取值:** * `R1, R2`: 决定输入阻抗。典型值在几kΩ到几十kΩ(例如10kΩ)。值越大,输入阻抗越高,对被测电路影响越小,但热噪声可能增大。 * `R3, R4`: 决定差分增益 `A_d = R4 / R3`。根据被测信号的幅度和所需的输出范围选择。例如,如果最大输入差压为±100mV,希望输出在0.5V到4.5V之间摆动(以2.5V为中心),则需要的增益为 `(4.5V - 2.5V) / 0.1V = 20`。所以 `R4 / R3 = 20`。假设 `R3 = 1kΩ`, 则 `R4 = 20kΩ`。 * `R5, R6`: 通常与 `R1, R2` 匹配,即 `R5 = R6 = R1 = R2`(例如10kΩ)。它们的主要作用是与 `R1, R2` 形成对称的直流偏置路径,确保公式 `Vout = A_d * (Vin+ - Vin-) + V_{ref}` 成立。它们的值会影响输入偏置电流引起的失调,但匹配更重要。 * **2.5V参考源 (`V_{ref}`):** 必须稳定、低噪声。常用方案: * 专用基准电压芯片:如TL431(可调,便宜,精度尚可),REF3025(固定2.5V,高精度)。 * 精密电阻分压:用更高精度的电阻(如0.1%)从稳定的电源(如5V LDO)分压得到,但需注意电源波动会影响精度,最好加缓冲运放(可以用LM358的另一半)。 4. **电压检测应用:** * 将待测电压的两端分别连接到 `Vin+` 和 `Vin-`。 * 例如,测量一个负载 `R_load` 两端的电压 `V_load`: * `Vin+` 接 `R_load` 高端。 * `Vin-` 接 `R_load` 低端。 * 输出 `Vout = A_d * V_load + 2.5V`。 * 后续电路(如ADC)减去2.5V并除以增益 `A_d` 即可得到真实的 `V_load`。 5. **电流检测应用:** * 电流检测依赖于测量一个串联在电流路径中的小阻值分流电阻 `R_shunt` 两端的电压降。 * **低侧检测:** `R_shunt` 放在负载和地之间。 * `Vin-` 接 `R_shunt` 的负载端(通常接近GND)。 * `Vin+` 接 `R_shunt` 的地端(即真实的地电位)。 * 此时 `Vin+ - Vin- = V_shunt = I_load * R_shunt` (注意极性)。 * `Vout = A_d * (I_load * R_shunt) + 2.5V`。 * 优点:`Vin-` 和 `Vin+` 都接近地电位,容易测量。缺点:负载不直接接地,可能引入接地干扰。 * **高侧检测:** `R_shunt` 放在电源和负载之间。 * `Vin+` 接 `R_shunt` 的电源端。 * `Vin-` 接 `R_shunt` 的负载端。 * 此时 `Vin+ - Vin- = V_shunt = I_load * R_shunt`。 * `Vout = A_d * (I_load * R_shunt) + 2.5V`。 * 优点:负载直接接地,更安全,测量点干扰小。缺点:`Vin+` 和 `Vin-` 都接近电源电压(如12V, 24V),需要运放的共模输入范围能覆盖这个电压(LM358在单电源下输入范围是 `0V to Vcc-1.5V`,如果 `Vcc=5V`,则无法直接测量12V高侧的 `R_shunt`!需要先电阻分压衰减)。 * **计算电流:** `I_load = (Vout - 2.5V) / (A_d * R_shunt)`。 **设计步骤与注意事项:** 1. **确定电源电压 (`Vcc`):** 常用5V。确保LM358的 `Vcc` 引脚连接正确。 2. **选择/设计2.5V参考源 (`V_{ref}`):** 推荐使用TL431或专用基准芯片。如果用电位器分压,务必保证其稳定性。 3. **确定输入信号范围:** * 电压检测:最大预期电压差 `V_diff_max` (如±100mV, ±1V)。 * 电流检测:最大预期电流 `I_max` 和分流电阻 `R_shunt` -> `V_shunt_max = I_max * R_shunt` (如50A * 0.001Ω = 50mV)。 4. **确定输出范围:** 单电源下,LM358输出范围约为0V到 `Vcc - 1.5V` (5V供电时约0-3.5V)。以2.5V为中心,则上下最大摆幅约为 `min(2.5V, (Vcc-1.5V)-2.5V)`。5V供电时,向下约2.5V,向上约1V。**这是关键限制!** 5. **计算所需增益 (`A_d`):** * `A_d = (Desired Output Swing) / (Input Differential Swing)` * 例如:输入差压范围 `V_diff_max = ±100mV`,期望输出范围 `2.5V ± 1.0V` (即1.5V-3.5V),则 `A_d = 1.0V / 0.1V = 10`。 6. **选择电阻值:** * 根据增益 `A_d` 确定 `R4 / R3` (如 `A_d=10`, 选 `R3=10kΩ`, `R4=100kΩ`)。 * 选择 `R1=R2` (输入阻抗),如10kΩ。 * 选择 `R5=R6=R1=R2` (匹配),如10kΩ。 7. **考虑LM358限制:** * **输入共模范围:** 确保 `Vin+` 和 `Vin-` 的电压(不仅是差值,还包括它们各自的绝对值)在LM358允许的输入电压范围内(单电源:`-0.3V to Vcc-1.5V`,5V供电时约为`-0.3V to 3.5V`)。高侧电流检测时尤其要注意! * **输出范围:** 确保计算出的 `Vout` 不会超出 `0V to (Vcc-1.5V)`。 * **带宽:** 增益带宽积约1MHz。如果增益 `A_d=100`,则信号带宽约 `1MHz / 100 = 10kHz`。确保满足信号频率需求。 * **失调电压 (`Vos`):** 典型值2mV,最大7mV。这会导致输出存在 `A_d * Vos` 的误差(如 `A_d=10`,最大输出误差70mV)。对精度要求高的场合,需要考虑校准或选择更低 `Vos` 的运放。 8. **布局与旁路:** * 在 `Vcc` 和地之间靠近LM358电源引脚处放置一个0.1μF的陶瓷去耦电容。 * 2.5V参考源输出端也应加一个0.1μF - 1μF的电容稳压。 * 保持输入走线短,避免噪声干扰。如果测量小信号(如电流检测的mV级),考虑使用屏蔽或差分走线。 9. **调试:** * 先不接输入信号,测量 `Vout` 是否等于 `V_{ref}` (2.5V)。如果有偏差,检查电阻匹配和参考电压。 * 输入已知的差分电压(如用万用表测量),验证输出是否符合 `Vout = A_d * (Vin+ - Vin-) + 2.5V`。 **总结电路:** 这个基于LM358的差分放大电路,通过引入一个精密的2.5V参考电压并精确匹配电阻,实现了差分信号的放大和输出信号的2.5V偏置。它能够: * **测量电压差 (`Vin+ - Vin-`)**:通过增益 `A_d = R4/R3` 放大后叠加在2.5V上输出。 * **测量电流 (`I_load`)**:通过测量分流电阻 `R_shunt` 两端的电压差 `V_shunt` 实现 (`I_load = V_shunt / R_shunt`),输出 `Vout = A_d * (I_load * R_shunt) + 2.5V`。 * **适应单电源系统**:2.5V偏置使输出信号在单电源下以中间电平为中心,便于ADC采样(通常0-5V输入范围对应-2.5V到+2.5V的差压信号)。 **重要提醒:** * LM358的输入输出范围限制是设计的关键约束。 * 电阻匹配精度直接影响共模抑制比(CMRR)和输出偏置精度。 * 2.5V参考源的稳定性直接影响测量精度。 * 对于高精度或高频应用,LM358可能不是最佳选择(考虑失调电压、带宽、压摆率限制),但在成本敏感、精度要求不极端的中低速场合,它仍然是一个可靠的选择。
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