【模拟输入模块电路分析】

已于 2022-08-14 20:28:59 修改
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分类专栏： 优选电路模块 文章标签： 单片机 stm32 物联网
于 2022-08-14 20:24:55 首次发布
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本文详细介绍了模拟输入模块的设计，包括原理图、优选器件和电路计算。电路支持-10V至10V输入，输出0-3.3V模拟电压，适用于PLC、运动控制器的模拟信号检测。电路计算部分涉及传递函数、延迟计算和电压基准电路设计，确保了信号的准确转换。

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1 模拟输入模块

模拟输入用于解决PLC、运动控制器模拟输入，比如电流检测、电压检测、温度检测等等。本电路支持-10V-10V的模拟输入，输出0-3.3V的模拟电压，可直接输入到CPU的模拟脚，本电路传递函数为Vo=1.5+(Vin+ - Vin-)/7.5，输入电压0时，输出电压为1.5V，当输入电压为10V时，Vo=2.83V，当输入电压为-10V时，Vo=0.16V输出。

2 模拟输入模块原理图

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
当干扰比较大是，C1627，C1628，C624,C331四个电容可构成二级滤波电路。对电路的设计会有明显的改善，由于是查分输入， layout时，需要考虑输入差分走线设计。

3 优选器件

在这里插入图片描述

4 电路计算

4.1 传递函数计算

（1）：设定运放U39的输入U+=U-=U；
（2）：(1.5-U)R309=(U-Vin+)/R310得到U=(1.515+2Vin+)/17；
（3）：(Vo-U)/R308=(U-Vin-)/R311得到U=(15Vo+2Vin-)/17；
（4）：进而得到(1.515+2Vin+)/17=(15V

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使用运放设计一个-10V ~+10V 信号单片机ADC采样的前端信号处理电路，要求：输入信号范围为正负10V的信号，转化为0-3V的信号（信号保持线性变化，不考虑交流信号） 输入电压 输出电压 -10 0 -5 0.75 0 1.5 +5 2.25 +10 3
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<think>嗯，用户需要设计一个运放电路，把-10V到+10V的信号转换成0到3V，供单片机ADC采样。首先得确定转换的线性关系。根据给定的输入输出对应表，输入-10V对应0V输出，+10V对应3V。这看起来像是一个线性缩放加偏移的问题。 首先，我得找出这个线性转换的方程。输入范围是20V（从-10到+10），输出是3V的范围（0到3）。所以缩放比例应该是3/20=0.15。不过，还需要加上一个偏移量，因为当输入是-10V时，输出要变成0V。假设转换方程是Vout = a*Vin + b，代入两个点： 当Vin=-10时，Vout=0： 0 = a*(-10) + b → b =10a 当Vin=+10时，Vout=3： 3 = a*10 + b → 3 =10a +10a=20a → a=3/20=0.15，然后b=10*0.15=1.5 所以方程应该是Vout=0.15*Vin +1.5。但是检查中间点是否正确。比如当Vin=0时，Vout=1.5V，符合要求。Vin=-5V时，0.15*(-5)+1.5= -0.75+1.5=0.75V，也符合。所以方程是对的。 接下来用运放实现这个转换。需要同时进行缩放和偏移，通常可以用同相加法器或者反相加法器。考虑同相放大可能更适合，因为输入阻抗高，但可能需要多级运放。或者用差分放大结构，因为需要处理双极性输入。 另一个方法是使用反相放大电路，结合偏移。例如，先进行缩放，再添加偏移。或者用差分放大器，其中Vin连接到正端，参考电压连接到负端，调整比例。 不过更常见的可能是使用一个减法电路，将输入电压的偏移调整。比如，需要将-10V映射到0V，+10V映射到3V。这相当于将输入电压平移1.5V，然后缩放0.15倍。因为原方程可以分解为Vout=0.15*(Vin +10V)，这样缩放0.15倍，偏移-10V的平移？或者可能需要重新排列方程。 或者，重新整理方程：Vout = (Vin +10) * (3/20)。这样确实是当Vin=-10时，Vout=0，Vin=+10时，Vout=3。所以这个表达式是正确的。这样的话，可以用一个同相放大器结构，其中输入电压加上一个偏移电压，然后进行放大。 可能需要分两步：先加一个偏移电压，然后进行放大。或者使用差分放大器来实现这个公式。差分放大器的公式是Vout = (R2/R1)*(V2 - V1)。如果设定V2是Vin，V1是-10V，那么选择合适的电阻比例，使得R2/R1=0.15，这样Vout=0.15*(Vin - (-10))=0.15*(Vin+10)，这正是所需的转换。 不过，如何产生-10V的参考电压呢？如果系统中有负电源，比如-12V，可以用电阻分压得到-10V，但可能需要缓冲。或者使用稳压器件。但这样可能增加复杂度。另一种方法是调整电路结构，使用反相输入端的加法。 或者考虑使用双电源运放，比如±15V供电，这样运放可以处理-10V到+10V的输入。然后设计电路实现Vout=0.15*Vin +1.5。这个方程可以拆解为放大0.15倍后再加上1.5V的偏移。 这可以通过反相加法电路实现：首先将Vin通过一个电阻R1连接到反相输入端，同时另一个参考电压Vref通过电阻R2连接到反相输入端，运放的同相端接地，反馈电阻Rf。这样输出为Vout= - (Rf/R1 * Vin + Rf/R2 * Vref)。为了使系数为正，可能需要调整符号。 例如，若希望Vout=0.15*Vin +1.5，可以设置： - ( (Rf/R1)*Vin + (Rf/R2)*Vref ) = 0.15*Vin +1.5 → 所以需要： Rf/R1 = -0.15 → 负号可能有问题，因为这里右边的系数是正的，而左边是负的。所以可能需要调整符号，或者改变参考电压的极性。 或者，使用同相加法器，但比较复杂。或者采用两级运放：第一级进行缩放，第二级添加偏移。 例如，第一级用反相放大器，增益为0.15，这样输出是-0.15*Vin。然后第二级用加法电路，将前一级的输出加上1.5V的偏移。这样总输出为0.15*Vin +1.5。但第一级的反相会导致符号问题，所以可能需要调整输入极性。 或者，第一级使用同相放大器，增益为0.15，但同相放大器的增益是1 + Rf/R1，可能难以得到小于1的增益。所以可能需要用分压后再放大，或者使用反相放大器来实现小于1的增益。 例如，反相放大器的增益是 -Rf/Rin。如果Rf=15k，Rin=100k，那么增益是-0.15。这样输出是-0.15*Vin。然后将这个信号输入到第二级的反相加法电路，加上一个1.5V的参考电压，这样第二级的输出为 - ( (-0.15*Vin) * Rf2/R1 + 1.5 * Rf2/R2 ). 需要调整电阻使得总和为0.15*Vin +1.5。 假设第二级的反相放大器的反馈电阻Rf2，输入电阻R1和R2，那么： Vout = - [ (V1 * Rf2/R1) + (V2 * Rf2/R2) ] 这里V1是第一级的输出-0.15*Vin，V2是1.5V的参考电压。所以： Vout = - [ (-0.15*Vin * Rf2/R1) + (1.5 * Rf2/R2) ] 需要让这个等于0.15*Vin +1.5。所以： - [ (-0.15*Rf2/R1) Vin + (1.5*Rf2/R2) ] = 0.15 Vin +1.5 比较系数： 对于Vin项： 0.15*Rf2/R1 =0.15 → Rf2/R1=1 → 比如Rf2=10k，R1=10k 对于常数项： -1.5*Rf2/R2 =1.5 → Rf2/R2 = -1 → 这不可能，因为电阻为正。这里符号有问题。 可能需要在第二级使用正参考电压，或者调整极性。或者重新考虑电路结构。 或者，第二级使用同相加法电路，但比较复杂。或者采用差分放大器结构。 另一种方法是用单级运放实现缩放和偏移。例如，使用同相配置，结合参考电压。例如，运放的同相端接Vin经过电阻分压，同时引入参考电压。或者使用下面的结构： 输出电压公式为 Vout = Vin*(R2/(R1+R2)) * (1 + R4/R3) + Vref*(R4/R3) 不过这需要更详细的分析。例如，设定合适的电阻值使得整个表达式符合Vout=0.15Vin +1.5。 可能需要使用一个差分放大器，其中正端接Vin，负端接一个固定的电压，比如-10V，然后调整增益。例如，差分放大器的输出是 (Vin - Vneg) * (Rf/Ri) + Vref。但需要具体计算。 或者，考虑将输入电压平移10V，然后缩放。例如，Vin +10V被缩放到0-20V，然后乘以0.15得到0-3V。这样就需要加法电路先加10V，再进行缩放。但如何用运放实现加法呢？ 例如，使用反相加法器：Vout = - ( (Vin * Rf/R1) + (10V * Rf/R2) )，然后调整增益。假设希望Vout = 0.15*(Vin +10)，则等式右边是0.15Vin +1.5。而反相加法器的输出是 - ( (Vin * Rf/R1) + (10V * Rf/R2) )，所以要满足： - ( (Rf/R1) Vin + (Rf/R2)*10 ) = 0.15 Vin +1.5 这需要： -Rf/R1 =0.15 → Rf/R1= -0.15 → 这不可能，因为电阻都是正值。所以这种方法不可行，符号不符。 可能需要使用同相加法电路，或者两级运放：第一级加10V，第二级缩放。例如： 第一级：加法电路，输出为Vin +10V。因为运放无法直接产生正电压加法，可能需要用反相结构。例如，反相加法器：Vout1 = - (Vin +10V)，然后第二级进行反相缩放，得到0.15*Vout1 = -0.15*(Vin +10)，但这会导致最终输出为负，不符合要求。 这显然有问题，所以可能需要调整结构。或许使用差分放大器： 差分放大器的输出公式是 Vout = (Vin - Vref) * (Rf/Ri)，其中Vref是-10V。这样，当Vin=-10V时，Vin - Vref =0，输出0；当Vin=+10V时，差为20V，乘以增益0.15，得到3V。这正好符合要求。所以，这样的差分放大器结构可能适用。 差分放大器通常需要四个电阻，满足Rf/Ri = R2/R1，以抑制共模干扰。因此，设计时需要选择合适的电阻比例。 例如，设定增益为0.15，即Rf/Ri=0.15。假设Ri=100kΩ，那么Rf=15kΩ。同时，R2和R1需要满足R2/R1=Rf/Ri=0.15。例如，R2=15kΩ，R1=100kΩ。此时，Vref应接-10V到同相端的电阻R1。这样，差分放大器的公式为： Vout = (Vin * Rf/(Rf + Ri)) * (1 + R2/R1) - Vref*(R2/R1)/(1 + Rf/Ri) 不过可能需要更准确的公式推导。正确的差分放大器公式是： Vout = (V+ - V-) * (Rf/Ri) ，当电阻匹配时，即R1=Rf， R2=Ri。或者更准确地说，当R1/R2 = R3/R4，其中V+是Vin通过R1，V-是Vref通过R3，运放的反相端通过R2到输出，同相端通过R4到地。或者更标准的差分放大器结构是： Vout = (V2 - V1) * (R2/R1)，当四个电阻满足R2/R1 = R4/R3。 在这个问题中，需要Vout =0.15*(Vin - (-10V)) =0.15*(Vin +10). 所以，V2=Vin，V1=-10V，增益为0.15。因此，设计差分放大器的电阻比R2/R1=0.15，同时R4/R3=R2/R1=0.15。 例如，选R1=100kΩ，R2=15kΩ，那么R4=15kΩ，R3=100kΩ。此时，V1接-10V，V2接Vin，输出为Vout= (Vin - (-10V))*(15k/100k)=0.15*(Vin+10V)，这正是需要的转换公式。 这样，电路结构就确定了。但需要确保运放能够处理输入的-10V到+10V范围，并且输出能够达到0到3V。运放需要双电源供电，例如±12V或±15V，以保证输入在-10V到+10V时正常工作，同时输出摆幅能够达到0V到3V。选择Rail-to-Rail输出的运放可能更好，以确保在单电源或双电源下输出接近地电压。 另外，-10V的参考电压需要从系统中获取。如果系统有负电源，比如-12V，可以通过电阻分压和运放缓冲得到稳定的-10V。例如，使用一个电压跟随器，输入由-12V分压得到-10V，然后输出作为Vref。 总结电路结构： 1. 差分放大器部分： - Vin接R1（100kΩ）到运放的同相端。 - -10V参考电压接R3（100kΩ）到运放的反相端。 - 反馈电阻R2=15kΩ连接运放输出到反相端。 - 运放同相端通过R4=15kΩ接地。 这样，输出为0.15*(Vin +10V)。 2. 生成-10V参考电压： - 使用稳压器或电阻分压从负电源（如-12V）分压得到-10V，并用运放跟随器缓冲。 需要注意电阻的精度，选择1%精度的金属膜电阻，或者使用可调电阻进行微调。此外，运放的电源电压需要足够高以处理输入信号的范围，例如使用±15V供电的运放，如TL084等。 最后，进行电路验证，确保在输入-10V、-5V、0V、+5V、+10V时，输出分别为0V、0.75V、1.5V、2.25V、3V。可能需要在实际搭建电路时进行校准，尤其是参考电压的准确性会影响整体结果。</think>根据设计要求，需要将±10V输入线性转换为0-3V输出。以下是分步设计方案： **一、确定转换方程** 根据给定参数建立线性关系： 输入电压 | 输出电压 ---|--- -10V | 0V +10V | 3V 推导得转换方程： $$ V_{out} = 0.15 \times (V_{in} + 10) $$ **二、电路拓扑选择** 采用差分放大器实现公式中的加法与比例缩放： ![差分放大器电路图](https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/Figure1-AN-259_1.png) **三、元件参数计算** 1. **增益设置**： 目标增益G=0.15 设R1=R3=100kΩ，则R2=R4=15kΩ（满足R2/R1=R4/R3=0.15） 2. **参考电压**： 需要-10V基准电压，可通过以下方式获取： - 使用负电源（如-12V）经电阻分压 - TL431等基准源生成 - 专用负压基准芯片（如LT6654） **四、完整电路设计** ```plaintext +15V | C | Vin o---R1(100k)---+---|+\ | | OPAMP R4(15k) +---|-/ | | | +--- Vout GND R2(15k) | -10V o---R3(100k)---+---|\ | | C | | | -15V GND ``` **五、关键设计要点** 1. 运放选择： - 推荐使用高精度运放（如OP07） - 双电源供电（±15V） - 轨到轨输出特性 2. 电阻选择： - 1%精度金属膜电阻 - 匹配电阻对（R1/R3，R2/R4） - 可并联可调电阻进行微调 3. 滤波设计： - 在输出端增加RC低通滤波（如1kΩ+100nF） - 输入保护二极管防止过压 **六、验证测试** 使用电位器模拟输入，典型测试点验证： - 输入-10V → 输出0V - 输入0V → 输出1.5V - 输入+10V → 输出3V **七、改进方案** 1. 增加电压跟随器提升输入阻抗 2. 使用精密基准源（如REF02）提升精度 3. 添加EMI滤波器抑制高频干扰 该电路可实现精确的线性转换，实际搭建时建议预留校准电位器，并使用示波器观察输出波形稳定性。
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