【模拟输入模块电路分析】

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

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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

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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=(15
Vo+2Vin-)/17;
(4):进而得到(1.5
15+2Vin+)/17=(15V

<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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