AC交流采样电路

海上的船

6332人浏览 · 2025-03-22 14:14:16

海上的船 · 2025-03-22 14:14:16 发布

AC交流采样方案

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  * @name:   AC交流采样方案
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  * @brief:  这里提供一个方案参考，这个方案适合个人制作几个自己使用，不适合
  *			用于批量生产，其中有点问题是没有正常解决的，但是不影响使用，如
  *			有佬知道怎么解决还请在评论区或者私信告诉我，万分感谢！！！
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  * @Author: 海上的船
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  * @Date:   2025.6.6
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1.总概

之前我们已经成功对交流电压实现了降压，这样我们的开环就完成了
但是我们需要将buck实现在不同的带载情况下也能输出稳定电压
所以我们现在要将输出的电压信息传回给stm32，从而通过调整占空比实现输出稳定电压
这里将分为两个部分，分别是电路部分和代码部分

2.电路部分

我这里将使用输入为36V有效值，频率为50Hz的，经过buck后我们将得到32V-2V有效值，频率为50Hz的信号作为例子，来讲解这个交流采样的方案，这个方案是通用的，各位可以根据自己的情况从而进行适当的改变

我们需要考虑隔离问题，如果直接将信号只是通过分压和偏置供给stm32，这个行为是很危险的，容易让stm32的工作出现异常，所以我们不得不考虑隔离，而这里选择的隔离方案是通过互感器实现隔离，但是这出现了一个新的问题，就是当我们为空载的情况下，互感器对于输出带载而言是一个感性负载，这很容易让我们无法得到正确的电压信号，所以我们通过在输出信号上接电阻，然后再小电阻上接互感器实现隔离，这样对应我们buck电路的拓扑来说，很大程度上来说这依旧是一个阻性负载，至于后面就是通过运放实现分压和加偏置将处理后的信号供给stm32。

2.1 信号分压

采用9.1k和1k电阻进行分压
- 使电压最大值 45.25V ≈ 32V * 1.414，降为约±4.5V内
- 让其在空载情况下也保持为阻性负载
在1k电阻上并联一个合适电容滤波，我这里选择的是680nF的电容，电容不建议太大，太大容易引起波形失真

2.2 隔离互感器ZMPT107-1

采用型号为ZMPT107-1互感器
根据其数据手册我们可以知道它的额定输入电流为2mA，这很重要，很多互感器工作不正常的原因就是其输入的额定电流错误，根据我的实际使用的时候发现这个2mA貌似是最大输入电流，但是电流大于2mA的时候波形容易出现失真
同样的这是数据手册给出的典型应用方案，但是当我把GND接上去后不管怎么弄都是会出现波形失真，所以我在设计的时候是忽略了这个GND的，这也是我在上面说的没有解决的问题，我们的设计需要按照它来我这边的设置的R’为2.4k，R为3.9k；从理论上来说选择R’=R是比较方便于计算的，但是可能是由于GND没接，这个值并不是预想中的U1 = U2，虽然说这个倍数无法计算，但是我们后面选择去测量可以得到正确值
如果波形出现失真变成类似于三角波的情况，可以适当增大R’试试

2.3 交流电路

分压后的电压为有效值约0.2V-3.2V的交流信号

即最高电压为4.52V，最低电压-4.52V

我们需要将电压抬上去，用模电的说法就是让交流骑在直流上，同时让电压保持在ADC采样范围内

交流采样电路
- 这里我们选择GS6002SR这块运放芯片
- 电路原理图（来自于GS6002的芯片手册）
- 为了方便计算，我们选择让R1=R3，R2=R4，现在我的电压为±4.52V我们给Vin输入VOUT_H，Vip输入VOUT_L，当Vin为负，而Vip为正得到9.04V*R2/R1，而我们的电压要在0-3.3V所以我们的交流电压在骑在3.3V的一半即1.65V比较好，不过不用这么严苛，我们可以适当的调整，我选择的是1.56V，Vref的设计在下面的第2点，这里先说R1R2的取值，从理论上来说R1为9.1k，R2为1k，可以得到很不错的波形，但是实际用这个值的不对，根据我的实践，我选择了R1 = R2 = 5.1k，这样stm32就可以成功采集到电压
Vref提供电路

我们需要的电压为1.5V左右，我们可以选择使用gs6002中的另一块运放来提供（一块gs6002中两个运放）

可得电压为Vref = 5V * (10k / 32k) = 1.5625V
RC滤波

经历实践，我们会发现产生的信号有很多毛刺，所以我们通过第一个1k和10uF滤大毛刺，通过第二个1k和10nF滤小毛刺

2.4 原理图

原理图

2.5 PCB

注意的是交流信号容易对其他信号产生影响，所以我没有全铺铜，而是只铺铜了后面一小节
PCB

3.波形展示及计算

这是30Vrms输入时，我们这个模块的输出波形，我们可以直接利用这个波形的峰峰值算出我们模块输出的有效值，不过这里我们选择用其他方法 30Vrms_直流
这是我将示波器的耦合设置为交流的波形，这样我们就可以利用示波器直接帮我们算出其中交流信号的有效值（均方根值），这里只是一组数据，我们应该多测量一些不同的输入电压来算我们这个模块的缩小倍数，我的这个算出的是：Vout / Vin ≈ 0.0110125
30Vrms_交流