AD630實(shí)現(xiàn)精密整流電路

　　這個(gè)電路的工作原理可以用下圖來說明。AD630內(nèi)部的兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成了增益為2的同向與反向放大器，然后用模擬開關(guān)來切換這兩路。當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，模擬開關(guān)打到同向放大器那端，輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，模擬開關(guān)打到反向放大器那端。

　　上面的電路的增益為2，利用AD630還可以實(shí)現(xiàn)其他倍數(shù)的增益。這里不多介紹了，有需要的可以參考AD630的芯片手冊(cè)。這個(gè)電路可以工作在輸入信號(hào)頻率從DC到幾百kHz的范圍內(nèi)。最佳的工作頻率范圍為 DC 到幾kHz。在這個(gè)頻段，這個(gè)電路的效果應(yīng)該時(shí)這些精密整流電路中最好的。上述電路的輸入阻抗隨輸入電壓的極性變化，輸入電壓為正時(shí)輸入阻抗很高，輸入電壓為負(fù)時(shí)，輸入阻抗較低。所以對(duì)信號(hào)源的輸出阻抗有一定的要求，如果輸入信號(hào)的輸出阻抗較高，需要增加一級(jí)緩沖級(jí)。

　　AD630的鎖相放大電路

　　AD630的鎖相放大電路示意圖如圖2所示。

　　A點(diǎn)的波形為被檢測(cè)信號(hào)與載波調(diào)制后的雙邊已調(diào)制波形，B點(diǎn)為雙邊已調(diào)制波形和噪聲疊加后的波形，AD630的第9腳接載波信號(hào)，方波、正弦波都可行，相當(dāng)與一個(gè)參考相位。AD630的輸出接一個(gè)積分電路及一個(gè)低通濾波器，以達(dá)到的信號(hào)的完美恢復(fù)。

　　AD630實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)量

　　1、測(cè)量原理

　　實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻在線測(cè)量的基本原理如圖1所示。

　　圖1蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)量原理框圖

　　當(dāng)信號(hào)源給電池注入一個(gè)交流電流信號(hào)時(shí)，測(cè)量出在電池兩端產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)和輸入電流，就可計(jì)算出電池的內(nèi)阻：

　　式中：Vrms為電池兩端交流電壓信號(hào)的有效值;Irms為輸入電池中交流電流信號(hào)的有效值。

　　采用交流法測(cè)量電池內(nèi)阻，不需要對(duì)電池進(jìn)行放電，從理論上講電池在任何狀態(tài)下都能對(duì)其實(shí)施測(cè)量。

　　在實(shí)際測(cè)量中，由于電池的內(nèi)阻在微歐或毫歐級(jí)，注入一定的電流后，在電池兩端產(chǎn)生的電壓信號(hào)非常微弱，往往被噪聲淹沒，放大后再測(cè)量，用交流電壓表很難區(qū)分出來有用的信號(hào)，需要用相關(guān)檢測(cè)的原理，才能測(cè)量出電池兩端的交流電壓信號(hào)。

　　運(yùn)用相關(guān)器檢測(cè)微弱信號(hào)的原理如圖1中相關(guān)檢測(cè)部分所示，它由開關(guān)式乘法器和積分器組成，蓄電池兩端檢測(cè)到的微弱信號(hào)經(jīng)過前置放大濾波后輸入到乘法器信號(hào)輸入端，注入蓄電池的正弦波信號(hào)通過電路變換形成方波信號(hào)后，輸入到乘法器參考信號(hào)端。若電池兩端的有用信號(hào)為Vs（t），混入的噪聲為n1（t），則輸入端的混合信號(hào)為f1（t）=Vs（t）+n1（t）;參考端的有用信號(hào)為Vr（t-τ）;當(dāng)混入的噪聲為n2（t-τ），則參考端的混合信號(hào)為f2（t-τ）=Vr（t-τ）+n2（t-τ）。

　　根據(jù)相關(guān)檢測(cè)的原理，通過乘法器相乘運(yùn)算，信號(hào)和噪聲、噪聲和噪聲之間是互相獨(dú)立的，它們的相關(guān)函數(shù)為零，只有信號(hào)和信號(hào)相關(guān)，且可從噪聲中檢出。具體可表示為：

　　當(dāng)蓄電池兩端檢測(cè)到的正弦信號(hào)為Vs（t），方波參考信號(hào)為Vr（t-τ）：

　　因?yàn)殡姵貎啥说男盘?hào)頻率和參考信號(hào)基波頻率相同，即ωr=ωs，積分器的輸出為：

　　式中：K只與積分器的傳輸系數(shù)有關(guān);φ為檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位差。

　　如果調(diào)整φ=0，則輸出直流信號(hào)達(dá)到最大值，充分說明，通過乘法器和積分器以后，抑制了噪聲。在輸入信號(hào)和電路傳輸系數(shù)一定的情況下，輸出信號(hào)的大小只與電池的內(nèi)阻成比例，只要測(cè)出蓄電池兩端交流電壓值和通過蓄電池的交流電流值，就能計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。

　　2、測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

　　依據(jù)上述原理所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，由通路選擇開關(guān)電路、前置放大帶通濾波器、AD630乘法器電路、積分器電路、交流恒流信號(hào)產(chǎn)生電路、方波轉(zhuǎn)換電路、取樣電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)以及外部顯示通訊等組成。由于蓄電池的內(nèi)阻很小，故必須降低導(dǎo)線阻抗對(duì)電池內(nèi)阻的影響，因此采用四引線連接法。系統(tǒng)輸出的交流恒流信號(hào)接到電池兩端，再將電池內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓信號(hào)，連接到輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)電路。上電后，首先由單片機(jī)控制調(diào)整檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的相位差！使之為0。開始測(cè)量后，先由模擬開關(guān)CD4052選通電流測(cè)量通路，該通路在向蓄電池注入交流信號(hào)的回路中設(shè)置一標(biāo)準(zhǔn)取樣電阻，以測(cè)定交流信號(hào)的電流值;再選通電壓測(cè)量通路，測(cè)定電壓值。采集到的信號(hào)通過放大濾波等處理后送入單片機(jī)中，利用式（1）算出蓄電池的內(nèi)阻。

　　圖2電池內(nèi)阻在線測(cè)量系統(tǒng)框圖

　　2.1放大濾波電路

　　由于采集到的信號(hào)非常微弱，所以必須先進(jìn)行前級(jí)放大濾波再輸入相關(guān)器中。如圖3所示，低噪聲前置放大器由儀用放大器AD620和帶通濾波器組成。

　　圖3前置信號(hào)放大電路原理圖

　　AD620是一種高性能儀器放大器，性能穩(wěn)定，增益可調(diào)，其放大倍數(shù)由1腳和8腳之間的電阻RG決定，G=1+（49.4kΩ/RG）。信號(hào)經(jīng)過其放大后，通過帶通濾波器檢測(cè)出0.4~3kHz的帶通信號(hào)，輸送到乘法器信號(hào)端。直流放大電路采用高精度運(yùn)放OP27實(shí)現(xiàn)程控增益放大，放大器的反饋電阻利用模擬開關(guān)CD4052進(jìn)行選擇，通過單片機(jī)控制選擇放大倍數(shù)，使信號(hào)在最佳A/D采集電壓范圍內(nèi)。

　　2.2相關(guān)運(yùn)算電路

　　在設(shè)計(jì)中相關(guān)器采用AD公司生產(chǎn)的AD630，這是一款高精度的平衡調(diào)制器，內(nèi)部電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩(wěn)定性。

　　它的信號(hào)處理應(yīng)用包括平衡調(diào)制和解調(diào)、同步檢測(cè)、相位檢測(cè)、正交檢波、相敏檢測(cè)、鎖定放大和方波乘法等。

　　AD630邏輯圖如圖4所示，其內(nèi)部可以被認(rèn)為是集成了兩個(gè)前置放大器，一個(gè)用來選通前置放大器的精密比較器，一個(gè)作為多路選擇開關(guān)以及輸出級(jí)積分運(yùn)算放大器。擁有高切換速度和快速穩(wěn)定的線性放大器，由于比較器的響應(yīng)時(shí)間快速，可使開關(guān)失真降至最低。此外，還有極低的通道間串?dāng)_。AD630通常用于高精度的信號(hào)處理以及動(dòng)態(tài)范圍寬的儀器設(shè)備。在鎖相放大電路中，當(dāng)其用作同步解調(diào)器時(shí)，可以恢復(fù)在100dB噪聲背景下的微弱信號(hào)。AD630最優(yōu)的工作頻率是在1kHz，故注入蓄電池的信號(hào)和參考信號(hào)選為1kHz，同時(shí)1kHz也處于適宜的電池內(nèi)阻頻率響應(yīng)范圍，不過其在零點(diǎn)幾兆赫茲時(shí)仍然可正常工作。

　　采用AD630作為乘法器實(shí)現(xiàn)的相關(guān)檢測(cè)電路原理圖如圖5所示。其中，AMPA和AMPB分別配置為正相放大器和反相放大器。輸入信號(hào)為一路待檢測(cè)信號(hào)和一路參考信號(hào)。待檢測(cè)信號(hào)通過1腳送入，參考信號(hào)通過9腳輸入到比較放大器。待檢測(cè)信號(hào)在器件內(nèi)部根據(jù)載波信號(hào)的正負(fù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)乘法功能。

　　圖4AD630器件邏輯圖

　　圖5AD630實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測(cè)電路原理圖

　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3.1前置放大與濾波結(jié)果分析

　　設(shè)計(jì)中前置放大要求為100倍，根據(jù)AD620中RG計(jì)算公式RG=49.4kΩ/（G-1）計(jì)算出RG為499Ω。

　　在此對(duì)電容誤差為#5%，電阻誤差為±1%的放大電路使用Multisim軟件進(jìn)行仿真，如圖6所示，通道A為輸入信號(hào)，通道B為經(jīng)過AD620放大后的輸出信號(hào)，若輸入信號(hào)有效值為13.621mV，則輸出為1.36*8V，可實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的放大。

　　圖6AD620實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定放大波形

　　3.2帶通濾波結(jié)果分析

　　帶通濾波是通過一級(jí)低通濾波器和一級(jí)高通濾波器實(shí)現(xiàn)的。低通濾波器是采用多重反饋型的LPF，如圖3中U3級(jí)所示，可解得該濾波器傳遞函數(shù)為：

　　使R1=R2=R3=R，C1=C2=C，可得：

　　由于當(dāng)時(shí)通帶截止，所以由可解得截止頻率f=037/（2RC）。按照設(shè)計(jì)要求選取R=20kΩ，C=1nF，仿真得到其頻率特性如圖7所示。

　　圖7低通濾波器的頻率特性

　　由圖7可看出，當(dāng)增益為-3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率為3kHz，同理設(shè)計(jì)的高通濾波器頻率特性如圖8所示。

　　圖8高通濾波器的頻率特性

　　3.3AD630結(jié)果分析

　　按照AD630設(shè)計(jì)要求連接好電路，實(shí)現(xiàn)乘法效果如圖9所示，通道3為輸入信號(hào)，通道2為參考信號(hào)，通道1為輸出信號(hào)，信號(hào)端和參考端輸入1kHz的正弦信號(hào)，輸出則為兩信號(hào)相乘的結(jié)果。經(jīng)過AD630實(shí)現(xiàn)乘法后，再將相乘后的信號(hào)送入積分器中，可將噪聲從信號(hào)中濾去，變?yōu)橹绷餍盘?hào)。在信號(hào)中混入30dB的噪聲，通過以AD630為核心的相關(guān)器檢波如圖10所示，使通道3為原始信號(hào)，通道4，1分別是混入噪聲和通過AD630后的信號(hào)波形;通道2為積分后的直流信號(hào)，其值等于原始信號(hào)通過相關(guān)檢測(cè)后的值。該設(shè)計(jì)很好地抑制了噪聲，在內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)中可很好地將所需信號(hào)檢測(cè)出來。

　　圖9AD630乘法器輸入/輸出波形

　　圖10相關(guān)器檢波性能

　　3.4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

　　按照文中的思路方案設(shè)計(jì)制作了一套電池內(nèi)阻在線測(cè)量系統(tǒng)，并與使用stanfordSR830所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。測(cè)試電池為使用一年左右的環(huán)宇牌12V，15A·h鉛酸蓄電池，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)與stanfordSR830的測(cè)量結(jié)果基本吻合。

　　圖11是一只6V，4.5A·h的蓄電池放電過程中在線測(cè)量的內(nèi)阻曲線圖，電池充滿電后對(duì)其進(jìn)行放電，放電電流選擇為650mA。放電過程中內(nèi)阻值逐漸增大，在放電的初期內(nèi)阻變化率很小，到后期開始有明顯的變化。在蓄電池剩余容量為50%以上時(shí)，內(nèi)阻值變化很小，當(dāng)容量降至40%以下時(shí)，則內(nèi)阻值有明顯變化，尤其在20%以下時(shí)，隨著容量的減少，內(nèi)阻值急劇增大，此時(shí)應(yīng)注意對(duì)蓄電池及時(shí)進(jìn)行充電，避免對(duì)蓄電池造成損害。

　　表1內(nèi)阻測(cè)試對(duì)比結(jié)果

　　圖11蓄電池內(nèi)阻的放電特性

　　圖12為蓄電池充電過程中的內(nèi)阻曲線圖。將蓄電池放電至截止電壓后，選取200mA電流對(duì)其進(jìn)行充電，在充電過程中對(duì)內(nèi)阻進(jìn)行在線測(cè)量。由測(cè)試結(jié)果可看出，充電過程與放電過程的變化正好相反，剛開始內(nèi)阻先急劇減小，然后緩慢變化，最后幾乎不變。同樣內(nèi)阻的變化說明了容量的變化。

　　圖12蓄電池內(nèi)阻的充電特性