用于拓展负载电流放大范围的电路的制作方法

本实用新型涉及一种用于拓展负载电流放大范围的电路，特别涉及一种通过多路运放切换来拓展负载电流方法范围的电路。

背景技术：

常规的负载电流大小检测，是通过采样电阻将负载的电流变化值转为电压信号后再送往单片机进行检测，如果负载电流过小，必须经过放大电路进一步放大才能达到单片机的A/D口可以辨别的程度。但是如果负载电流动态变化范围很大时，单一放大电路很容易出现小信号时可以正常放大、大信号时却出现电压饱和失真，或者出现大信号时可以正常放大、但是小信号时却因为增益过小导致负载电流变化量放大不明显而难以被单片机所检测辨别的情况，这两种情况都会造成负载电流在整个动态变化范围内不能被单片机准确判读及识别，从而造成单片机控制的失误。

技术实现要素：

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于提供了一种采用多路运放切换来拓展负载电流放大范围的新型电路，可以解决单一放大级的线性放大范围较窄、容易出现失真问题。

本实用新型所提供的一种用于拓展负载电流放大范围的电路，连接于采样电阻与后端单片机之间，所述采样电阻的第一端与负载相连，第二端接地，所述用于拓展负载电流放大范围的电路包括第一运放级单元及第二运放级单元，所述第一运放级单元包括第一运算放大器，所述第二运放级单元包括第二运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端通过第一电阻连接于采样电阻的第一端，反相输入端通过第二电阻接地，所述反相输入端还直接通过第三电阻连接于第一运算放大器的输出端，所述第三电阻与第一电容并联连接，所述第一运算放大器的输出端还直接通过第四电阻与后端单片机的第一A/D口相连；所述第二运算放大器的同相输入端连接于第一运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的反相输入端通过第五电阻接地，所述反相输入端还直接通过第六电阻连接于所述第二运算放大器的输出端，所述第六电阻与第二电容并联连接，所述第二运算放大器的输出端还通过第七电阻与后端单片机的第二A/D口相连。

进一步的，所述用于拓展负载电流放大范围的电路还包括第八电阻及第三电容，所述第一运算放大器的同相输入端还直接通过第八电阻接地，所述第三电容与第八电阻并联连接。

进一步的，所述用于拓展负载电流放大范围的电路还包括第四电容，所述第四电阻与后端单片机的第一A/D口之间的节点通过第四电容接地。

进一步的，所述用于拓展负载电流放大范围的电路还包括第五电容，所述第七电阻与后端单片机的第二A/D口之间的节点通过第五电容接地。

进一步的，所述用于拓展负载电流放大范围的电路还包括第三运放级单元，所述第三运放级单元包括第三运算放大器，所述第三运算放大器的同相输入端连接于第二运算放大器的同相输入端，所述第三运算放大器的反相输入端通过第九电阻接地，输出端通过第十电阻与其反相输入端相连，所述第十电阻与第六电容并联连接，所述第三运算放大器的输出端通过第十一电阻连接于后端单片机的第三A/D口。

进一步的，所述用于拓展负载电流放大范围的电路还包括第七电容，所述第十一电阻与后端单片机的第三A/D口之间的节点通过第七电容接地。

上述用于拓展负载电流放大范围的电路通过采样电阻将流过的负载电流转化为电压信号，然后送给后级运放单元进行放大。根据所实测的负载电流值大小，选取不会出现信号饱和失真的合适增益运放级单元进行放大，之后输出给单片机的A/D口检测。本实用新型所述的用于拓展负载电流放大范围的电路可通过选择适当的增益倍数及不同运放级单元的增益组合与接力方式，可以达到既有足够的负载电流检测灵敏度，又可以在负载电流的整个动态变化范围内都可实现线性放大，进而使单片机实现对负载电流变化的准确判读及分辨识别，最终达到对负载电流实施有效控制的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本实用新型一种用于拓展负载电流放大范围的电路的较佳实施方式的电路图。

图2是本实用新型一种用于拓展负载电流放大范围的电路的另一较佳实施方式的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

首先，在对实施例进行描述之前，有必要对本文中出现的一些术语进行解释。例如：

本文中若出现使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本实用新型的教导。

另外，应当理解的是，当提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。

在本文中出现的各种术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本实用新型的限定。除非上下文另外清楚地指出，则单数形式意图也包括复数形式。

当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。

关于实施例：

请参见图1，图1是本实用新型一种用于拓展负载电流放大范围的电路的较佳实施方式的电路图。所述用于拓展负载电流放大范围的电路连接于采样电阻R1与后端单片机之间，所述用于拓展负载电流方法范围的电路包括运算放大器U1-A、U1-B。

所述采样电阻R1的一端与负载相连，另一端接地。所述采样电阻R1与负载的节点通过电阻R2与运算放大器U1-A的同相输入端相连，所述运算放大器U1-A的同相输入端还直接通过电阻R3接地，所述电阻R3与电容C1并联连接。所述运算放大器U1-A的反相输入端通过电阻R4接地。

所述运算放大器U1-A的输出端通过电阻R5与反相输入端相连，所述电阻R5与电容C2并联连接。所述运算放大器U1-A的输出端通过电阻R6与后端单片机MCU的第一A/D口相连，所述电阻R6与单片机MCU之间的节点通过电容C3接地。

所述运算放大器U1-A的同相输入端还直接与运算放大器U1-B的同相输入端相连，所述运算放大器U1-B的反相输入端通过电阻R7接地。所述运算放大器U1-B的反相输入端与电阻R7之间的节点通过电阻R8与运算放大器U1-B的输出端相连，所述电阻R8与电容C4并联连接。所述运算放大器U1-B的输出端与电阻R8之间的节点通过电阻R9后与后端单片机MCU的第二A/D口相连。所述电阻R9与单片机MCU之间的节点通过电容C5接地。

下面对上述用于拓展负载电流放大范围的电路的工作原理进行简单的描述：

所述采样电阻R1用于将流过负载的电流IL转化为电压信号，供后级运算放大器放大。所述运算放大器U1-A及U1-B组成两级不同电压增益的同相运算放大器，用于将电阻R1采样过来的电压信号放大并输出至单片机MCU的第一及第二A/D口检测供后续程序控制。

所述运算放大器U1-A及外围器件组成低增益的运放级，所述运算放大器U1-B及外围器件组成高增益的运放级。所述运算放大器U1-A组成的运放级增益＝1+r5/r4，其中r4及r5分别表示电阻R4及R5的阻值，所述运算放大器U1-B组成的运放级增益＝1+r8/r7，其中r7及r8分别表示电阻R7及R8的阻值。根据产品在不同负载电流所对应的电压信号大小实测数据，来判断该选择哪种增益的运算放大级输出通道作为单片机MCU的A/D口的信号检测输入，以达到负载电流在所工作的整个动态变化范围内都可以得到线性放大并被单片机MCU准确判读的目标。

如果实测发现在某个负载电流时，所述低增益运放级所输出的信号(即所述单片机MCU的第一A/D口所接收的信号)接近出现饱和失真时，就必须换用所述高增益运放级的输出通道作为单片机MCU的A/D口(即所述单片机MCU的第二A/D口)的信号检测输入，以免信号失真而判读错误。

本实施方式中，所述运算放大器U1-A及U1-B为单一运放IC的内部两级运放，所述运放IC可以为LM358、LM393或LM324等内置多级运放的IC。由于LM358、LM393等运放IC的最大输出高电平与VDD端供电电压有1.2V左右的内部电压降，所以对于供电电压为vdd的单片机(其中vdd为VDD端的电压值)，为确保运放IC拥有最大限度的信号幅度放大范围，运放IC的供电电压应抬高到(vdd+1.2V)的范围，以便所述运算放大器U1-A及U1-B的输出电压最大值可以达到与单片机供电vdd一样大，进而使得单片机MCU的A/D口获得尽可能大的采样值范围，同时又不至于因为受到单片机MCU的A/D口最大采样值限制、超过vdd而出现信号测量失真。另一方面，如果所述运算放大器U1-A及U1-B所输出的电压值超过单片机MCU的最大允许电压，还可能导致单片机MCU被击穿损坏。

本实用新型所述的电路设计的关键点还在于运算放大器U1-A及U1-B的电压增益倍数选取上，必须使得运算放大器U1-A与运算放大器U1-B的运放增益形成梯次差别并有适当的交叉重叠区域，以实现负载电流IL在采样电阻R1的两端产生的采样信号在所述运算放大器U1-A的输出端信号接近出现饱和失真时，所述运算放大器U1-B开始接力放大，进而不至于在中间产生信号放大的盲区断层。所述运算放大器U1-A的增益倍数应选取使负载电流IL要求的最小值处于可以被单片机MCU的第一A/D口识别并分辨的程度，所述运算放大器U1-B的增益倍数应选取使负载电流IL要求的最大值处于可以被单片机MCU的第二A/D口识别并分辨的程度。另外，其他实施方式中，如果所述运算放大器U1-B的运放级增益还不满足负载电流IL的最大动态变化值，可以换用LM324等内置多级运放的IC再增加运放的级数。

在前面技术方案的基础上，本实施方式仅仅包括了两级运放，实际使用可以视负载电流IL的变化范围组合成更多数量的运放级数，以实现对负载电流IL各种全动态变化范围内都可以保持有效的线性放大并避免发生信号失真及误判的情况。具体来说，本实用新型所述的一种用于拓展负载电流放大范围的电路包括第一运放级单元及第二运放级单元，所述第一运放级单元包括第一运算放大器U1-A，所述第二运放级单元包括第二运算放大器U1-B，所述第一运算放大器U1-A的同相输入端通过第一电阻R2连接于采样电阻R1的第一端，反相输入端通过第二电阻R4接地，所述反相输入端还直接通过第三电阻R5连接于第一运算放大器U1-A的输出端，所述第三电阻R5与第一电容C2并联连接，所述第一运算放大器U1-A的输出端还直接通过第四电阻R6与后端单片机MCU的第一A/D口相连；所述第二运算放大器U1-B的同相输入端连接于第一运算放大器U1-A的同相输入端，所述第二运算放大器U1-B的反相输入端通过第五电阻R7接地，所述反相输入端还直接通过第六电阻R8连接于所述第二运算放大器U1-B的输出端，所述第六电阻R8与第二电容C4并联连接，所述第二运算放大器U1-B的输出端还通过第七电阻R9与后端单片机的第二A/D口相连。同时，请参考图2所示，所述用于拓展负载电流放大范围的电路还包括第三运放级单元，所述第三运放级单元包括第三运算放大器，所述第三运算放大器的同相输入端连接于第二运算放大器U1-B的同相输入端，所述第三运算放大器的反相输入端通过第九电阻接地，输出端通过第十电阻与其反相输入端相连，所述第十电阻与第六电容并联连接，所述第三运算放大器的输出端通过第十一电阻连接于后端单片机MCU的第三A/D口。

所述采样电阻R1可以根据负载电流IL的最大值及变化的稳定性选取，通常取0.1Ω～1Ω，以免与负载分压过多而造成实际负载功率的减小，电阻功率必须大于0.5W(具体功率大小需要视负载最大工作电流大小而定，取实际最大功耗的3倍左右)。所述运算放大器U1-A及U1-B的运放级增益大小可以根据负载电流IL的每个分辨档的变化大小及单片机MCU的A/D采样最小分辨率来选取，例如，对于常用的供电5V单片机、8位A/D采样分辨率的单片机，其A/D采样最小分辨率＝5V/256＝0.02V，如果基于某一档负载电流的变化稳定情况，要求可识别的波动电压应大于6个A/D值才能被单片机准确识别及档位分辨，那就要求每个分辨档的负载电流经运放级放大后输出给单片机的A/D口的电压幅度变化差异应大于0.02V×6＝0.12V，运放级的最小增益应确保每个分辨档的负载电流经采样电阻R1采样转换成的电压信号经运放级放大后可以达到这样的要求。

以上仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。