基于运算放大器TLC2274的模数采样方案的实现

引言

在绝大多数电机调速以及其它控制系统中都要用到电流采样，以用于电流反馈控制。目前在高性能的电机变频调速系统中，数字信号处理品（DSP）越来越多地被使用。其中以德州仪器（TI）公司TMS320C/LF240（X）为代表的C2000系列的DSP用得较多。现有的电流采样方法大多采用文献［2］的模数采样方案，如下图1所示：

图1（b）图1（c）图1（d）

图1所示方案的原理是：首先用电流互感器或电流传感器（如瑞士LEM公司的LTS系列传感器等）采样两相电流值；然后将采样结果经运算放大器使电流值变换到-2.5~+2.5v 的电压区间中，最后再加上+2.5v的电压偏移量形成0~5v的电压送给DSP采样。这种方法的优点是电路简单，易实现，但其不足之处是采样精度低、误差大。如图1（b）， 交流相电流的其中一个峰值转换为直流电压时一个为5v，一个为0v，由于电压死区的存在，使得0v 附近的出现较大误差。

新的电流采样方案

新的电流采样方案中采用的运算放大器是TLC2274。TLC2274是德州仪器公司用先进的LinCMOS工艺制造，具有Rail-to-Rail输出能力的高性能四运算放大器，它比目前常用的CMOS运放有更好的噪声、功耗和输入失调电压性能。TLC2274所具有的低噪声和高输入阻抗非常适宜用于诸如电压/电流传感器之类的小信号的计算、放大。而且它的最低工作电压可以低至正负2.2V 。

基于下列电路，如图2所示。图2中为一个双减法电流采样电路，第一路运放U8B的输出电压为：

选R2 = R1， R3 = Rf1，

则有

图2 双减法电流采样电路

同理可得第二路运放U8A的输出为：

其主要思路为：LEM传感器输出的Ui=v，此电压先后施加到由TLC2274构成的两个减法电路上，第一路以Ui减去传感器采样结果的中值参考电压Uref （2.5v）， 然后再线性放大到DSP的A/D采样所要求的电压范围（0~Ud）。对于TMS320C/F20x和C/F24x 系列的DSP，Ud的值为5v；对于TMS320LC/F240x Ud为3.3v。第二路则相反，用中值参考电压Uref 减去传感器输出电压Ui，同样也线性放大到合适的电压范围。Z1，Z2为两个3.3v的稳压二极管，对运放输出电压起到限幅作用。当Ui值大于Uref 时，Uo1输出为正电压，且电压范围是0~Ud，而由于二极管D2的存在使得电流不能注入到运放中，故而第二路运放不能输出负电压，而是钳位在0v；当Ui值小于Uref 时，Uo2输出为正电压，同样而由于二极管D1的存在使得第一路运放不能输出负电压，也是钳位在0v。在一个正弦周期内的某一时刻只会有一路信号输出0~Ud的电压，这比图1中的方法采样窗口要宽一倍，从而提高了采样精度。

两路输出分别送给DSP中两个A/D采样通道，但只有一路输出值是有用的，我们可以编程区分出有用的信号。软件流程如图3：

图3 软件流程图

这样两相电流实际需要4路A/D通道，比图1中的方法要多用两个A/D采样通道，而目前DSP提供的A/D采样通道足够多的，以TMS320LF2407（A） 为例，其有16路A/D通道。B相电流采样电路与A相相同，这样我们就可以用一片TLC2274来实现两相电流的采样了。DSP实现的子程序已附于文后。

电路的改进

通过实验不难发现，TLC2274可以在单电源供电的情况下工作，那么图2所示的双减法电路可以做一些改进。由于TLC2274是Rail-to-Rail输出的，所以我们可以直接用系统的3.3v为其提供工作电压Vcc，而Vdd处可以直接接地。将D1，D2，Z1，Z2去掉后再做实验验证，其工作还是正常的。但这样做以后采样精度有所降低，所以建议还是用正负双电源供电。

附AD 采样子程序

.bss Uo1， 1

.bss Uo2， 1 ;A相电流中间值

.bss Uo3， 1

.bss Uo4， 1 ;B相电流中间值

.bss Ia， 1 ; A相电流

.bss Ib， 1 ; B相电流

.bss Ic， 1 ; C相电流

; 。.. ;设上述变量在同一个DP内

ADC_Proc：

CALL　StartADC ;调用AD采样程序

CLRC　C

LDP　#Uo1

LACL　Uo1

SUB　Uo2

BCND　AP1， C ;Uo1》Uo2

LACL　Uo2

NEG　　; Uo2取反

B　AP2

AP1： LACL　Uo1

AP2： SACL　Ia ;得到Ia

。..

RET

StartADC：

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