怎样去设计一种双极性电压测量电路

　　一、 需求：
　　1. 测量电压范围-100V～+100V
　　2. 元器件：越简单越好
　　3. 精度：待定。
　　二、设计电路结果：
　　分压电路+电压跟随器+加法器+分压电路得到0~3.3V间的电压，再通过STM32系列芯片的ADC进行采集
　　
　　三、测量结果：
　　分别对-100V， 0V， +100V进行测试如下图：
　　100V输出2.5V，即100V对应着2.5V
　　
　　0V输出1.25V，即0V对应着1.25V
　　
　　-100V输出8.71uV约等于0V，即-100V对应着0V，所以，实际值 = （采样值 - 1.25）/（2.5 - 0）*（100 - （-100））
　　即 实际值 = （采样值 - 1.25）* 80
　　
　　四、概念及原理：
　　1. 电压测量概念：
　　电压是指电场力对电场中的单位正电荷由一点移动到另一点所作的功称为电压。电压测量是电子电路测量的一个重要内容。是许多电参量测量的基础。
　　2. 电压测量原理：
　　分直流电压测量和交流电压测量。
　　直流电压测量
　　正电压测量：通常用电阻分压法+ADC模数转换电路，后用处理器采集即可。（注：很多控制器现在已经集成了ADC模块）
　　负电压测量：通常先转换为正电压，一般用绝对值电路，或者加法器将负电压转换为正电压，然后参考正电压采集原理即可。
　　交流电测量
　　方法一：一般用桥式电路进行整流，然后滤波，再进行分压测量（参考直流正电压测量）
　　优点：电路简单，占用面积较小。
　　不足：精度难以做到精准，一般在5%左右。
　　方法二：用电流互感器或者电压互感器，转换为电流或电压后，再通过电阻分压后，通过ADC进行采集。
　　优点：精度较高。
　　不足：模块较大，占用电路板较多地方，不适合小体积产品使用。
　　已验证过的方案一电路，可以参考如下：电阻值要改下，RO11为512k，ROT为5k。
　　
　　3. 运放简介：
　　概念：参考维基百科：
　　
　　因为运放涉及的知识点太多，这里就简单介绍下运放最常用的一些原理，及常用的几个电路如：过零比较器，加法器，减法器，电压偏移电路等。
　　一个特点：输入阻抗大，输出阻抗小。
　　两大重要原则：“虚短”与“虚断”。
　　“虚短”的意思是正端和负端接近短路，即V+=V-，看起来像“短路”;
　　“虚断”的意思是流入正端及负端的电流接近于零，即I+=I-=0，看起来像断路（因为输入阻抗无穷大）。
　　
　　举几个常见电路，并对其通过虚短虚断进行分析。
　　总结的太好了，就直接摘过来了，就不再拓展了。
　　放大电路
　　反相比例放大电路
　　
　　图2.2 比例放大电路
　　图2.2是典型的比例放大电路，根据“虚短”及“虚断”法则可以很简单的计算得到结果：
　　
　　等式2.1中负号，代表输出和输入相位相差180°。
　　推导过程：
　　（1）、电流的流入等于流出，所以i1=i2+13。由“虚断”法则得知i3=0A，所以i1=i2。
　　因此，根据第一章介绍的“叠加法则”，得到：
　　
　　（2）、又根据“虚短”法则，得知运放的正负两个端等同于“短路”，所以V+=V-。而因为运放的正端子V+被R3下拉至地平面，所以V-=V+=0V，代入等式2.2可得到：
　　
　　再由等式2.3，进一步得到公式2.1，
　　
　　因为Vout与Vin成线性的比例关系，因此这个典型放大电路被称为比例放大电路。
　　关于R1，R2及R3的选值：
　　1）、R1，R2及R3应该在K级，不宜达到M级；
　　2）、R3应该等于或近似于R1与R2的并联，以消除偏置电流的影响。
　　差分放大电路
　　
　　图2.3 差分放大电路
　　图2.3为差分放大电路，它是图2.2反相比例放大电路的“变种”。类似与反相比例放大电路的分析方法，可以得到结论：
　　
　　当R1=R3并且R2=R4时，得到等式2.5。这就是此电路命名的由来，它可以对差分信号进行放大。
　　
　　同相放大电路
　　上文介绍的放大电路会引起相位翻转180°，图2.4为同相放大电路，顾名思义，输出和输入保持相同的相位。理想的运放具有输入阻抗无穷大，输出阻抗无穷小的特点，同相放大电路保持了运放的这种特性。
　　
　　图2.4 同相放大电路
　　分析图2.4，应用运放的“虚短”，可知V2=V1；此外，因为运放的“虚断”，输出电压的电流全部流经R2和R1，因此V2由R1和R2对Vout分压得到。
　　
　　因此，
　　
　　调节R2可以电路的放大倍数。
　　注意，同相放大电路的应用场合具有局限性，一般只用于直流电平的放大，不适合用于交流信号的放大，因为它会将交流信号的直流偏置电压一并放大，从而使其偏置电位发生偏移。带参考电平的反相比例放大电路在信号放大时比较有实用性。
　　
　　实际上只是在图2.3的差分放大器的基础上加一个隔直电容C1，具体原理待日后讲解有源滤波器时再分析。
　　电压跟随电路
　　
　　图2.5 电压跟随电路
　　图2.5是运放的一种特殊应用方式，很容易得到结论Vout=Vin。输出电压跟随输入电压，因此称之为“电压跟随器”。
　　电压跟随电路是图2.4同相放大电路的衍生产物，是放大倍数为1的同相放大电路。前文已介绍理想的同相放大电路的输入阻抗无穷大，输出阻抗无穷小。
　　基于此特性，电压跟随电路一般用于信号的隔离。简单举例说明，如图2.6，由R1和R2产生参考电压供给下一级电路使用，因为下一级电路的等效内阻会影响R1和R2的分压比，因此参考电压将会发生变化，如果内阻不是固定的，则此电路将无法使用。
　　
　　图2.6 不可靠的参考电压电路
　　比较可靠的设计如图2.7所示：
　　
　　图2.7 可靠的参考电压电路
　　仪器放大电路
　　
　　图2.8 仪器放大电路
　　图2.8是典型的仪器放大电路，顾名思义此方法电路使用于小信号的放大，一般用于传感器信号的放大。传感器的输出信号很小，一般只有几毫伏到几十毫伏。
　　电路由两级放大电路组成，第一级由A1，A2组成，同相输入，输入阻抗高，电路结构对称，可很好的抑制零点漂移；第二级由A3组成，良好的共模抑制比，输入阻抗高，增益在大范围内可调。
　　选值要求：R4=R5，R6=R7，R8=R9（保持电路的对称性），R3为可调电阻，用于调节电路增益。电路输入输出的关系式如下：
　　
　　推导过程：
　　实际上，仪器放大电路是前文所述的同相放大电路及差分放大电路的综合体。分析方法可以参考前文的阐述。
　　（1）、首先分析由A1和A2组成的同相放大电路。
　　由“虚短”及“虚断”原则，推导得到：
　　
　　（2）、进一步分析由A3组成的差分放大电路。
　　由“虚短”及“虚断”原则，推导得到：
　　
　　（3）、联合等式2.9和2.10得到结论：
　　
　　比较器
　　1）、简单的比较器
　　
　　图2.9 简单的比较器
　　图2.9是最简单的比较器电路，它利用的原理是“理想的运放具有无穷大的增益”。因此，V+与V-之间稍有电压差，即可引起输出的翻转。微弱的电压差经运放放大引起输出饱和。
　　
　　Av为运放的开环放大倍数（一般为100dB左右，即十万倍）。当V+大于V-时，输出为正饱和（接近VCC，但是无法达到）；当V-大于V+时，输出为负饱和（接近-VSS，但是无法达到）。连接V+至地，构成过零比较器，如图2.10所示。
　　
　　图2.10 过零比较器
　　图2.10的过零比较器虽然简单，但是并不实用，它的问题在于比较器只有一个临界电压，输入信号上的杂波易引起输出误操作，如图2.11所示。
　　
　　图2.11，信号杂波引起的比较器误操作
　　2）、迟滞比较器（The hysteresis comparator）
　　相对于上文所述的简单比较器，比较实用的是迟滞比较器，如图2.12所示。
　　
　　图2.12，迟滞比较器
　　相比简单比较器，迟滞比较器只是增加了一个电阻R2。这将引起怎样的微妙变化呢？
　　通俗地说，R2在输入与输出之间搭起了一座桥梁，输出的变化可以通过R2传递至输入，然后比较器的阈值将随输出的变化而改变，达到了磁滞的目的。
　　如果需要定量分析，所有的比较器的原理都是一样的，利用运放的放大倍速为“无穷大”，将V+与V-之间的微弱电压差进行放大，达到饱和输出。所以，首先计算比较器的临界电压值（V+），得到等式2.11。
　　
　　显然，R2的作用是将输出电压引入临界电压。因为Vout会有两种状态+Vsat和-Vsat，所以迟滞比较器也将有两个临界电压（Vth_H及Vth_L）。
　　
　　表格2.1，迟滞比较器的状态表
　　
　　表格2.1可以很好的解释迟滞比较器的工作原理，图2.8是另一种有效的表达迟滞比较器工作原理的方式。设计合适的Vth_H及Vth_L，使（Vth_H-Vth_L）大于杂波幅值，可以有效的避免因为输入信号上的杂波引起的误操作。
　　
　　图2.13，迟滞比较器的状态矢量图
　　3）、窗口比较器
　　窗口比较器用于判别输入电压是否落在某一个范围之内，图2.14是典型的窗口比较器。
　　其中，URH》URL，D1和D2不能省略，防止两个运放输出电平相反时损坏运放。比如，运放A1输出VOH，但是运放A2输出VOL，D1导通，但是D2截止，因此电流不会从A1流入A2，避免大电流损坏器件。
　　
　　图2.14，窗口比较器
　　窗口比较的工作原理如图2.15所示。
　　1）、Uin》URH》URL，A1输出UOH，A2输出UOL，D1导通，D2截止，Uout=UOH;
　　2）、Uin《URL《URH，A1输出UOL，A2输出UOH，D1截止，D2导通，Uout=UOH;
　　3）、URL《 Uin《URH，A1输出UOL，A2输出UOL，D1截止，D2截止，Uout=UOL;
　　
　　图2.15，窗口比较器的逻辑
　　五、OP07运放简介：
　　参考官网文档：
　　
　　常用的几个典型电路：
　　绝对值电路：
　　
　　尺寸：