AD630實現(xiàn)精密整流電路

　　這個電路的工作原理可以用下圖來說明。AD630內(nèi)部的兩個運放構(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。當輸入信號為正時，模擬開關(guān)打到同向放大器那端，輸入信號為負時，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。這個電路可以工作在輸入信號頻率從DC到幾百kHz的范圍內(nèi)。最佳的工作頻率范圍為 DC 到幾kHz。在這個頻段，這個電路的效果應該時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，輸入電壓為正時輸入阻抗很高，輸入電壓為負時，輸入阻抗較低。所以對信號源的輸出阻抗有一定的要求，如果輸入信號的輸出阻抗較高，需要增加一級緩沖級。

　　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點的波形為被檢測信號與載波調(diào)制后的雙邊已調(diào)制波形，B點為雙邊已調(diào)制波形和噪聲疊加后的波形，AD630的第9腳接載波信號，方波、正弦波都可行，相當與一個參考相位。AD630的輸出接一個積分電路及一個低通濾波器，以達到的信號的完美恢復。

　　AD630實現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線測量

　　1、測量原理

　　實現(xiàn)電池內(nèi)阻在線測量的基本原理如圖1所示。

　　圖1蓄電池內(nèi)阻在線測量原理框圖

　　當信號源給電池注入一個交流電流信號時，測量出在電池兩端產(chǎn)生的交流電壓信號和輸入電流，就可計算出電池的內(nèi)阻：

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

　　采用交流法測量電池內(nèi)阻，不需要對電池進行放電，從理論上講電池在任何狀態(tài)下都能對其實施測量。

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

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

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

　　當蓄電池兩端檢測到的正弦信號為Vs（t），方波參考信號為Vr（t-τ）：

　　因為電池兩端的信號頻率和參考信號基波頻率相同，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為檢測信號與參考信號相位差。

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

　　2、測量系統(tǒng)的硬件電路設計

　　依據(jù)上述原理所設計的系統(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、交流恒流信號產(chǎn)生電路、方波轉(zhuǎn)換電路、取樣電路、單片機控制系統(tǒng)以及外部顯示通訊等組成。由于蓄電池的內(nèi)阻很小，故必須降低導線阻抗對電池內(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接到電池兩端，再將電池內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓信號，連接到輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)電路。上電后，首先由單片機控制調(diào)整檢測信號和參考信號的相位差！使之為0。開始測量后，先由模擬開關(guān)CD4052選通電流測量通路，該通路在向蓄電池注入交流信號的回路中設置一標準取樣電阻，以測定交流信號的電流值;再選通電壓測量通路，測定電壓值。采集到的信號通過放大濾波等處理后送入單片機中，利用式（1）算出蓄電池的內(nèi)阻。

　　圖2電池內(nèi)阻在線測量系統(tǒng)框圖

　　2.1放大濾波電路

　　由于采集到的信號非常微弱，所以必須先進行前級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）。信號經(jīng)過其放大后，通過帶通濾波器檢測出0.4~3kHz的帶通信號，輸送到乘法器信號端。直流放大電路采用高精度運放OP27實現(xiàn)程控增益放大，放大器的反饋電阻利用模擬開關(guān)CD4052進行選擇，通過單片機控制選擇放大倍數(shù)，使信號在最佳A/D采集電壓范圍內(nèi)。

　　2.2相關(guān)運算電路

　　在設計中相關(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。

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

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

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

　　圖4AD630器件邏輯圖

　　圖5AD630實現(xiàn)相關(guān)檢測電路原理圖

　　3、實驗結(jié)果與分析

　　3.1前置放大與濾波結(jié)果分析

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

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

　　圖6AD620實現(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低通濾波器和一級高通濾波器實現(xiàn)的。低通濾波器是采用多重反饋型的LPF，如圖3中U3級所示，可解得該濾波器傳遞函數(shù)為：

　　使R1=R2=R3=R，C1=C2=C，可得：

　　由于當時通帶截止，所以由可解得截止頻率f=037/（2RC）。按照設計要求選取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，當增益為-3dB時所對應的頻率為3kHz，同理設計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設計要求連接好電路，實現(xiàn)乘法效果如圖9所示，通道3為輸入信號，通道2為參考信號，通道1為輸出信號，信號端和參考端輸入1kHz的正弦信號，輸出則為兩信號相乘的結(jié)果。經(jīng)過AD630實現(xiàn)乘法后，再將相乘后的信號送入積分器中，可將噪聲從信號中濾去，變?yōu)橹绷餍盘枴Ｔ谛盘栔谢烊?0dB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，通道4，1分別是混入噪聲和通過AD630后的信號波形;通道2為積分后的直流信號，其值等于原始信號通過相關(guān)檢測后的值。該設計很好地抑制了噪聲，在內(nèi)阻測量系統(tǒng)中可很好地將所需信號檢測出來。

　　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)測試結(jié)果分析

　　按照文中的思路方案設計制作了一套電池內(nèi)阻在線測量系統(tǒng)，并與使用stanfordSR830所測得的結(jié)果進行了對比。測試電池為使用一年左右的環(huán)宇牌12V，15A·h鉛酸蓄電池，測試結(jié)果如表1所示。由表1的測量數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)與stanfordSR830的測量結(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量的內(nèi)阻曲線圖，電池充滿電后對其進行放電，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，內(nèi)阻值變化很小，當容量降至40%以下時，則內(nèi)阻值有明顯變化，尤其在20%以下時，隨著容量的減少，內(nèi)阻值急劇增大，此時應注意對蓄電池及時進行充電，避免對蓄電池造成損害。

　　表1內(nèi)阻測試對比結(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電流對其進行充電，在充電過程中對內(nèi)阻進行在線測量。由測試結(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