ADC前端信号调理-双极性信号转单端直流抬升/放大电路 #电赛#

一、设计背景

在2024电赛B题 单相功率分析仪 题目要求中，系统功耗不大于50mW，且使用电池供电。功耗要求限制了LDO、DCDC电源的使用，而如果直接使用电池供电意味着随着系统运行，电池电压变动，而基于电源电压的直流偏置也会漂移，从而影响测量。同时，在26 G题和以往赛题中，也有过使用单电源供电的要求。

因此，这里设计了基于TI REF30基准源的ADC前端双路直流偏置电路，搭配电赛传奇开发板LP-MSPM0G3507使用。在保证通用性前提下可以满足单电源低电压低功耗需求。

实物图：

二、设计摘要

电赛仪器仪表类题目常需要使用单片机ADC采集外部信号，而原始信号一般为双极性信号，如±5V，此时需要我们对信号进行调理，将范围偏移缩放在0-3.3V内以保护ADC。本模块是一个简单的ADC直流偏置电路。特点如下：

可选REF3033提供精确的直流电压；
使用OPA365运放为核心进行信号调理；
可选LDO——RT9013_33GB对OPA365进行供电，降低DCDC电源纹波影响；
OPA365作为轨到轨运放，使用单电源，如LDO提供的3.3V供电，可实现对后级ADC的电源级保护。
灵活的供电选择，满足如低电压低功耗需求。

OPA365具有轨到轨、高带宽、低工作电压等特性，且具有一定的容性负载驱动能力（具体参见芯片手册），十分适合用来驱动ADC。不过美中一点不足的是Vos稍高，Typ为±0.4mV，不过对于3.3V供电12bit ADC影响不算太大。
基本介绍如下：

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LDO选用RT9013-33GB的好处是 1. 具有关断功能，在单片机ADC空闲窗口可切断硬件电路供电，保障低功耗要求。（这里直接接了VCC，需要单片机的GPIO来使能的话自己改下PCB引出）2. 不像AMS1117需要使用昂贵的钽电容，外围电路简单，RT9013本身性能也不错（如果你是坚定的1117党自己改下PCB）。手册参考设计如下：

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当然，你可以使用不同的基准芯片提供你想要的直流偏置,如使用REF3012输出1.2V。REF30xx手册参考设计如下：

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三、硬件电路组成

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供电可选单5V，具体选择视LDO、REF和运放芯片供电范围而定。这里是双路ADC直流抬升电路，上下两路一致。OPA192为基准源输出做跟随（选个Vos低点、单位增益稳定的就行，比如OPA227）。视情况也可以不加跟随（看芯片手册REF的输出电流），用一坨锡把运放焊盘连起来就行。LDO也可不焊，使用跳线帽H1使用VCC电源电压。可配置为同相加法和反相加法两种模式。

同相加法。接R1（1kΩ）、R8（1kΩ）。要注意的是这里OPA365做跟随的话输出衰减一半，可配置R3、R4阻值调节增益，C3保证只放大交流不放大直流偏置，不过某些情况下可能改变交流特性。REF基准电路部分R7不接。此时直流偏置为REF输出的一半，如选用REF3033，直流偏置刚好为1.65V，完美。

反相加法。接R9、R3。REF输出需经R6、R7分压输入OPA365同相端。如果要进行增益配置，需要进行较为复杂的阻值计算。

从上面的讨论可以发现，直接耦合电路的优点是无需电容器介入，可以实现低至 0Hz 的信号放大。但相应的也带来计算复杂，多级静态动态相互影响，调整较为困难等缺点。
而交流耦合电路，优缺点刚好相反。在不要求直流放大的情况下，只需要计算交流增益，所以可以在前级电路输出串联一个电容（或者自己改下PCB在IN处加一个电容），毕竟计算还是比较累人的。但有时直流分量是有效信号，这时建议增益交给前级或后续模块，本模块只做直流抬升。