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電池采樣電路為什么測量結果不對?

硬件那點事兒 ? 來源: 硬件那點事兒 ? 作者: 硬件那點事兒 ? 2024-11-28 15:13 ? 次閱讀

這個是上周群友在群里描述的問題,也算是很經典很容易犯的錯誤。所以再三分享給大家,希望大家注意。下面是群友的問題:

問題一:通過萬用表測量發現,電壓跟隨器輸出的電壓和電阻分壓點的電壓對應不上,但是電壓跟隨器輸出的電壓和理論計算值基本對應得上。

問題二:單片機采集回來的電壓比電壓跟隨器輸出的電壓要高一些,且不同板子讀回來的數據也不一樣。

電路圖如下,是電阻分壓網絡,然后接電壓跟隨器然后過RC濾波后給單片機ADC采集

wKgZO2dIGHqAKjqAAANSIUitVtA794.png

問題一:電池電壓為15.36V,由兩顆1%精度的電阻分壓后理論計算電壓值為1.28V(忽略電阻精度誤差),萬用表之所以測試電壓為1.25V是因為這個R5和R8組成的電阻分壓網絡的輸出阻抗太大了(根據戴維南定理可知,其輸出阻抗為200k//2.2M≈183.3k),戴維南定理見下圖,摘選自《運算放大器權威指南》第三版第9頁:

wKgZO2dIGHqAWqD-AADLheQympk348.png

根據上圖,可知這個R5和R8構成的電阻分壓網絡等效為一個串聯了183.3k電阻的,電壓值為1.28V的電壓源。雖然我們理想中的電壓檔輸入阻抗為無窮大(可以分得更多的電壓),然而一般手持式萬用表的輸入阻抗為10MΩ左右,所以這實際上是儀器誤差導致的測試電壓值偏小。仿真如下圖:

wKgZO2dIGHuAAvNXAAGo5N6deDY708.png

有其他的群友也提到了問題一是不是運放的參數導致的,不過運放的參數并不是問題一的根本原因,從LM321R的數據手冊可以看出,其輸入偏置和失調電流帶來的影響微乎其微(乘183.3kΩ后為uV級),輸入失調電壓最大也就3mV。所以運放參數帶來的誤差不大。

wKgZO2dIGHuAKEo0AAFZO1iQxGk967.png

問題二:初步考慮是基準源Vref導致的ADC計算偏差,于是問了一下群友的芯片基準源是誰提供的,群友說是3.3V電源LDO直接提供的,萬用表測量有3.33V。由于ADC公式為:Vref*ADCx/4096。所以說如果提供的Vref偏大比如3.35V,而代碼中的Vref寫的是3.3V,那勢必會造成ADC轉化后的數據偏小。不過這個又和問題二的結果不相符(問題二是ADC的測試結果偏大)。不過后來群友自己解決了這個問題,他說是由于軟件里沒有執行ADC校準函數導致的。

wKgZO2dIGHuAb0L4AAG1G5EBjX0649.png

至此,群友的問題大致就圓滿解決了。 下面我的一些對測試設備的感悟: 1.示波器的輸入阻抗一般為1MΩ,或者50Ω,有的也有10MΩ。 2.手持式萬用表電壓檔輸入阻抗一般為10MΩ,臺式萬用表例如安捷倫34401A輸入阻抗為10MΩ默認,可調為10GΩ,下電不保存(其他型號可見其說明書)。例如下圖,摘取自34401A說明書:

wKgZO2dIGHuAIFjGAAGrbwVz1yE258.png

3.就算是臺式萬用表也不止精度之分,在一些功能上更會有所不同,就例如安捷倫34401A的四線法測電阻,就沒有電阻偏移補償。而安捷倫34410A的四線法測電阻就有電阻偏移補償。這在測量一些具有熱電勢的電阻場合就會有差別(還有其他的差別,不一一列舉)。

最后感謝大家的耐心閱讀,大家對測試設備有什么比較好的心得體會也歡迎評論區留言。

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