小蔡
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来源：IT自动化交流
背景
我们有一款产品，需要检测三相电流，根据检测的电流进行设备的保护；
该产品对成本敏感，而且外壳尺寸也有限，需要尽量精简单电路设计；
综合考虑之后，我设计了以下的检测电路：
三相电流检测
电路分析
L1为电流互感器的线圈，初、次极匝数比为2000:1。
R4为互感器次极的采样电路，选为25Ω。
R2为运放反相端输入电阻，选为4.7K。
MCU工作电压3.3V经过R5、R6分压之后送入到运放的同相输入端；
R1为运放反馈端电阻，选为47K。
C1为反馈端电容，用于与R1构成低通滤波器，滤除高频干扰；
R3为MCU A/D输入端的限流电路，用于当运放与MCU不是同时上电时，限制从运放输出端经过MCU的上拉二极管向MCU供电电源上的电容的充电电流；
C2为MCU A/D输入脚的滤波电路，其作用为与R3构成低通滤波器，滤除高频干扰；
运放选用LM224，其支持单电源供电；单电源供电时，工作电源范围为:+3.0V-+30V。
同相输入的直流电平通过放大之后，给电流信号提供直流工作点；
通过运放的加、减运算将交流的电流信号抬升到直流工作点上，使得输入MCU的电压大于零；
在同相端输入的直流电压，经过运放放大之后，在运放输出端输出的直流工作点电压为：
直流工作点电压
在反相端输入的电流互感器次极信号Vin，经过运放反相放大之后，在输出端得到的电压为：
交流输出电压
根据电路叠加原理，运放总的输出电压为：
运放输出电压
通过在同相输入端输入直流电压，将输出电压的直流电平抬升至1.65V，
使得输入MCU的交流信号可以达到3.3V峰-峰值，从而可以做到最大的测试量程。
需要测试的市电电流额定真有效值为10A，经过2000:1的交流互感器，
在次极得到的电流信号额定真有效值值为5mA，经过25Ω采样电阻采样得到真有效值为75V的电压；电压峰-峰值为：75*sqrt(2)*2=212mV。
把测试量程设置为额定值的1.5倍，满量程对应的同相端输入电压的峰-峰值为212mV*1.5=318mV。
而运放输出端满量程的峰-峰值为3.3V，因此，放大倍数为3.3V/318mV=10.5。
综合上述考虑，反相端输入的交流信号的放大倍数选为10，R1选47KΩ，R2选4.7KΩ。
在供电方面，经过宽电压输入的AC-DC电源得到5V之后，再通过LDO得到3.3V电源给MCU等供电；
由于，运放为单电源5V供电，所以其输出电压范围为0V-3.5V。
而A/D端口最高电压为3.3V。
所以不需要在端口增加保护二极管进行输入高压保护。
总结
1）根据所需测试信号的额定值确定量程，根据量程以及电流互感器变比、采样电阻阻值确认运放放大倍数为10。
2）将交流信号的直流电平抬升到1.65V以获得交流信号不失真测量的最大量程，根据放大倍数11确认同相端输入的电压电压，从而选择合适的电阻阻值对3.3V的电压进行分压。这里选择2.2K和47K。
3) 运放选择单电源5V供电，节省了负电源的电路和成本，而且输入到MCU的信号不需要经过二极管钳位。
4) 反馈端电容以及A/D采样输入端电容的容值选择、滤波网络分析在后续文章中再详细讲解。
