[Arduino] ADC测量交流电*

Posted 2023-02-25

参考技术A

ADC（Analog to Digital Converter）是模拟转数字采样器。Arduino的ADC口只能测量直流电，即0.0v ~ REFv(REF ≥ 0.0)，但有时我们需要测量-REFv ~ +REFv的交流电，如音频信号，那就变得尴尬了~=￣ω￣=

让交流音频信号可被Arduino测量：

在Arduino中对畸变的信号还原：

如下图所示：

共射极放大电路可以为信号添加一个固定的直流偏置电压，使信号完全偏移到正电压上，另外它也可以放大信号的电压，满足Arduino ADC接口的测量标准。

上面的电路为固定偏置共射极放大电路。我们计算的共射极放大电路中使用到的三极管是NPN型三极管，它有三个极：

三极管有两种半导体类型：

三极管的放大倍数：

我们一般计算一个放大电路的参数，会把里面的电流都控制到一个静态的点上去计算，这样可以避开复杂的电流变化带来的计算上的麻烦。而我们输入端有个阻隔直流的电容C，所以信号静止不变时，能够输入放大电路的电压就为0v了，这就引入了静态工作点的参数估算，习惯上也把它称作Q点。

因为输入放大电路的电压为0v，所以这个时候在三极管基极 b (阀门端)上输入的电压就只有电阻R _b 上的电压V _b 了，此时我们就知道了流入三极管基极 b (阀门端)的电流I _b

进而由三极管VT放大后输出的电流I _c 为

所以三极管VT输出的电压V _ce 为

一般情况下，V _cc 和VT的放大倍数β都已经事先确定，所以接下来要确认的是分压电阻R _c 和偏置电阻R _b 。

电源电流通过偏置电阻R _b 流入三极管VT基极 b (阀门端)的电流是 I _b = Vcc / R _b ，在三极管VT的集电极 c 和发射极 e 之间就会产生一个 β * I _b *倍的电流，经过电阻R _e 的转换，在电阻R _e 两端就会得到一个电压V _e ，这就是偏置电压。

偏置电压负责处于正负半周上的信号提高到正半周，使信号在任何时候都不会有电压为负的情况出现。

所以我们调整偏置电阻R _b 的目的也就明了了，我们要调整一个足够的偏置电压，使得信号在任何时候都不会有负电压，但也不能调整得太大，使信号的最高电压超过三极管VT的放大极限，出现 饱和 的情况（因为饱和部分其实会被“削顶”，而不是像下面的示意图一样好好活着~）

因为三极管VT的放大系数β会随着温度的升高而升高，即通过集电极 c 与发射极 e 之间的电流I _ce 会增加，从而流向基极 b 的电流I _b 会减少，这就造成偏置电压降低。
这会让偏置并放大后的音频信号上下浮动，而且可能造成"削顶"失真。

要解决这个问题，我们需要改良放大电路，为分压式偏置共射极放大电路，如下图。

我们添加了电阻R _b2 和电阻R _e 来平衡偏置电压。
偏置电阻R _b1 和R _b2 把电源电压V _cc 按电阻比例稳定的分为两部分，输入三极管VT基极 b (阀门端)的电压V _b 也由偏置电阻R _b1 和R _b2 的分压值决定，所以V _b 是稳定的。
此时，如果三极管VT温度上升，通过集电极 c 与发射极 e 之间的电流I _ce 会增加，那么电阻R _e 的电压V _e 也会上升，三极管VT的基极 b 和发射极 e 之间的压降就下降了，所以流入三极管基极 b 的电流I _b 也降低了，从而降低了偏置电压，使偏置电压处于稳定状态。

三极管VT的基极 b 的电压V _b 为

三极管VT的发射极 b 的电流I _e 为

三极管VT的集电极 c 与发射极 e 之间压降V _ce 为

[未完，但要不要待续咧~←_←]

运放输入阻抗高，输出阻抗低，放大倍数高，做ADC的信号匹配再合适不过了~

如果使用运放来适配ADC采集交流电信号，做到如下两级就通常就足够了:

加法器 → 反向放大器