电流、电压采样电路的硬件方案涉及多个方面，包括采样方法的选择、具体硬件器件的选用以及相关电路的设计等。以下是对电流、电压采样电路硬件方案的详细探讨：

一、电流采样电路硬件方案

电流采样电路的主要目的是获取电路中的电流值，以便进行后续的处理或控制。常见的电流采样方法包括电阻采样法、霍尔传感器法和集成电路方案等。

1.1 电阻采样法

原理：利用一个采样电阻与电路串联，通过测量采样电阻两端的电压降来计算电流值。
优点：原理简单，成本较低，设计方便。
缺点：采样电阻具有一定的功率损耗，且高精度的电阻温度漂移较严重，可能影响测量精度。

例如：无刷电机电流采样的三种方式

案例1：在线电流采样

在线电流检测技术是最易用和精确的一种。采样电阻与电机相串联，无论PWM占空比的状态如何，在这些采样电阻上测量的电流都是电机相位电流。因此，这种方法非常适合于 Arduino 设备，因为adc可以在任何时候进行采样以获得电流，并且adc采集持续时间与其他电流传感方法同样重要。这种方法的短板在于硬件上，这种电流检测结构要求高精度双向放大器具有比常规低侧或高侧放大器更好的PWM抑制。

案例2：低侧电流采样

低侧电流检测可能是最常见的电流检测技术。主要原因是它既不需要高性能PWM抑制电流检测放大器（如在线检测放大器），也不需要支持高压的放大器（如高侧放大器）。采样电阻始终置于低侧MOSFET和地之间，确保放大器的端子上始终具有非常低的电压。这种方法的主要缺点是，由于只有相应的低侧mosfet开启时，通过采样电阻的电流才是相电流，而我们只能在这些时刻测量到相电流。PWM频率通常为20至50 kHz，这意味着低侧MOSFET每秒开关20000至50000次，因此PWM设置和ADC采集之间的同步非常重要。

案例3：高侧电流采样

高侧电流检测可能是本库（指开源文档Document (simplefoc.cn)）所讨论的三种电流检测中最不常见的一种。主要原因是因为它需要有支持高压的放大器。采样电阻位于高侧MOSFET和电源之间，会令放大器始终会有高压差。这种方法的另一个缺点是，由于只有相应的高侧mosfet开启时，通过采样电阻的电流才是相电流，而我们只能在这些时刻测量到相电流。PWM频率通常为20至50 kHz，这意味着低侧MOSFET每秒开关20000至50000次，因此PWM设置和ADC采集之间的同步非常重要。

1.2 霍尔传感器法

原理：利用霍尔效应，将电流的大小转换为霍尔电压，从而进行电流测量。
优点：测量范围大，功率损耗小。
缺点：成本较高，占用空间较大，且在测量小电流时需要使用较大的偏置电压，容易引起误差。

1.3 集成电路方案

原理：使用专门的电流采样集成电路，如AD8210、INA282、INA240等，这些集成电路内部集成了差分放大器、仪表放大器等电路，能够实现对电流的高精度测量。
优点：测量精度高，集成度高，使用方便。
缺点：成本相对较高，且需要一定的设计经验和电路调试技巧。

例如：AD8210典型应用

在典型应用中，AD8210放大由负载电流通过分流电阻产生的小差分输入电压。AD8210抑制高共模电压(高达65V)，并提供接地参考缓冲输出，与模数转换器(ADC)接口。

AD8210由两个主要模块组成，一个差分放大器和一个仪表放大器。负载电流流经外部分流电阻，在AD8210的输入端产生电压。输入端通过R1和R2连接到差分放大器(A1)。A1通过Q1和Q2来调节经过R1和R2的电流，以消除其自身输入端出现的电压。当AD8210的输入信号为0V时，R1和R2的电流相等。当差分信号非零时，电流通过一个电阻增大，另一个电阻减小。电流差与输入信号的大小和极性成正比。

通过Q1和Q2的差分电流通过R3和R4转换成差分电压。A2配置为仪表放大器。差分电压通过A2转换成单端输出电压。增益通过精密的微调薄膜电阻器设置为 20 V/V。

输出参考电压可以通过VREF1引脚和VREF2引脚轻松调节。典型配置中，VREF1接Vcc，VREF2接GND。在这种情况下，当输入信号为0V时，输出为Vcc/2。

Figure 27为AD8210的简化原理图：

AD8210的一个典型应用是作为h桥电机控制回路的一部分。在这种情况下，AD8210被放置在h桥的中间（见Figure 36）。当h桥开关和电机改变方向时，AD8210测量两个方向的电流。此时，AD8210的输出配置为外部参考双向模式（External Reference Bidirectional Mode）。

【双向模式（Bidirectional Operation）】

双向操作允许AD8210在两个方向上测量通过电阻分流的电流。输出偏移量可以在输出范围内的任何地方设置。通常情况下，它被设置在一半的尺度，在两个方向上的测量范围相等。然而，在某些情况下，当双向电流不对称时，它被设置在半标度以外的电压。

External Reference Output（外部参考输出）

当没有差分输入时，将两个VREF引脚连接到外部参考电压上，会在参考电压处产生输出偏置（参见Figure 30）。当输入相对于-IN引脚为负时，输出从参考电压向下移动。当输入相对于-IN引脚为正时，输出增加。

二、电压采样电路硬件方案

电压采样电路的主要目的是获取电路中的电压值，以便进行监测、控制或保护等操作。常见的电压采样方法包括电阻分压法、运算放大器电路等。

2.1 电阻分压法

原理：利用电阻的分压作用，将待测电压降低到一个适合测量的范围内，然后通过ADC（模数转换器）进行采样和转换。
优点：原理简单，成本低廉。
缺点：分压电阻的精度和稳定性会影响测量精度，且在大电压范围测量时可能需要使用高阻值的电阻，增加了电路的不稳定性。

2.2 运算放大器电路

原理：使用运算放大器构建差分放大电路或仪表放大电路，对待测电压进行放大和调理，然后输出给ADC进行采样和转换。
优点：测量精度高，能够抑制共模干扰和噪声，适用于微弱信号的测量。
缺点：电路相对复杂，需要一定的设计经验和调试技巧，且成本相对较高。

三、硬件器件选用与设计建议

3.1 ADC的选用

选择具有高分辨率、低功耗和高速转换能力的ADC，如TLV2543等。
根据测量精度和速度要求，选择合适的采样率和分辨率。

3.2 电路设计与优化

在电流采样电路中，注意采样电阻的选择和布局，以减少功率损耗和温度漂移的影响。
在电压采样电路中，注意运算放大器的选型和电路的稳定性设计，以确保测量精度和稳定性。
合理布局和布线，避免干扰和噪声对测量精度的影响。

3.3 保护措施

在电流采样电路中，加入过流保护电路，以防止电流过大时损坏电路或设备。
在电压采样电路中，加入限压保护电路，以防止电压过高时损坏ADC或其他电路元件。

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