一种交流微信号的采样电路的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池阻抗测量控制领域，尤其涉及一种氢燃料电池阻抗的交流电流扰动的电流采样电路。


背景技术：

2.目前，随着燃料电池，尤其氢燃料电池技术的推广，为了能够延长燃料电池的使用寿命，越来越多的技术转向氢燃料电池的阻抗研究，燃料电池的一个重要组成部分就是质子交换膜。研究表明，质子交换膜的阻抗直接影响了燃料电池的输出特性，合理的控制质子交换膜的工作温度、进气湿度可以减小欧姆极化损失，提高质子交换膜的工作效率。
3.通过燃料电池的交流内阻可以直观的反映出电池内的空气湿度情况(温度可以直接测量)，通过内阻的变化，进行湿度调节，优化燃料电池额输出特性，可以延长使用寿命。
4.在工作状态下，额外的在燃料电池上叠加一个特定频率的交流扰动，通过采集扰动信号的电压，经过fft计算，可以计算出在当前频率下，燃料电池的交流阻抗，有助于控制系统对电堆的进气温湿度进行控制，延长交换膜的工作寿命。因此有必要设计一种针对交流电流进行采集，可将叠加在燃料电池的直流上的交流小信号进行提取。


技术实现要素：

5.本实用新型主要针对交流的电流采集进行描述，旨在设计一款电流采集电路，以将上述背景技术中叠加在直流(电池本身的电压)上的交流小信号(交流扰动)进行提取。
6.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种交流微信号的采样电路，包含：
7.第一运算放大器，第一运算放大器的同相输入端和反相输入端连接待测量的交流差分信号；
8.隔直电容，一端连接运算放大器的输出端；
9.一阶低通放大滤波电路，包含一阶低通滤波器和同相放大器，一阶低通滤波器包含第一滤波电阻和第一滤波电容，第一滤波电阻的一端连接隔直电容的另一端，第一滤波电阻的另一端一方面串接第一滤波电容后接地，另一方面连接同相放大器的输入端；
10.次级放大滤波电路，包含二级反相放大器和第二低通滤波器，第二低通滤波器包含第二滤波电阻和第二滤波电容，第一级反相放大器的输入端连接所述同相放大器的输出端，第一级反相放大器的输出端连接第二级反相放大器的输入端，第一级反相放大器所包含的运算放大器的同相输入端接地，第二级反相放大器所包含的运算放大器的同相输入端接基准电压，第二滤波电阻一端连接第二级反相放大器的输出端，第二滤波电阻的另一端一方面串接第二滤波电容后接地，另一方面作为所述采样电路的输出端。
11.进一步地，在本实用新型的交流微信号的采样电路中，所述次级放大滤波电路为多个，各个次级放大滤波电路的放大倍数不同。
12.进一步地，在本实用新型的交流微信号的采样电路中，所述运算放大器的型号为
ad8479。
13.进一步地，在本实用新型的交流微信号的采样电路中，所述隔直电容的大小为220nf。
14.进一步地，在本实用新型的交流微信号的采样电路中，所述同相放大器、第一级反相放大器以及第二级反相放大器均基于运算放大器lm2902实现。
15.进一步地，在本实用新型的交流微信号的采样电路中，所述同相放大器包括第二运算放大器，以及第一放大电阻和第二放大电阻；第二运算放大器的同向输入端连接第一滤波电阻的另一端，反向输入端一方面串接第一放大电阻后接地，另一方面串接第二放大电阻后接第二运算放大器的输出端。
16.进一步地，在本实用新型的交流微信号的采样电路中，第一放大电阻大小为43k欧姆，第二放大电阻大小为820k欧姆。
17.进一步地，在本实用新型的交流微信号的采样电路中，第一滤波电阻和第二滤波电阻大小为43k欧姆，第一滤波电容和第二滤波电容大小为4.7nf。
18.进一步地，在本实用新型的交流微信号的采样电路中，所述次级放大滤波电路为2个，第一个次级放大滤波电路的放大倍数为408倍，第二个次级放大滤波电路的放大倍数为96倍。
19.实施本实用新型的交流微信号的采样电路，具有以下有益效果：本采样电路电路结构简单，成本较低，能够准确测量燃料电池阻抗，且通过设置多个次级放大滤波电路，可以适应不同电流大小的扰动信号。
附图说明
20.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
21.图1是本实用新型的交流微信号的采样电路一实施例的电路原理图。
具体实施方式
22.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
23.参考图1，其中图1中的vaa和vee均表示工作电压，其大小可查看对应芯片的产品手册。本实施的交流微信号的采样电路包含第一运算放大器1、隔直电容2、一阶低通放大滤波电路3、次级放大滤波电路10和次级放大滤波电路11。
24.氢燃料电池电流采集通常用大电流分流器，氢燃料电池在工作时需要通常单片电压只有0.6v～0.8v之间。待测量的交流差分信号做差分采集，至于采集的信号的大小使用的分流器的型号，一般为0.05mv至1mv之间。第一运算放大器1优选为高共模电压运算放大器，分流器采集到的氢燃料电池的单体电压输入到高共模运算放大器后，通过运算放大器转换成单端电压，将需要测量的分流器上的共模电压滤除，使得信号可被后级处理电路识别。第一运算放大器1在本实施例的型号为ad8479，其同相输入端+in和反相输入端+in连接有分流器采集的待测量的交流差分信号。
25.隔直电容2一端连接运算放大器的输出端，另一端连接一阶低通放大滤波电路3的输入。第一运算放大器1输出的信号通过隔直电容2将直流信号去除。通过隔直电容2后，信
号为交流信号，由于分流器的直流电阻一般非常小，经过隔直电容2的交流电压为分流器上的交流电压，此时，该信号也非常小。在本实施例中，隔直电容2采用电容c1实现，其大小优选为220nf。
26.一阶低通放大滤波电路3包含一阶低通滤波器和同相放大器，一阶低通滤波器包含第一滤波电阻r2和第一滤波电容c2，第一滤波电阻r2的一端连接隔直电容c1的另一端，第一滤波电阻r2的另一端一方面串接第一滤波电容c2后接地，另一方面连接同相放大器的输入端。
27.同相放大器包括第二运算放大器u2a，以及第一放大电阻r3和第二放大电阻r4；第二运算放大器u2a的同向输入端连接第一滤波电阻r3的另一端，反向输入端一方面串接第一放大电阻r3后接地，另一方面串接第二放大电阻后r4接第二运算放大器的输出端。
28.一阶低通滤波器，截至频率为：
[0029][0030]
同相放大器的放大倍数由r3、r4决定，公式如下：
[0031][0032]
一阶低通滤波器的方滤波频率依照燃料电池的负载情况进行确定，用于滤除燃料电池负载的高频电流噪声，这些噪声信号一般为开关电源、电机等交流变化的脉冲信号,频率在几十khz～几百khz之间。
[0033]
作为优选地，在本实用新型的交流微信号的采样电路中，第一放大电阻大小r3为43k欧姆，第二放大电阻r4大小为820k欧姆，第一滤波电阻r2大小为43k欧姆，第一滤波电容c2大小为4.7nf，同向放大器的放大倍数约为20倍。
[0034]
次级放大滤波电路10，包含二级反相放大器和第二低通滤波器6，第二低通滤波器包含第二滤波电阻r14和第二滤波电容c8，第一级反相放大器4的输入端连接所述同相放大器3的输出端，第一级反相放大器4的输出端连接第二级反相放大器5的输入端，第一级反相放大器4所包含的运算放大器的同相输入端接地，第二级反相放大器5所包含的运算放大器的同相输入端接基准电压vref，第二滤波电阻r14一端连接第二级反相放大器5的输出端，第二滤波电阻r14的另一端一方面串接第二滤波电容c8后接地，另一方面作为所述采样电路的输出端v
cell_low
。
[0035]
二级反相放大器对同相放大器输出的交流电流信号进行放大，在本实施例中，其中第二级反相放大器5将同相端连接至基准电压vref，通过抬高基准电平，将交流电流信号由负电压抬升到0v以上，信号的最大值控制在后续adc采集范围内。实际使用过程中，vref一般连接在2.5v上。第二低通滤波器用于继续滤除燃料电池负载的高频电流噪声，以及二级反相放大器所带来的噪声，其取值可以与一阶低通滤波器的相同。
[0036]
在本实施例中，次级放大滤波电路为一个，其放大倍数为408倍。在本实用新型的另一实施例中，次级放大滤波电路为2个，即次级放大滤波电路10和次级放大滤波电路11，次级放大滤波电路11放大倍数为96倍。在本实用新型的其他实施例，次级放大滤波电路也可以为更多个，各个次级放大滤波电路的放大倍数不同，参数上将放大倍数进行了区分，用于对应不同的输入，将采样电路的输出控制在一定范围内，使得能够被后级电路正常处理。
[0037]
在本实施例的交流微信号的采样电路中，所述同相放大器、第一级反相放大器以
及第二级反相放大器均基于运算放大器lm2902实现，但本实用新型不限于该运算放大器。
[0038]
使用时，只需将vin-和vin+接入待测量的差分信号既可以实现对信号的采样，采样后的信号有adc进行模数转换，然后由单片机测得信号的电压大小。本采样电路通过三级放大，将阻抗测量的扰动电流信号放大至可采集的范围，并通过两级低通滤波器，可将扰动电流的有效交流信号频率控制在10khz以下，在测得扰动信号对应的电压后，除以扰动信号的电流(已知)即可得到阻抗。结合实际的阻抗测量方法，电流的扰动频率可以实现10khz以下的频率准确测量。
[0039]
上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。