一、 需求：
1. 測量電壓范圍-100V～+100V
2. 元器件：越簡單越好
3. 精度：待定。
二、設(shè)計電路結(jié)果：
分壓電路+電壓跟隨器+加法器+分壓電路得到0~3.3V間的電壓，再通過STM32系列芯片的ADC進行采集
三、測量結(jié)果：
分別對-100V, 0V, +100V進行測試如下圖：
100V輸出2.5V，即100V對應(yīng)著2.5V
0V輸出1.25V，即0V對應(yīng)著1.25V
-100V輸出8.71uV約等于0V，即-100V對應(yīng)著0V，所以，實際值 = (采樣值 - 1.25)/(2.5 - 0)*(100 - (-100))
即 實際值 = (采樣值 - 1.25)* 80
四、概念及原理：
1. 電壓測量概念：
電壓是指電場力對電場中的單位正電荷由一點移動到另一點所作的功稱為電壓。電壓測量是電子電路測量的一個重要內(nèi)容。是許多電參量測量的基礎(chǔ)。
參考：https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E5%8E%8B%E6%B5%8B%E9%87%8F/12605747
2. 電壓測量原理：
分直流電壓測量和交流電壓測量。
直流電壓測量
正電壓測量：通常用電阻分壓法+ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，后用處理器采集即可。(注：很多控制器現(xiàn)在已經(jīng)集成了ADC模塊)
負電壓測量：通常先轉(zhuǎn)換為正電壓，一般用絕對值電路，或者加法器將負電壓轉(zhuǎn)換為正電壓，然后參考正電壓采集原理即可。
交流電測量
方法一：一般用橋式電路進行整流，然后濾波，再進行分壓測量(參考直流正電壓測量)
優(yōu)點：電路簡單，占用面積較小。
不足：精度難以做到精準，一般在5%左右。
方法二：用電流互感器或者電壓互感器，轉(zhuǎn)換為電流或電壓后，再通過電阻分壓后，通過ADC進行采集。
優(yōu)點：精度較高。
不足：模塊較大，占用電路板較多地方，不適合小體積產(chǎn)品使用。
已驗證過的方案一電路，可以參考如下：電阻值要改下，RO11為512k，ROT為5k。
3. 運放簡介：
概念：參考維基百科：
因為運放涉及的知識點太多，這里就簡單介紹下運放最常用的一些原理，及常用的幾個電路如：過零比較器，加法器，減法器，電壓偏移電路等。
一個特點：輸入阻抗大，輸出阻抗小。
兩大重要原則：“虛短”與“虛斷”。
“虛短”的意思是正端和負端接近短路，即V+=V-,看起來像“短路”;
“虛斷”的意思是流入正端及負端的電流接近于零，即I+=I-=0,看起來像斷路(因為輸入阻抗無窮大)。
舉幾個常見電路，并對其通過虛短虛斷進行分析。
參考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/27595184
總結(jié)的太好了，就直接摘過來了，就不再拓展了。
放大電路
反相比例放大電路
圖2.2 比例放大電路
圖2.2是典型的比例放大電路，根據(jù)“虛短”及“虛斷”法則可以很簡單的計算得到結(jié)果：
等式2.1中負號，代表輸出和輸入相位相差180°。
推導過程：
(1)、電流的流入等于流出，所以i1=i2+13。由“虛斷”法則得知i3=0A，所以i1=i2。
因此，根據(jù)第一章介紹的“疊加法則”，得到：
(2)、又根據(jù)“虛短”法則，得知運放的正負兩個端等同于“短路”，所以V+=V-。而因為運放的正端子V+被R3下拉至地平面，所以V-=V+=0V，代入等式2.2可得到：
再由等式2.3，進一步得到公式2.1，
因為Vout與Vin成線性的比例關(guān)系，因此這個典型放大電路被稱為比例放大電路。
關(guān)于R1,R2及R3的選值：
1)、R1,R2及R3應(yīng)該在K級，不宜達到M級;
2)、R3應(yīng)該等于或近似于R1與R2的并聯(lián)，以消除偏置電流的影響。
差分放大電路
圖2.3 差分放大電路
圖2.3為差分放大電路，它是圖2.2反相比例放大電路的“變種”。類似與反相比例放大電路的分析方法，可以得到結(jié)論：
當R1=R3并且R2=R4時，得到等式2.5。這就是此電路命名的由來，它可以對差分信號進行放大。
同相放大電路
上文介紹的放大電路會引起相位翻轉(zhuǎn)180°，圖2.4為同相放大電路，顧名思義，輸出和輸入保持相同的相位。理想的運放具有輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小的特點，同相放大電路保持了運放的這種特性。
圖2.4 同相放大電路
分析圖2.4，應(yīng)用運放的“虛短”，可知V2=V1;此外，因為運放的“虛斷”，輸出電壓的電流全部流經(jīng)R2和R1，因此V2由R1和R2對Vout分壓得到。
因此，
調(diào)節(jié)R2可以電路的放大倍數(shù)。
注意，同相放大電路的應(yīng)用場合具有局限性，一般只用于直流電平的放大，不適合用于交流信號的放大，因為它會將交流信號的直流偏置電壓一并放大，從而使其偏置電位發(fā)生偏移。帶參考電平的反相比例放大電路在信號放大時比較有實用性。
實際上只是在圖2.3的差分放大器的基礎(chǔ)上加一個隔直電容C1,具體原理待日后講解有源濾波器時再分析。
電壓跟隨電路
圖2.5 電壓跟隨電路
圖2.5是運放的一種特殊應(yīng)用方式，很容易得到結(jié)論Vout=Vin。輸出電壓跟隨輸入電壓，因此稱之為“電壓跟隨器”。
電壓跟隨電路是圖2.4同相放大電路的衍生產(chǎn)物，是放大倍數(shù)為1的同相放大電路。前文已介紹理想的同相放大電路的輸入阻抗無窮大，輸出阻抗無窮小。
基于此特性，電壓跟隨電路一般用于信號的隔離。簡單舉例說明，如圖2.6，由R1和R2產(chǎn)生參考電壓供給下一級電路使用，因為下一級電路的等效內(nèi)阻會影響R1和R2的分壓比，因此參考電壓將會發(fā)生變化，如果內(nèi)阻不是固定的，則此電路將無法使用。
圖2.6 不可靠的參考電壓電路
比較可靠的設(shè)計如圖2.7所示：
圖2.7 可靠的參考電壓電路
儀器放大電路
圖2.8 儀器放大電路
圖2.8是典型的儀器放大電路，顧名思義此方法電路使用于小信號的放大，一般用于傳感器信號的放大。傳感器的輸出信號很小，一般只有幾毫伏到幾十毫伏。
電路由兩級放大電路組成，第一級由A1,A2組成，同相輸入，輸入阻抗高，電路結(jié)構(gòu)對稱，可很好的抑制零點漂移;第二級由A3組成，良好的共模抑制比，輸入阻抗高，增益在大范圍內(nèi)可調(diào)。
選值要求：R4=R5,R6=R7,R8=R9(保持電路的對稱性)，R3為可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)電路增益。電路輸入輸出的關(guān)系式如下：
推導過程：
實際上，儀器放大電路是前文所述的同相放大電路及差分放大電路的綜合體。分析方法可以參考前文的闡述。
(1)、首先分析由A1和A2組成的同相放大電路。
由“虛短”及“虛斷”原則，推導得到：
(2)、進一步分析由A3組成的差分放大電路。
由“虛短”及“虛斷”原則，推導得到：
(3)、聯(lián)合等式2.9和2.10得到結(jié)論：
比較器
1)、簡單的比較器
圖2.9 簡單的比較器
圖2.9是最簡單的比較器電路，它利用的原理是“理想的運放具有無窮大的增益”。因此，V+與V-之間稍有電壓差，即可引起輸出的翻轉(zhuǎn)。微弱的電壓差經(jīng)運放放大引起輸出飽和。
Av為運放的開環(huán)放大倍數(shù)(一般為100dB左右，即十萬倍)。當V+大于V-時，輸出為正飽和(接近VCC，但是無法達到);當V-大于V+時，輸出為負飽和(接近-VSS，但是無法達到)。連接V+至地，構(gòu)成過零比較器，如圖2.10所示。
圖2.10 過零比較器
圖2.10的過零比較器雖然簡單，但是并不實用，它的問題在于比較器只有一個臨界電壓，輸入信號上的雜波易引起輸出誤操作，如圖2.11所示。
圖2.11，信號雜波引起的比較器誤操作
2)、遲滯比較器(The hysteresis comparator)
相對于上文所述的簡單比較器，比較實用的是遲滯比較器，如圖2.12所示。
圖2.12，遲滯比較器
相比簡單比較器，遲滯比較器只是增加了一個電阻R2。這將引起怎樣的微妙變化呢?
通俗地說，R2在輸入與輸出之間搭起了一座橋梁，輸出的變化可以通過R2傳遞至輸入，然后比較器的閾值將隨輸出的變化而改變，達到了磁滯的目的。
如果需要定量分析，所有的比較器的原理都是一樣的，利用運放的放大倍速為“無窮大”，將V+與V-之間的微弱電壓差進行放大，達到飽和輸出。所以，首先計算比較器的臨界電壓值(V+)，得到等式2.11。
顯然，R2的作用是將輸出電壓引入臨界電壓。因為Vout會有兩種狀態(tài)+Vsat和-Vsat,所以遲滯比較器也將有兩個臨界電壓(Vth_H及Vth_L)。
表格2.1，遲滯比較器的狀態(tài)表
表格2.1可以很好的解釋遲滯比較器的工作原理，圖2.8是另一種有效的表達遲滯比較器工作原理的方式。設(shè)計合適的Vth_H及Vth_L，使(Vth_H-Vth_L)大于雜波幅值，可以有效的避免因為輸入信號上的雜波引起的誤操作。
圖2.13，遲滯比較器的狀態(tài)矢量圖
3)、窗口比較器
窗口比較器用于判別輸入電壓是否落在某一個范圍之內(nèi)，圖2.14是典型的窗口比較器。
其中，URH>URL，D1和D2不能省略，防止兩個運放輸出電平相反時損壞運放。比如，運放A1輸出VOH，但是運放A2輸出VOL,D1導通，但是D2截止，因此電流不會從A1流入A2,避免大電流損壞器件。
圖2.14，窗口比較器
窗口比較的工作原理如圖2.15所示。
1)、Uin>URH>URL，A1輸出UOH,A2輸出UOL，D1導通，D2截止，Uout=UOH;
2)、Uin
3)、URL< Uin
圖2.15，窗口比較器的邏輯
五、OP07運放簡介：
參考官網(wǎng)文檔：
常用的幾個典型電路：
絕對值電路：
尺寸：
下載文檔
