在開關電源中，電流采樣是非常重要的。常用的電流采樣計算方法有平均值采樣法和有效值采樣法。現將這兩種電流采樣算法進行分析比較。

硬件連接示意圖

交流220V通過全橋整流濾波后變為直流310V，直流310V給后端負載供電，采樣電阻Rs串聯在直流回路的地線中。

當設備工作時，電流從整流橋正極流出經過負載，然后經過采樣電阻Rs回到整流橋負極。由于采樣電阻Rs的阻值很小，采樣電阻上的壓降只有零點幾伏，所以采樣電阻不會對負載造成影響。由于采樣電阻上的壓降很小，MCU不能直接使用，所以通過放大電路，將采樣電阻上的電壓放大到MCU能直接識別的范圍內，然后通過MCU上的ADC口直接讀取放大電路出來的電壓信號，就能計算出輸入電流值的大小。這樣只需通過一個采樣電阻同時結合軟件的算法，就能計算出電源輸入電流大小，簡化了硬件電路，節約了開發成本，同時又縮短了開發周期。

平均值采樣：

通過MCU的ADC輸入口，直接讀取采樣到的電壓值。將采樣到N個數據直接求算數平均值。

軟件流程如下：

圖2

程序開始采樣后，每采樣一次就累加一次采樣個數，當采樣個數小于N時，繼續采樣，當采樣個數大于N時，計算N個采樣值的累加和，再求出N個采樣數據的算術平均值。然后復位采樣個數計數器，繼續進行下一次采樣。這個平均值就可以用來計算當前電源輸入電流值。

采樣個數N的值根據不同的波形選擇不同的大小，選取原則是，要保證采樣的值至少要包含輸入電流波形的一個周期。這樣才能保證將波形中的最大值和最小值都能采樣到，計算出來的平均值才能更準確。

軟件核心代碼如下：

u16 get_ave( void )

{

    static  u8  cnt = 0;

    static u32 sum = 0;

    static u16 ave = 0;

    if( cnt < N)

    {

        sum += ReadVol_CH4();                 //采樣值累加和

        cnt++;

    }

    if( cnt >= N)

    {

        ave = sum / N;                                //計算算術平均值

        cnt = 0;

        sum = 0;

    }

    return ave;

}

采樣數據分析：

通過函數發生器產生一個幅度為0.2V--2V，頻率為100Hz的正弦波。用來模擬電源輸入電流波形，將函數發生器產生的正弦波直接送入MCU的ADC采樣端口。

用示波器觀察輸入波形入下圖所示：

圖3

由于MCU采樣的數據不好觀察，所以將ADC口采樣的數據通過串口發送出來，然后將數據繪制成曲線，通過觀察曲線的波動來判斷采樣值的穩定性。

MCU采樣數據及曲線如下圖所示：

圖4

MCU采樣的數據最大值為472，最小值為467。MCU的ADC分辨率為10位，可以計算出ADC的最大采樣值為2^10=1024。MCU為5V供電，可以計算出采樣值的電壓為

472/1024*5=2.3046875       467/1024*5=2.2802734375

通過計算可知ADC采樣值在2.28V到2.3V之間波動。

由圖3示波器上所測Vavg=2.22V可知，送入ADC口的波形平均值是2.22V，MCU通過平均值采樣計算出來的值在2.28V到2.3V之間。說明MCU計算的值基本準確。通過圖4中綠色的數據采樣波形也可以看出，MCU計算的平均值有輕微的波動。

將輸入波形幅度降低到0.5V--1.5V測試，輸入波形如下圖所示：

圖5

MCU采樣數據及曲線如下圖所示：

圖6

MCU采樣最大值為425，最小值為421，換算為電壓值為

425/1024*5=2.0751953125         421/1024*5=2.0556640625

MCU采樣值在2.05V到2.07V之間。由圖5示波器所測Vavg=2.02V可知送入ADC口的波形平均值是2.02V。可以看出，MCU采樣的值已經比較接近實際值了。通過圖6中綠色的數據波形可以看出，平均值波動比較小。

通過上面兩組測試對比可以發現，當ADC口輸入波形的幅值降低，MCU計算出來的平均值就比較接近輸入波形真實的平均值。

采樣時間分析：

MCU采樣一是要求準確性，二是要求實時性。也就是說不僅要采樣準確，而且要采樣速度快，能及時反應輸入電流變化。上面已經驗證了采樣的準確性，下來開始驗證采樣的實時性。由于MCU采樣的速度比較快，很難直接觀測到采樣一次需要多長時間，這里采用LED指示燈的亮滅來間接觀測ADC采樣一次需要的時間。LED亮--->采樣一次數據--->LED滅--->采樣一次數據--->LED亮--->采樣一次數據，這樣一直循環。每次采樣前讓LED指示燈的狀態變化一次，這樣LED燈從亮到滅，從滅到亮的過程中都是采樣了一次數據。然后用示波器觀察LED燈高低電平的時間，就可以間接的看出，采樣一次數據花費的時間了。相關代碼如下：

While(1)

{

    LED3 = 1;                    //LED 亮

    val = get_ave();               //采樣    

    LED3 = 0;                    //LED 滅

    val = get_ave();               //采樣

}

示波器測試LED波形如下圖所示：

圖7

通過示波器測量值可以看到 +wid=60us    -wid=59us 說明LED高電平時長為60us，低電平時長為59us。通過LED電平可以間接的看出，采樣一次數據MCU所耗費的時間為60us左右。

有效值采樣：

通過MCU的ADC輸入口，直接讀取采樣到的電壓值。將采樣到一個周期的數據求平方累加和，然后累加和求平均值，最后在開方。所求的結果就是均方根值，也就是有效值。

軟件流程如下：

圖8

程序開始采樣后，計時器開始計時，當計時時間小于T，就繼續采樣。當計時時間大于T時，結束采樣。然后將采樣值取平方，再求累加和，然后再將累加和進行開方運算。所求的值就是在采樣T時間內電流波形的均方根值,也就是有效值。這個有效值值就可以用來計算當前電源輸入電流值的有效值。

采樣時間T的值根據不同的波形選擇不同的大小，選取原則是，要保證采樣的值為輸入電流波形的一個周期。這樣計算出來的值就是周期均方根值，最接近輸入波形真實有效值。

軟件核心代碼如下：

u16 get_rms( void )

{

    static u16 ave_value = 0;

    u16 tem_time = 0;

    u8 cnt = 0, num = 0;

    u32 sum = 0, value = 0;

    u16 rms = 0;

    while( cnt <= T)                            //采樣一個周期

    {

        if( tem_time != time_cnt )

        {

            tem_time = time_cnt;

            cnt++;

        }

        value = ReadVol_CH4();

        sum += value * value;

        num++;

    }

    rms = (u16)sqrt( sum / num );                 //求均方根值

    ave_value = rms;

    return ave_value;

}

采樣數據分析：

通過函數發生器產生一個幅度為0.2V--2V，頻率為100Hz的正弦波。用來模擬電源輸入電流波形，將函數發生器產生的正弦波直接送入MCU的ADC采樣端口。

用示波器觀察輸入波形入下圖所示：

圖9

MCU采樣數據及曲線如下圖所示：

圖10

MCU采樣最大值為536，最小值為504。計算采樣電壓值為

536/1024*5=2.6171875               504/1024*5=2.4609375

通過計算可以看出，MCU采樣值在2.62V和2.46V之間波動。

由圖9示波器波形可以看出，輸入波形有效值Vrms=2.56V，MCU采樣計算出的有效值在真實的有效值上下波動，由圖10中綠色波形可以看出采樣值波動情況。

將輸入波形幅度降低到0.5V--1.5V測試，輸入波形如下圖所示：

圖11

MCU采樣數據曲線如下圖所示：

圖12

MCU采樣最大值為447，最小值為428。計算采樣電壓值為

447/1024*5=2.1826171875    428/1024*5=2.08984375

通過計算可以看出，MCU采樣值在2.18V和2.08V之間波動。

由圖9示波器波形可以看出，輸入波形有效值Vrms=2.15V，MCU采樣計算出的有效值在真實的有效值上下波動，由圖11中綠色波形可以看出采樣值波動情況。

通過上面兩組測試對比可以發現，當ADC口輸入波形的幅值降低，MCU計算出來的有效值精度無明顯變化，計算的有效值都在真實的有效值上下波動。說明有效值的計算不受波形幅值的影響。

采樣時間分析：

由于MCU采樣的速度比較快，很難直接觀測到采樣一次需要多長時間，這里同樣采用LED指示燈的亮滅來間接觀測ADC采樣一次需要的時間。LED亮--->采樣一次數據--->LED滅--->采樣一次數據--->LED亮--->采樣一次數據。每次采樣前讓LED指示燈的狀態變化一次，這樣LED燈從亮到滅，從滅到亮的過程中都是采樣了一次數據。然后用示波器觀察LED燈高低電平的時間，就可以間接的看出，采樣一次數據花費的時間了。相關代碼如下：

while( 1 )

{

    LED3 = 1;                    //LED 亮

    val = get_rms();                   //采樣  

    LED3 = 0;                    //LED 滅

    val = get_rms();                   //采樣

}

示波器測試LED波形如下圖所示：

通過示波器觀測可以看到 +wid=10.4ms    -wid=10ms  說明LED高電平時長為10.4ms，低電平時長為10ms。通過LED電平可以間接的看出，采樣一次數據MCU所耗費的時間為10ms左右。

結論：

通過上面平均值采樣和有效值采樣的分析對比可以看出。平均值采樣耗時比較短，采樣速度快，但是和輸入波形關系比較大，輸入波形幅度越小，采樣值與實際值誤差越小。有效值采樣耗時比較長，采樣速度慢，但是不受輸入波形幅度影響。

結合在實際項目中的應用經驗來看，若采樣的波形為直流或者畸變很小的交流，同時對系統的實時性要求比較高的情況下，可以考慮用平均值采樣法。若設備的運行環境比較復雜，輸入波形在不同的環境下會發生不同畸變，同時對系統的實時性要求不高的話，可以考慮用有效值采樣法。有效值采樣相當于計算的是輸入波形的面積，所以不論現場環境多復雜，輸入波形發生多嚴重的畸變。通過有效值采樣法計算出來的電流值，最接近真實值。所以在開關電源電路中用有效值采樣法計算的電流值比平均值采樣法計算的電流值穩定性要好。