一種多模式採集電路的製作方法
2023-12-10 04:26:26 1
專利名稱：一種多模式採集電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及模擬信號測量採集電路，尤其涉及一種基於差分輸入的多模式採集電路。傳統的模擬測量採集電路通常針對某一特定的物理量進行設計，按照被測信號的類型可以分為電流測量電路、電壓測量電路、傳感器測量電路等；按照被測信號的大小又可以分為強信號測量電路和微弱信號測量電路。
如
圖1所示為採集高電壓信號模式的電路原理圖。當輸入信號時，電阻R1、電阻R3、電阻R5構成分壓電路，對輸入的高電壓進行分壓；後級差分運算電路再對電阻R5上的電壓進行調理和採集。
如圖2所示，當R5的阻值比較大(比如1KΩ以上)時，該電路為採集微小電壓信號模式；所輸入的微小電壓信號直接加在電阻R5上，然後輸入到後級差分運算電路。當電阻R5的阻值範圍為10Ω～200Ω時，即電阻R5的阻值較小時，該電路為採集電流信號模式，電阻R5直接對電流信號進行採樣，再由後級差分運算電路對電阻R5上的電壓進行採集；或者如圖3所示，當電阻R5的阻值較大時，在其兩端並聯一個阻值較小的電阻R2，使R5與R2並聯的阻值範圍為10Ω～200Ω，當輸入電流信號時，通過電阻R2與電阻R5並聯對電流信號進行採樣，再由後級差分運算電路對電阻R2與電阻R5並聯所輸出的電壓進行採集。
如圖4所示為採集電流型傳感器信號模式的電路原理圖。對於二線制電流型的溫度傳感器，該電路能夠提供一個為溫度傳感器供電的電源，即POWER+和POWER-；電流主要路徑為POWER+→R4→傳感器→R5→POWER-，由於電阻R4的限流，對電源輸出提供了保護，在溫度傳感器產生相應的電流後，由電阻R5進行採樣，再輸出電壓由後級差分運算電路進行採集計算。
因此根據通常的設計，在一塊電路板上實現多種信號的採集模式將導致電路體積大、成本高，而且電路設計複雜，可靠性降低。本發明要解決的技術問題是提供一種多模式採集電路，將多種信號的採集電路集於一體，簡化了電路上的設計。
本發明是通過下面的技術方案來實現的一種多模式採集電路，包括前級基本配置電路和後級差分運算電路，所述前級基本配置電路包括第一電阻、第三電阻、第五電阻、所述前級基本配置電路的第一輸入端通過第一電阻連接所述差分運算電路的正輸入端；所述前級基本配置電路的第二輸入端通過第三電阻連接所述差分運算電路的負輸入端；第五電阻跨接在所述差分運算電路的正輸入端和負輸入端之間；所述前級基本配置電路還包括第三開關和第五開關；第三開關與第三電阻並聯，第五開關與第一電阻並聯。
本發明的一種改進在於所述前級基本配置電路還包括第二電阻和第二開關，所述第二電阻和第二開關組成的串聯支路一端與所述差分運算電路的正輸入端耦合，另一端與所述差分運算電路的負輸入端耦合。
本發明的另一種改進在於所述前級基本配置電路還包括第一開關、第四開關與第四電阻，所述第四電阻與第四開關所組成的串聯支路一端連接所述前級基本配置電路的第二輸入端，另一端接電源正極；所述第一開關的一端連接所述差分運算電路的負輸入端，另一端接電源負極。
本發明的另一種改進在於所述前級基本配置電路還包括第一開關、第四開關與第四電阻，所述第四電阻與第四開關所組成的串聯支路一端連接所述前級基本配置電路的第一輸入端，另一端接電源正極；所述第一開關的一端連接所述差分運算電路的正輸入端，另一端接電源負極。
本發明的另一種改進在於所述前級基本配置電路還包括第六開關、第七開關和第一電容，所述第五電阻的兩端通過第六開關與第一電容並聯，第一電容的兩端通過第七開關跨接在所述差分運算電路的正輸入端和負輸入端之間。
所述的第一電容為飛電容。
所述的第六開關、第七開關是小信號繼電器或光繼電器。
由於採用以上的技術方案，將多種信號採集電路集於一個電路之中，使得電路的體積小；同時使電路中元件的利用率提高；電路採集模式切換方便，操作簡單，提高了電路的可靠性；後級是差分輸入採樣電路，相對於一般的A/D採樣電路，差分採樣電路能夠提高採樣的抗幹擾性，而採用了飛電容採樣電路可以進一步提高系統的採集精度和抗幹擾性；同時提供了電氣隔離，當有多個這樣的採集通道共同存在的時候，還可以實現各個採集通道之間的電氣隔離，這樣對於需要隔離測量的物理量是相當安全的，使該電路應用的範圍更廣、更方便。圖1是採集高電壓信號模式的電路原理圖。
圖2是採集微小電壓信號模式或採集電流信號模式的電路原理圖。
圖3是採集電流信號模式的電路原理圖。
圖4是採集電流型傳感器信號模式的電路原理圖。
圖5是本發明實施例一的基本電路原理圖。
圖6a是本發明實施例二的基本電路原理圖。
圖6b是本發明實施例二的另一種基本電路原理圖。
圖6c是本發明實施例二的另一種基本電路原理圖。
圖6d是本發明實施例二的另一種基本電路原理圖。
圖7是本發明實施例三的基本電路原理圖。
圖8是本發明實施例四的基本電路原理圖。實施例一、如圖5所示，一種多模式採集電路，包括前級基本配置電路I和後級差分運算電路II，所述前級基本配置電路I包括第一電阻R1、第三電阻R3、第五電阻R5、所述前級基本配置電路I的第一輸入端X1+通過第一電阻R1連接所述差分運算電路II的正輸入端；所述前級基本配置電路I的第二輸入端X1-通過第三電阻R3連接所述差分運算電路II的負輸入端；第五電阻R5跨接在所述差分運算電路II的正輸入端和負輸入端之間；所述前級基本配置電路I還包括第三開關J3和第五開關J5；第三開關J3與第三電阻R3並聯，第五開關J5與第一電阻R1並聯。
該電路中集成了採集高電壓信號和採集微小電壓信號兩種模式採集電路，當第三開關J3和第五開關J5斷開時，其電路為如圖1所示的採集高電壓信號模式，第一電阻R1、第三電阻R3、第五電阻R5構成分壓電路，對輸入的高電壓進行分壓，後級差分運算電路再對第五電阻R5上的電壓進行調理和採集；當第三開關J3和第五開關J5閉合時，其電路為如圖2所示的採集微小電壓信號模式，所輸入的微小電壓信號直接加在第五電阻R5上，然後輸入到後級差分運算電路。
實施例二、如圖6a、圖6b、圖6c和圖6d所示，該電路是在實施例一的基礎之上增加了第二電阻R2和第二開關J2組成的串聯支路，該串聯支路一端接所述前級基本配置電路I的第一輸入端X1+，另一端接所述差分運算電路II的負輸入端，或者該串聯支路與所述的第五電阻R5並聯，或者該串聯支路一端接所述差分運算電路II的正輸入端，另一端所述前級基本配置電路I的第二輸入端X1-，或者該串聯支路跨接在所述前級基本配置電路I的第一輸入端X1+和第二輸入端X1-之間。
該電路中集成了採集高電壓信號、採集微小電壓信號和採集電流信號三種模式採集電路，當第二開關J2斷開時，其電路如實施例一的圖5所示集成了採集高電壓信號模式和採集微小電壓信號模式；當第二開關J2、第三開關J3和第五開關J5閉合時，其電路為如圖3所示的採集電流信號模式，第二電阻R2與第五電阻R5並聯對電流信號進行採樣，再由後級差分運算電路對第二電阻R2與第五電阻R5並聯所輸出的電壓進行採集。在電路中集成了上述的三種採集模式，第五電阻R5的阻值比較大，比如阻值在1KΩ以上，對於採集微小電壓信號模式和採集電流信號模式電路來說，如果在第五電阻R5的兩端並聯阻值較小的第二電阻R2，使第五電阻R5與第二電阻R2的並聯阻值範圍為10Ω～200Ω時，電路就由採集微小電壓信號模式變成採集電流信號模式。
實施例三、如圖7所示，該電路是在實施例一的基礎之上增加了第一開關J1、第四開關J4與第四電阻R4，所述第四電阻R4與第四開關J4所組成的串聯支路一端連接所述前級基本配置電路I的第二輸入端X1-，另一端接電源正極POWER+；所述第一開關J1的一端連接所述差分運算電路II的負輸入端，另一端接電源負極POWER-。
或者，所述第四電阻R4與第四開關J4所組成的串聯支路一端連接所述前級基本配置電路I的第一輸入端X1+，另一端接電源正極POWER+；所述第一開關J1的一端連接所述差分運算電路II的正輸入端，另一端接電源負極POWER-；也是可行的。
該電路中集成了採集高電壓信號、採集微小電壓信號和採集電流型傳感器信號三種模式採集電路，當第一開關J1和第四開關J4斷開時，其電路如實施例一的圖5所示集成了採集高電壓信號模式和採集微小電壓信號模式；當第一開關J1、第四開關J4和第五開關J5閉合且第三開關J3斷開時，其電路為如圖4所示的採集電流型傳感器信號模式，譬如對於二線制電流型的溫度傳感器，該電路能夠提供一個為溫度傳感器供電的電源，即POWER+和POWER-；其中，傳感器sensor接在所述前級基本配置電路I的第一輸入端X1+和第二輸入端X1-之間，電流主要路徑為POWER+→R4→傳感器→R5→POWER-，由於電阻R4的限流，對電源輸出提供了保護，溫度傳感器產生相應的電流後，由第五電阻R5進行採樣，再輸出電壓由後級差分運算電路進行採集計算。
實施例四、如圖8所示，一種多模式採集電路，包括前級基本配置電路I和後級差分運算電路II，所述前級基本配置電路I包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第一開關J1、第二開關J2、第三開關J3、第四開關J4、第五開關J5；所述前級基本配置電路I的第一輸入端X1+通過第一電阻R1連接所述第五電阻R5的一端，所述前級基本配置電路I的第二輸入端X1-通過第三電阻R3連接所述第五電阻R5的另一端，該端通過第二電阻R2和第二開關J2組成的串聯支路與所述前級基本配置電路I的第一輸入端X1+相連，該端還通過第一開關J1與電源負極POWER-相連，所述的第五開關J5與第一電阻R1並聯，所述第三開關J3與第三電阻R3並聯，所述第四電阻R4與第四開關J4所組成的串聯支路一端連接所述前級基本配置電路I的第二輸入端X1-，另一端接電源正極POWER+；所述前級基本配置電路I還包括第六開關SW1、第七開關SW2和第一電容C1，所述第五電阻R5的兩端通過第六開關SW1與第一電容C1並聯，第一電容C1的兩端通過第七開關SW2跨接在所述差分運算電路II的正輸入端和負輸入端之間。
該電路中集成了四種模式採集電路，當第一開關J1、第二開關J2、第三開關J3、第四開關J4和第五開關J5都斷開時，電路為採集高電壓信號模式；當第一開關J1、第二開關J2和第四開關J4斷開且第三開關J3和第五開關J5閉合時，電路為採集微小電壓信號模式；當第一開關J1和第四開關J4斷開且第二開關J2、第三開關J3和第五開關J5閉合時，電路為採集電流信號模式；當第二開關J2和第三開關J3斷開且第一開關J1、第四開關J4和第五開關J5閉合時，電路為採集電流型傳感器信號模式。
上述第一開關J1、第二開關J2、第三開關J3、第四開關J4和第五開關J5可以是跳線，也可是繼電器。
所增加的第六開關SW1、第七開關SW2和第一電容C1，是差分隔離輸入的一種實現形式——飛電容採樣電路。它的作用是實現被測系統與測量系統之間的電氣隔離，提高測量精度、抗幹擾性和安全性。當有多個這樣的採集通道共同存在的時候，還可以實現各個採集通道之間的電氣隔離，這樣對於需要隔離測量的物理量是相當安全的，其中第一電容C1是飛電容，第六開關SW1和第七開關SW2是開關，比如可以是小信號繼電器或者光繼電器OptoMOS。
權利要求
1.一種多模式採集電路，包括前級基本配置電路(I)和後級差分運算電路(II)，所述前級基本配置電路(I)包括第一電阻(R1)、第三電阻(R3)、第五電阻(R5)、所述前級基本配置電路(I)的第一輸入端(X1+)通過第一電阻(R1)連接所述差分運算電路(II)的正輸入端；所述前級基本配置電路(I)的第二輸入端(X1-)通過第三電阻(R3)連接所述差分運算電路(II)的負輸入端；第五電阻(R5)跨接在所述差分運算電路(II)的正輸入端和負輸入端之間；其特徵在於所述前級基本配置電路(I)還包括第三開關(J3)和第五開關(J5)；第三開關(J3)與第三電阻(R3)並聯，第五開關(J5)與第一電阻(R1)並聯。
2.根據權利要求1所述的一種多模式採集電路，其特徵在於所述前級基本配置電路(I)還包括第二電阻(R2)和第二開關(J2)，所述第二電阻(R2)和第二開關(J2)組成的串聯支路一端與所述差分運算電路(II)的正輸入端耦合，另一端與所述差分運算電路(II)的負輸入端耦合。
3.根據權利要求1所述的一種多模式採集電路，其特徵在於所述前級基本配置電路(I)還包括第一開關(J1)、第四開關(J4)與第四電阻(R4)，所述第四電阻(R4)與第四開關(J4)所組成的串聯支路一端連接所述前級基本配置電路(I)的第二輸入端(X1-)，另一端接電源正極(POWER+)；所述第一開關(J1)的一端連接所述差分運算電路(II)的負輸入端，另一端接電源負極(POWER-)。
4.根據權利要求1所述的一種多模式採集電路，其特徵在於所述前級基本配置電路(I)還包括第一開關(J1)、第四開關(J4)與第四電阻(R4)，所述第四電阻(R4)與第四開關(J4)所組成的串聯支路一端連接所述前級基本配置電路(I)的第一輸入端(X1+)，另一端接電源正極(POWER+)所述第一開關(J1)的一端連接所述差分運算電路(II)的正輸入端，另一端接電源負極(POWER-)。
5.根據權利要求1至4的任意一項所述的一種多模式採集電路，其特徵在於所述前級基本配置電路(I)還包括第六開關(SW1)、第七開關(SW2)和第一電容(C1)，所述第五電阻(R5)的兩端通過第六開關(SW1)與第一電容(C1)並聯，第一電容(C1)的兩端通過第七開關(SW2)跨接在所述差分運算電路(II)的正輸入端和負輸入端之間。
6.根據權利要求5所述的一種多模式採集電路，其特徵在於所述的第一電容(C1)為飛電容。
7.根據權利要求5所述的一種多模式採集電路，其特徵在於所述的第六開關(SW1)、第七開關(SW2)是小信號繼電器或光繼電器。
全文摘要
本發明公開了一種多模式採集電路，涉及模擬信號測量中的一種基於差分輸入的多模式採集電路。該電路包括前級基本配置電路和後級差分運算電路，所述前級基本配置電路包括第一電阻、第三電阻、第五電阻、所述前級基本配置電路的第一輸入端通過第一電阻連接所述差分運算電路的正輸入端；所述前級基本配置電路的第二輸入端通過第三電阻連接所述差分運算電路的負輸入端；第五電阻跨接在所述差分運算電路的正輸入端和負輸入端之間；所述前級基本配置電路還包括第三開關和第五開關；第三開關與第三電阻並聯，第五開關與第一電阻並聯。本發明將多種信號採集電路集於一個電路之中，使得電路的體積小、成本低；電路採集模式切換方便，操作簡單。
文檔編號G08C19/00GK1648609SQ20051000657
公開日2005年8月3日 申請日期2005年2月22日 優先權日2005年2月22日
發明者陳巍, 吳小華, 馮鳴 申請人:艾默生網絡能源系統有限公司