CN102841246B - 一种高精度电压测量电路 - Google Patents

Abstract

一种高精度电压测量电路，它包括振荡电路、脉冲计数器、定时器、脉冲电压转换电路和解码显示电路，所述振荡电路包括555时基电路、两个电容和三个电阻，第一电容的一端接地，另一端接555时基电路的2、6脚并依次经第一电阻、第二电阻和测试开关接被测电压，第一电阻与第二电阻的串接点接555时基电路的7脚，555时基电路的5脚经第二电容接地，3脚经第三电阻接脉冲计数器的脉冲输入端，所述脉冲计数器的使能端接定时器的输出端，其输出信号经脉冲电压转换电路接解码显示电路。本发明可对电池电压进行准确测量和实时监测，为提高电池组的管理水平，延长电池使用寿命，提高电池使用效率创造了条件。

Description

一种高精度电压测量电路

技术领域

本发明涉及一种用于精确测量各种蓄电池、充电电池电压的电路，属测量技术领域。

背景技术

精确测量各种蓄电池、充电电池的电压，对准确计算电池剩余容量（SOC），提高电池组的管理（充电、放电、均衡）水平，进而延长电池使用寿命，提高电池使用效率具有重要意义。例如对于电脑电池、电动汽车电池来说，当电池的剩余容量在40%-80%范围内时，即使电压变化0.1mv，其SOC值（电池剩余电量与电池全满电量的百分比）也会发生较大的变化，因此只有电压测量精度足够高，SOC计算足够准确，才能及时调整、均衡电池组内各单体的SOC。

目前，电池电压一般采用A/D（数模）转换的方法进行测量，由于电压的采样、保持过程中电路存在自放电现象，这种测量方法很难准确捕捉到被测电压的真实值。还有一种方法是通过测量脉冲宽度来测量被测电池的电压，该方法同样难以准确测量电池的电压。以上两种传统电压测量方法的测量精度只能达到1-2mv，不能满足精确测量需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种高精度电压测量电路，以提高电池组的管理水平，延长电池使用寿命，提高电池使用效率。

本发明所述问题是由以下技术方案实现的：

一种高精度电压测量电路，构成中包括振荡电路、脉冲计数器、定时器、脉冲电压转换电路和解码显示电路，所述振荡电路包括555时基电路、两个电容和三个电阻，第一电容的一端接地，另一端接555时基电路的2、6脚并依次经第一电阻、第二电阻和测试开关接被测电压，第一电阻与第二电阻的串接点接555时基电路的7脚，555时基电路的5脚经第二电容接地，3脚经第三电阻接脉冲计数器的脉冲输入端，所述脉冲计数器的使能端接定时器的输出端，其输出信号经脉冲电压转换电路接解码显示电路。

上述高精度电压测量电路，在振荡电路与脉冲计数器之间设置有光电隔离器，所述光电隔离器的发光二极管经第三电阻接555时基电路的3脚所输出的脉冲电压信号，其光电管的发射极接脉冲计数器的电源负极，集电极接脉冲计数器的输入端并设置有上拉电阻。

本发明利用压控震荡原理，将振荡电路的基本工作频率设置在100KHZ以上、利用被测电池电动势微小变化引起震荡频率变化的原理，通过建立被测电压与振荡电路所输出脉冲信号的频率之间的关系实现对被测电压的测量，该电路不对电压信号进行滤波处理，并且免去了采样保持过程，因而可以精确测得被测电压的瞬态值。本发明可对电池电压进行准确测量和实时监测，为提高电池组的管理水平，延长电池使用寿命，提高电池使用效率创造了条件。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的电原理框图；

图2是电原理图；

图3是定时器波形图；

图4是计数器波形图。

图中各标号为：IC1、555时基电路；IC2、光电隔离器；IC3、脉冲计数器；IC4、定时器；R1～R4、电阻；C1、C2、电容；K、测试开关；E0、被测电压。

具体实施方式

参看图1、图2，本发明由振荡电路、光电隔离器IC2、定时器IC4、脉冲计数器IC3、脉冲电压转换电路、解码显示电路等组成。集成电路中的IC2、IC3、IC4可以选用HCS12微控制器系列的单片机、也可以是其他型号单片机。

功能叙述与说明： 振荡电路的作用是利用被测有源部件的电动势和振荡电路部件产生与被测电压有关的方波脉冲，这个方波脉冲信号经过光电隔离器IC2的调整后，由脉冲计数器IC3在定时器IC4设定的时间T0内读取并记录由光电隔离器IC2传送过来的脉冲个数，脉冲个数经过脉冲电压转换电路送至解码显示电路。

电路构成：振荡电路是由555时基电路IC1构成的典型谐振电路，被测电池的正极经过开关K与电阻R2相连，R2的下端与IC1的7脚、充放电电阻R1相连，R1的下端与IC1的2、6脚、谐振电容C1相连。被测电池负极与C1的另一端、IC1供电电源负极引脚1、C2的一端、光电隔离器IC2的发光二极管负极相连，电容C2的另一端与IC1的5脚相连。IC1的4、8脚与IC1的供电电源VCC相连，IC1的3脚是信号输出脚，该脚与输出限流电阻R3相连，R3的另一端与隔离电路IC2的发光二极管的正极相连。光电隔离器IC2的光电管的发射极与计数器IC3 、定时器IC4、工作电源VSS相连，光电隔离器IC2的集电极（也是信号输出端），通过电阻R4与工作电源VDD相连，该集电极既将信号反相后送到计数器IC3的输入端。

本发明电路的工作原理如下：

当开关K闭合时（相当于测试开始），由于VCC、E0共地，K闭合后由E0通过R2、R1给C1充电，电路稳定后从IC1的三脚稳定输出连续的脉冲信号，这个信号的周期T=TPL+TPH  其中放电时低电平时间为TPL=R1*C1In2(该低电平是当E0=VCC时低电平放电时间，且该低电平放电时间不随被测电平变化而变化)。充电时高电平TPH=(E0/VCC)*（R1+R2）*C1*In2  则该信号频率f=1/（TPL+TPH）。该信号经过光电隔离器IC2放大、整形后频率f是不变的，在定时器IC4的控制下，脉冲计数器IC3在规定时间T0内读入由IC2发出的脉冲信号个数N1并存入到16位寄存器中（当然也可以是32位的寄存器），通过定时器IC4的定时时间T0、计数器IC3所记录脉冲个数N1来计算出信号频率f=N1/T0该频率也是被测信号频率，即f=1/（TPL+TPH）=N1/T0   内读入由IC2发出的脉冲信号个数N1存入到16位寄存器中（当然也可以是32位的寄存器），经过该寄存器所记录脉冲个数进行与电压对应转换就可以读取相应的电压值。由于寄存器是十六位充电时高电平TPH=(E0/VCC)*（R1+R2）*C1*In2  则该信号频率f=1/（TPL+TPH）由于频率又是在定时器T0的时间内计数器IC3所记录的脉冲个数N1于时间T0的比值，即f=N1/T0  又f=1/（TPL+TPH）所以R2、R1、C1都是已知，则可以求出E0的值。其精度与IC1的震荡频率有关频率越高其精度越高。N1/T0=1/（TPL+TPH）=1/【（R2*C1*In2）+(E0/VCC)*（R1+R2）*C1*In2】 所以 E0=VCC*[(T0/N1)-R2*C1*In2]/（R1+R2）*C1*In2 由于VCC、T0、N1、一般IC1频率都是上兆赫兹（MHZ）可见其精度何止是1/100mv。  该信号虽然经过IC2光电隔离电路放大、整形后频率f是不变的，在定时器IC4控制下，在IC4设置的规定时间T0寄存器其测量最小精度就是二的十六次方分之一，通过调节电容C1、R1、R2、T0的值同时配合E0量程调节，可以获得比1/100mv更小的精度值。

 脉冲电压转换电路根据寄存器所记录的脉冲个数就可以确定电池的电压值。由于寄存器是十六位寄存器，其测量最小精度就是二的十六次方分之一，通过调节电容C1、R1、R2、T0的值同时配合E0量程调节，可以获得比1/100mv更小的精度值。   脉冲电压转换电路根据寄存器所记录的脉冲个数就可以确定电池的电压值。由于寄存器是十六位寄存器，其测量最小精度就是二的十六次方分之一，通过调节电容C1、R1、R2、T0的值同时配合E0量程调节，可以获得比1/100mv更小的精度值。 现有的电压测量装置往往需要将被测电压经过比例调整（因为当被测电压高于电路承受电压时容易烧毁测量电路）、滤波等环节后才进行电压采样、采样保持等处理，然后读取寄存器的值、最后进行电压转换。这样就不能及时测量、捕捉被测电压的瞬时值，而且由于在采样保持过程中电路本身存在放电现象，导致测量精度不高。而本发明不受被测电路电压大小限制（当被测电压小于VCC时，可将被测有源电路串联在VCC电源电路中），只要保证被测电压值E0与充放电电阻R1、R2相比所得到的充放电电流的大小不大于IC1所规定的上限值即可。

本发明中的振荡电路可以是其他形式的振荡电路，并不局限于555振荡电路，只要振荡电路频率在100KHZ以上即可。

Claims (2)

1.一种高精度电压测量电路，其特征是，它包括振荡电路、脉冲计数器（IC3）、定时器（IC4）、脉冲电压转换电路和解码显示电路；所述振荡电路包括555时基电路（IC1）、两个电容和三个电阻，其中，第一电容（C1）的一端接地，另一端接555时基电路（IC1）的2、6脚，同时，所述2、6脚依次经第一电阻（R1）、第二电阻（R2）和测试开关（K）接被测电压；第一电阻（R1）与第二电阻（R2）的串接点接555时基电路（IC1）的7脚，555时基电路（IC1）的5脚经第二电容（C2）接地，3脚经第三电阻（R3）接脉冲计数器（IC3）的脉冲输入端，所述脉冲计数器（IC3）的使能端接定时器（IC4）的输出端，脉冲计数器（IC3）的输出信号经脉冲电压转换电路接解码显示电路。

2.根据权利要求1所述的高精度电压测量电路，其特征在于，在振荡电路与脉冲计数器（IC3）之间设置有光电隔离器（IC2），所述光电隔离器（IC2）的发光二极管经第三电阻接555时基电路（IC1）的3脚所输出的脉冲电压信号，其光电管的发射极接脉冲计数器（IC3）的电源负极，集电极接脉冲计数器（IC3）的输入端并设置有上拉电阻（R4）。