CN102843138A - Ad采样电路 - Google Patents

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王春祥
金辛海
庞忠浩
张永红
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Shanghai Step Electric Corp
Shanghai Sigriner Step Electric Co Ltd
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Shanghai Step Electric Corp
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Abstract

本发明公开了一种AD采样电路，其中所述AD采样电路包括用于放大采样电压的多个电压放大器，各个电压放大器的放大倍数均是不同的，每个电压放大器都连接有一AD转换器，并通过所述AD转换器将放大后的采样电压转换为数字信号；其中每个电压放大器还均包括一参考电压，所述电压放大器通过所述参考电压将放大后的采样电压调节至0伏以上。本发明的AD采样电路通过对AD采样范围的分段设计，提高小信号的AD采样精度。

Description

AD采样电路
技术领域
本发明涉及一种AD采样电路（模拟数字采样电路），特别是涉及一种用于电机控制的AD采样电路。
背景技术
AD采样是指用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移或声音等非电信号。但在AD转换前，输入到AD转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。
在工业应用中，尤其是为了更好的控制电机的运行，通常要对电机的电流进行模拟量与数字量的转换，即对电机的电流进行AD采样。其中电流采样的方式有很多种，但进入AD转换器时都会将电流转化为电压，并将电压值控制在AD转换器所能耐受的范围以内。
而且电流转化为电压有固定的变比，即电流大小与电压大小成一定的比例，例如：变频器的最大输出电流为300A，固定变比为0.01V/A，模拟信号进AD转换器时的范围定为0~3.0V，若AD转换器的AD分辨率为12位，即将3.0V分成（212-1）份，而当电流输出较小时，比如，当电流在0~10A时分辨率只有（212-1）/30份，分辨率降低了三十倍，即电流较小时造成了AD转换器的AD采样的精度的损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中固定变比和模拟信号进AD转换器时的范围固定时，实际模拟信号波动范围较小时所导致的AD采样的精度的损失的缺陷，提供一种AD采样电路，通过对AD采样范围的分段设计，提高小信号的AD采样精度。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种AD采样电路，其特点是，所述AD采样电路包括用于放大采样电压的多个电压放大器，各个电压放大器的放大倍数之间均是不同的，每个电压放大器都连接有一AD转换器，并通过所述AD转换器将放大后的采样电压转换为数字信号；
其中每个电压放大器还均包括一参考电压，所述电压放大器通过所述参考电压将放大后的采样电压调节至0伏以上。
本发明通过各个不同放大倍数的电压放大器来调节采样电压的幅度范围，从而在AD转换器的采样精度一定的情况下，通过将采样电压范围分段来提高AD采样的精度。
其中所述AD转换器为现有技术中常用的模数转换器，所以此处不再详细赘述。而且每个电压放大器均单独通过一个AD转换器进行AD转换。
较佳地，所述AD采样电路还包括一电流电压转换器，用于将采样电流转换为采样电压，并输出至各个电压放大器。
由于外界模拟信号不但采用电压信号模式，同样还采用电流信号模式，所以在接收的采样信号为电流信号时，本发明中将其转化为电压信号，从而便于后续的信号处理。
较佳地，所述AD转换器为一处理器。
本发明中利用处理器的AD转换功能实现AD转换。而且由于处理器中往往具有多个AD采样端口，所以本发明中用所述处理器来取代多个或者所有的AD转换器。
较佳地，每个所述电压放大器均包括一运算放大器、一第一电阻和一第二电阻；
其中所述第一电阻串接于所述运算放大器的输出端和正极输入端之间，所述采样电压通过所述第二电阻传输至所述正极输入端，所述参考电压传输至所述运算放大器的负极输入端、或者所述第一电阻串接于所述运算放大器的输出端和负极输入端之间，所述采样电压通过所述第二电阻传输至所述负极输入端，所述参考电压传输至所述运算放大器的正极输入端。
本发明采用运算放大器构成的电压放大器对采样电压进行放大，其中通过所述第一电阻和第二电阻的阻值比例来调节放大倍数。通过所述参考电压来整体提升输出的放大后的采样电压，从而使得AD转换器接收到的采样电压均是大于0伏。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的AD采样电路通过对AD采样范围的分段设计，提高小信号的AD采样精度。即通过采用分段式的不同变比方法提高采样精度，对模拟信号进行采样时将信号分成若干段，在模拟信号较小的一段采用较大的变比，信号较大时采用较小的变比，那么采样后的电压进入AD转换器时，就会有较高的电压，使得模拟量信号较小时采样精度相对提高。例如，变频器的最大输出电流为300A，将电流分为三段，其中0~10A的一段采用0.3V/A，10~100A的一段变比为0.03V/A，200~300A的一段采用的变比仍为0.01V/A。此时在同样的AD转换器的分辨率为12位时，0~10A采样精度是原先的30倍，10~100A是原先精度的3倍。毫无疑问，在电流较小时精度得到了很大的提高。
附图说明
图1为本发明的AD采样电路的较佳实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明的AD采样电路是采用分段式的不同变比方法提高采样精度，对模拟信号进行采样时将信号分成若干段，模拟信号较小一段采用较大的变比，信号较大时采用较小的变比，其中分段的段数越多，则电流较小时的精度越高。
本实施例中通过将采样电压分为两段来说明本发明的分段式的不同变比方法来提高采样精度的原理。
如图1所示，本实施例的AD采样电路包括电压放大器11和电压放大器12、一CPU2（处理器）和一电流电压转换器3。
本实施例AD采样电路用于采集的变频器的输出电流，所以本实施例中需要所述电流电压转换器3将采样电流信号转换为采样电压信号，并输出至电压放大器11和电压放大器12。从而将变频器输出电流信号按照变比转化为采样电压信号U，本实施例中所述采样电压信号U的范围为-7.5V~+7.5V。
而且如图1所示，所述电压放大器11包括一运算放大器U1A以及第一电阻R1和第二电阻R2，其中所述第一电阻R1串接于所述运算放大器U1A的输出端和负极输入端之间，所述采样电压通过所述第二电阻R2传输至所述负极输入端，所述第一参考电压Vref1传输至所述运算放大器U1A的正极输入端。其中本实施例中所述第一电阻R1的阻值为3K Ω，所述第二电阻R2的阻值为20K Ω，基于运算放大器的放大原理，可知此时电压放大器11的放大倍数A1为3/20。
而且由于本实施例中所述电压放大器11对应的采样电压信号U的范围为-7.5V~-1.1V和+1.1V~+7.5V，并且受CPU2的AD采样端口的耐受电压以及运算放大器供电电压钳位的限制，所述电压放大器11的输出电压在0~+3.3V之间，所以为了使得电压放大器11的输出电压在上述范围内，通过计算得到所述第一参考电压Vref1最好为1.31V。
所述电压放大器12包括一运算放大器U1B以及第三电阻R5和第四电阻R6，其中所述第三电阻R5串接于所述运算放大器U1B的输出端和正极输入端之间，所述采样电压通过所述第四电阻R6传输至所述正极输入端，所述第二参考电压Vref2传输至所述运算放大器U1B的负极输入端。本实施例中所述第三电阻R5的阻值为20K Ω，所述第四电阻R6的阻值为20K Ω，同样基于运算放大器的放大原理，可知此时电压放大器12的放大倍数A1为20/20。
同理本实施例中所述电压放大器11对应的采样电压信号U的范围为-1.1V~+1.1V，并且受CPU2的AD采样端口的耐受电压以及运算放大器供电电压钳位的限制，所述电压放大器12的输出电压在0~+3.3V之间，所以通过计算得到所述第二参考电压Vref2最好为0.75V，
此外本实施例中所述运算放大器U1A和运算放大器U1B中其它的外围器件均为使得所述运算放大器U1A和运算放大器U1B进行正常放大工作所必须的元器件，即在使用运算放大器实现放大功能时所必不可少的元器件，所以此处不再详细赘述。
本实施例的CPU2中具有多个AD采样端口，其中如图1所示，本实施例利用CPU2中的AD采样端口ADCIN1和AD采样端口ADCIN2分别采集运算放大器U1A和运算放大器U1B输出的放大后的采样电压信号。而且本实施例的CPU2的AD采样分辨率也为12位。
此外本实施例中所述CPU2的AD采样端口的AD采样功能可以被两个AD转换器取代，并实现相同的AD采样和AD转换的功能。
本实施例的具体工作原理如下：
首先通过电流电压转换器3将采样的变频器的输出电流转换为采样电压信号，其中所述采样电压信号U的范围为-7.5V~+7.5V。
然后对采样电压信号U进行放大，其中包括：
（1）当变频器的输出电流较小时按照固定改变比转化为采样电压信号，例如采样电压信号U在-1.1V~+1.1V范围内时：
按照电压放大器11的放大公式ADCIN1＝（1+A1）*Vref1-A1*U可以得出ADCIN1端的电压为+1.3415V~+1.6715V。
同理电压放大器12的放大公式ADCIN2=（1+A2）*Vref2-A2*U可以得出ADCIN2端的电压为+0.4V~+2.6V。
当CPU2检测ADCIN2端的电压时，选取检测ADCIN2端的信号的值。
这是应为检测ADCIN2端的电压准确度比检测ADCIN1端电压准确度高，即检测ADCIN2端的电压准确度是检测ADCIN1端电压准确度的[（2.6-0.4）/（212-1）]/[（1.6715-1.3415）/（212-1）]＝20/3倍，因此在变频器的输出电流较小时提高变比可以提高采样的精度。
（2）当变频器的输出电流较大时按照固定改变比转化为采样电压信号U，例如U如果在-7.5V~-1.1V或者+1.1V~+7.5V范围内时，
按照电压放大器11的放大公式ADCIN1=（1+A1）*Vref1-A1*U可以得出ADCIN1端的电压为+0.3815V~+1.3415V或+1.6715V~+2.6315V。
同理电压放大器12的放大公式ADCIN2=（1+A2）*Vref2-A2*U可以得出ADCIN2端的电压为0.0V~+0.4V或+2.6V~+3.3V，其中由于运算放大器U1B的供电电压钳位，运算放大器U1B输出电压只能在0~3.3V之间。
当CPU2检测ADCIN1端的电压时，选取检测信号ADCIN1的值。
此时检测ADCIN2端的电压准确度比检测ADCIN1端电压准确度的1~3倍之间。因此在变频器的输出电流较大时同样可以提高采样的精度。
最后所述CPU2将ADCIN1端或ADCIN2端的电压转化为数字信号。
因此，本实施例中采用AD分段采样的方式可以提高小电流时的电流采样精度，同样的在其他模拟量转化为数字量时采用这种方法均可实现模拟信号较小时，采样精度的提高。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种AD采样电路，其特征在于，所述AD采样电路包括用于放大采样电压的多个电压放大器，各个电压放大器的放大倍数均是不同的，每个电压放大器都连接有一AD转换器，并通过所述AD转换器将放大后的采样电压转换为数字信号；
其中每个电压放大器还均包括一参考电压，所述电压放大器通过所述参考电压将放大后的采样电压调节至0伏以上。
2.如权利要求1所述的AD采样电路，其特征在于，所述AD采样电路还包括一电流电压转换器，用于将采样电流转换为采样电压，并输出至各个电压放大器。
3.如权利要求1所述的AD采样电路，其特征在于，所述AD转换器为一处理器。
4.如权利要求1-3中任一项所述的AD采样电路，其特征在于，每个所述电压放大器均包括一运算放大器、一第一电阻和一第二电阻；
其中所述第一电阻串接于所述运算放大器的输出端和正极输入端之间，所述采样电压通过所述第二电阻传输至所述正极输入端，所述参考电压传输至所述运算放大器的负极输入端、或者所述第一电阻串接于所述运算放大器的输出端和负极输入端之间，所述采样电压通过所述第二电阻传输至所述负极输入端，所述参考电压传输至所述运算放大器的正极输入端。
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