CN103460604A - 用于读出模拟电压信号的装置 - Google Patents

Abstract

用于读出模拟电压信号（V_in）的装置包括：电压信号输入（I），用于向其施加模拟电压信号（V_in）；参考部件（ref），用于生成模拟参考电压（V_ref）；和转换部件（ADC），用于将模拟输入信号（1）转换成数字输出信号（2）。为了实现该装置的在线自校准，该装置进一步包括叠合部件（sup），其适于接收模拟电压信号（V_in）和模拟参考电压（V_ref）。该叠合部件（sup）包含用于从模拟参考电压（V_ref）生成调制参考电压（V_mod）的调制部件并且适于通过使调制参考电压（V_mod）叠加到模拟电压信号（V_in）上而生成组合模拟信号（4）并且适于将组合模拟信号（4）转发到转换部件（ADC）。

Description

用于读出模拟电压信号的装置

技术领域

本发明涉及用于读出模拟电压信号的装置，其包括用于向其施加模拟电压信号的电压信号输入、用于将模拟信号转换成数字信号的转换部件和用于生成模拟参考电压的参考部件。这样的装置在读出电子器件或前端电子器件的条件下也是已知的，并且它用于从模拟电压信号生成数字电压信号，其然后可以被进一步数字处理。具有这样的读出电子器件的已知设备例如是万用表、仪表变压器或传感器接口。

背景技术

为了能够保证高度可靠的数字信号，读出电子器件需要展现高的初始精度以及高的温度和老化稳定性。另外，在整个规定温度范围和预定时段内需要确保高精度，其中该预定时段通常是读出电子器件的手动校准与下一个之间的时间。在手动校准期间，读出电子器件的制造商向装置的电压信号输入施加外部标准参考电压并且使用所得的数字信号来估计并且校正装置的增益误差。两个手动校准之间的时段通过实现自校准的装置而能延长。这例如在来自Agilent Technologies的3458A万用表的自动校准条件下是已知的，如在对应的校准手册、手册编号03458-90017中描述的。对于自动校准，3458A配备有内部参考标准并且每当调用自动校准功能时自动执行增益误差的估计和校正。在自动校准期间，万用表无法用于测量目的。

图1示出从本领域已知的读出电子器件（其具有用于校正读出电子器件的增益误差的自校准电路）的示意图。读出电子器件的增益通过串联连接的增益块G_A和具有增益G_B的转换部件ADC而概述。到读出电子器件的输入信号在正常工作条件（模拟电压信号V_in）下，该模拟电压信号V_in被变换成对应的数字输出信号2。为了自校准目的，内部参考部件ref生成模拟参考电压V_ref，其施加到输入开关3以及转换部件ADC。当期望自校准时，需要操作输入开关3以便从模拟电压信号V_in切换到参考电压V_ref。然后预期转换部件ADC的数字输出信号2等于读出电子器件的总增益G_A∙G_B，因为数字输出信号2等于模拟输入信号1的数字化值除以参考电压V_ref的数字化值，即它等于G_A∙G_B∙V_ref/V_ref。数字输出信号2与预期值G_A∙G_B之间的差异指示读出电子器件的增益误差，其的值被存储。开关3然后操作回到施加模拟电压信号V_in，并且增益误差用于校正从模拟电压信号V_in生成的数字输出信号2。

在输电和配电领域中，电压和电流由传感器测量，对于其可期望的是，执行对应读出电子器件的自校准而不中断模拟电压信号V_in的电流路径使得读出电子器件的可用性增加并且与传感器的手动交互减少。该类型的自校准也可以叫作在线自校准。因此，本发明的目标是引入一种用于读出模拟电压信号的装置，其同时传递可用于校准这样的装置的信号而不需要切断模拟电压信号。

该目标由上文描述的装置实现，该装置另外包括叠合部件，其适于接收模拟电压信号和模拟参考电压两者作为输入信号，该叠合部件包含调制部件，其用于从模拟参考电压生成调制参考电压并且其适于通过使调制参考电压叠加到模拟电压信号上而生成组合模拟信号并且适于将组合的模拟信号转发到转换部件用于数字化。通过将参考电压叠加到模拟电压信号上，两个信号都可以同时传送到转换部件使得两个电压都可以被处理并且用于校准目的以及用于不间断测量目的。通过调制参考电压，促进它与电压信号本身以及与任何可能的DC偏移的分离。

发明内容

在本发明的优选实施例中，叠合部件包括第一叠合开关部件，用于交替地将模拟电压信号或调制参考电压施加到叠合部件的信号输出，其中该第一叠合开关部件适于以比转换部件的ADC采样频率高至少十倍的叠合频率来操作（ADC-模数转换）。通过使用与转换部件的ADC采样频率相比明显更高的叠合频率，确保模拟电压信号和调制参考电压两者都被变换而不丢失叠合以及模数转换期间的任何信息，使得对应波形之后可以正确地复原。通过使用简单的开关部件来实现叠合，与更复杂的电路或甚至信号处理器相比提供成本有效的解决方案。

在另外的实施例中，调制部件适于生成方波调制参考电压。与例如正弦波相比，可以生成具有更高精度的方波，这是关于读出电子器件的重要方面。

在用于生成方波调制参考电压并且将它叠加到模拟电压信号上以便生成组合模拟信号的解决方案中，参考部件生成DC模拟参考电压，调制部件包括第一电容器和第一调制开关部件，用于交替地使该第一电容器充电到模拟参考电压或到逆模拟参考电压，其中模拟参考电压是DC电压，并且第一叠合开关部件适于定期将第一电容器包括在模拟电压信号的电流路径中以及将第一电容器从模拟电压信号的电流路径排除。因为独立于用于电容器的电容值而达到正和负模拟参考电压的DC水平，使用电容器用于生成方波确保了高度精确的信号。

建议通过在调制部件中进一步包括第二电容器和第二调制开关部件而进一步发展该解决方案，其中该第二调制开关部件适于交替地使第二电容器充电到模拟参考电压或到逆模拟参考电压。另外，叠合部件包括第二叠合开关部件，其适于以与第一叠合开关部件相同的叠合频率操作。在该解决方案中，第一和第二叠合开关部件适于在模拟电压信号的电流路径中交替地包括第一电容器或第二电容器。在该特定装置中，两个电容器中的一个充电到正或负DC模拟参考电压，而两个电容器中的另一个充电到模拟电压信号的电压，并且反之亦然。通过使用两个电容器并且定期在它们之间切换使得每次在电流路径中仅包括一个电容器而另一个电容器正在充电，避免了电容器放电所处的时段在输出信号（即组合模拟信号）的波形中变得可见。

适当高的开关频率例如可以用半导体开关实现。因此，第一和第二叠合开关部件以及第一和第二调制开关部件是半导体开关，优选地CMOS（互补金属氧化物半导体）开关，这是优选的。

重要地是注意在已知的图1的自校准电路中，一个继电器或多个继电器用于输入开关3。已知继电器具有足够高的耐受电压使得它们可不仅在低压万用表的读出电子器件中使用，还用于例如在输电和配电行业中使用的高或中压传感器或仪表变压器的读出电子器件。然而，继电器具有小于1kHz的有限开关频率。该开关频率范围在上文描述的装置意在用于超出100Hz的ADC采样频率或换句话说用于每秒超出100个样本的采样率的情况下太低，因为在这些情况下需要至少1kHz的叠合频率。

在本发明的另外的实施例中，适于将模拟电压信号调整到期望的增加或减小电压水平的调整部件连接在电压信号输入和叠合部件之间。这样的调整部件在模拟电压信号具有相对高的电压水平时特别有用，如例如在用于输电和配电线中的电流测量的Rogowski线圈（其具有几十至几百伏的输出电压水平）的情况下。电压水平然后通过调整部件而降低以便确保不超出读出电子器件的元件的耐受电压。CMOS开关尤其具有大约40V的相对低的耐受电压，使得对40V以上的水平处的模拟电压信号需要高ADC采样率以及因此CMOS开关时的情况下，需要应用调整部件。调整部件在电压信号输入与叠合部件之间的插入具有这样的优势：因为调整部件变成在线自校准装置的部分，由调整部件引入的任何增益误差之后可以被校正。

在本发明的具体实施例中，建议调整部件是电阻分压器。

在电阻分压器的情况下，它的电阻器元件与第一电容器在一起形成RC滤波器，其具有RC时间常数。优选地，使第一和第二叠合开关部件适于以比反的RC时间常数高至少一百倍的叠合频率操作。如果第一电容器具有C₁的电容值并且电阻分压器由具有电阻值R₁和R₂的两个电阻器组成，RC滤波器的RC时间常数T₀是T₀=C₁∙(R₁+R₂)，并且叠合频率将是f_H>100/T₀。

在另外的具体实施例中，叠合部件的输出连接到差分放大器的正输入并且差分放大器的输出则连接到转换部件。

该实施例可通过使另外的叠合部件的输入连接到另外的调整部件和参考部件而扩展，其中另外的叠合部件适于通过将逆调制参考电压叠加到模拟电压信号上而生成另外的组合信号并且其中另外的叠合部件的输出连接到差分放大器的负输入。

根据本发明的装置可实现为印刷电路板上的分立电子元件或实现为专用集成电路（ASIC）。

附图说明

现在关于附图解释本发明和它的实施例的一些方面，这些附图在：

图1中示出具有自校准的已知读出电子器件的示意图，

图2中示出本发明的示意图，

图3中示出本发明的第一实施例，

图4中示出对于第一实施例的叠合部件的解决方案，

图5中示出对于第一实施例的叠合部件的另一个解决方案，

图6中示出本发明的第二实施例，

图7中示出本发明的第三实施例，

图8中示出示例模拟电压信号的时间特性，

图9中示出示例调制参考电压的时间特性，

图10中示出图8和9的组合信号的时间特性。

具体实施方式

在图2中，描绘根据本发明的装置的示意图。该装置包括如已经关于图1的已知读出电子器件而描述的相同的转换部件ADC和参考部件ref。但与图1相比之下，在读出电子器件由于输入信号在校准期间从模拟电压信号V_in切换到参考电压V_ref而提供离线自校准功能性的情况下，图2的装置允许在线自校准。这是由于存在叠合部件sup，其布置在节点P与节点S之间作为读出电子器件的部分并且其包括调制部件mod，该调制部件mod用于通过调制模拟参考电压V_ref而生成调制参考电压V_mod。叠合部件sup进一步适于将调制参考电压V_mod叠加到模拟电压信号V_in上。叠合由实际叠合元件6执行。叠合部件sup的输出信号叫作组合模拟信号4。模拟电压信号V_in经由电压信号输入（描绘为节点I）而施加到装置。图2的装置的总增益再次是G_A∙G_B，其中G_B是转换部件ADC的增益并且G_A是电压信号输入（节点I）与转换部件ADC的输入（其在图2中是节点S）之间的所有元件的增益。转换部件ADC的输出信号5可以表示为下面的和：

信号5=

。

信号5通常输入到处理设备，其在这里未示出，其中该处理设备使和的两个部分数字分离、确定增益G_A∙G_B并且将它与读出电子器件的预期增益比较并且由此得出增益误差。增益误差然后用于校正对应于模拟电压信号V_in的数字值。除该在线自校准外，利用外部标准电压执行在线外部校准，这也是可能的。为了校正由于模拟参考电压V_ref的漂移而引起的绝对误差，从直接读取模拟参考电压V_ref得出的数字值与从外部标准电压生成的数字值比较，而不必中断模拟电压信号V_in的读取和变换过程。

根据图3的本发明的第一实施例与图2的不同之处在于节点P与S之间的叠合部件描绘为电压源，其传递采用方波电压信号的形式的调制参考电压V_mod并且布置在模拟电压信号V_in的电流路径中。由供应电压V_cc供应的差分放大器amp布置在叠合部件的输出与转换部件ADC的输入之间，其中叠合部件的输出连接到放大器amp的正输入。放大器的负输入连接到中间电势V_cc/2。实现为电阻分压器（其由节点I与P之间的第一电阻器R₁和节点S与具有一半供应电压V_cc/2的参考电势之间的第二电阻器R₂组成）的调整部件意在使模拟电压信号V_in的电压水平减小到适合于电子器件的供应电压水平的水平。例如，如果模拟电压信号V_in是具有多至400V电压水平的Rogowski线圈的输出信号并且电子器件的电压供应具有5V的水平，分压器可设计成将该信号除以八十。因为调整部件和仪器放大器amp包括在电压信号输入节点I与转换部件的输入之间，它们变成读出电子器件装置的那些元件的部分，其属于增益G_A，即由它们引入的任何增益误差通过在线自校准而校正。

图4示出图3的叠合部件的第一可能实现。是叠合部件sup的部分的调制部件mod包括第一电容器C_m1和第一调制开关部件7a和7b，用于交替地使该第一电容器C_m1充电到模拟参考电压V_ref或到逆模拟参考电压-V_ref，其中模拟参考电压V_ref是DC电压。此外，叠合部件sup包括第一叠合开关部件8a和8b，其适于定期将第一电容器C_m1包括在模拟电压信号V_in的电流路径中以及将第一电容器C_m1从模拟电压信号V_in的电流路径排除，其中电流路径由节点P和S指示。第一叠合开关部件8a和8b以比RC滤波器（其由第一电容器C_m1以及第一和第二电阻器R₁和R₂组成）的反的RC时间常数高至少一百倍的叠合频率f_H操作，其中RC时间常数是T₀=C_m1∙(R₁+R₂)。

图3的叠合部件的第二可能实现在图5中描绘，其中该实现与图4中的实现的不同之处在于调制部件包括第二电容器C_m2和第二调制开关部件9a和9b，其适于以与第一调制开关部件7a和7b相同的调制频率f_L操作。第二调制开关部件9a和9b适于使第二电容器C_m2交替地充电到模拟参考电压V_ref或到逆模拟参考电压-V_ref。另外，叠合部件sup包括第二叠合开关部件10a和10b，其适于以与第一叠合开关部件8a和8b相同的叠合频率f_H操作。第一和第二叠合开关部件8a、8b、10a和10b适于交替地将第一电容器C_m1或第二电容器C_m2包括在模拟电压信号V_in的电流路径中以及从模拟电压信号V_in的电流路径排除第一电容器C_m1或第二电容器C_m2。因此，与图3相比之下，模拟电压信号V_in不直接施加到节点S，而相反利用它来对第一和第二电容器C_m1和C_m2充电。在图5的示例中，所有开关部件实现为CMOS开关，使得叠合频率f_H可以选择在1kHz以上。图5的叠合部件的示例输入、输出和内部信号的时间特性在图8、9和10中示出。由于电阻分压器（图3），由Rogoswki线圈传递的AC模拟电压信号V_in减少了100倍，从而导致减少的模拟电压信号V_in,red（图8）。这是施加到节点P的信号。该信号具有近似60Hz的频率。对于该频率的适当的ADC采样率将大于120Hz，这导致需要的1.2kHz以上的叠合频率。在图9中示出的调制参考电压V_mod从具有5V幅度并且具有大约7Hz的调制频率的DC模拟参考电压V_ref生成。图10的组合模拟信号4是图8和9的两个信号的叠合的直接结果。

根据图3的本发明的第一实施例适合于用于单端输入信号，或换句话说，适合于在模拟参考电压信号经由一个连接电缆而施加时使用。在差分输入信号要经由两个连接电缆而施加的情况下，如例如与Rogoswki线圈的情况一样，根据图6的本发明的第二实施例投入使用。在该第二实施例中，另外的叠合部件适于通过将逆调制参考电压-V_mod叠加到模拟电压信号V_in上而生成另外的组合信号11。另外的叠合部件再次由电压源表示，但在这里它的方波信号相移了180°。另外的叠合部件再次连接到调整部件，即到由电阻器R₁和R₂组成的电阻分压器。另外的叠合部件的输出连接到差分放大器amp的负输入。模拟电压信号V_in在两个调整部件的输入之间（即，在两个电阻器R₁之间）施加。

在本发明的第三实施例（在图7中示出）中，图6的第二实施例用于单端输入信号，即，模拟电压信号V_in在属于叠合部件的调整部件的输入（其具有正调制参考电压V_mod）与地之间施加，而另外的调整部件的输入连接到放大器amp的中间电势V_cc/2。

Claims (12)

1.一种用于读出模拟电压信号（V_in）的装置，包括：

●电压信号输入（I），用于向其施加所述模拟电压信号（V_in），

●参考部件（ref），用于生成模拟参考电压（V_ref），

●转换部件（ADC），用于将模拟输入信号（1）转换成数字输出信号（2），

其特征在于

●叠合部件（sup）适于接收所述模拟电压信号（V_in）和所述模拟参考电压（V_ref），其中所述叠合部件（sup）包含用于从所述模拟参考电压（V_ref）生成调制参考电压（V_mod）的调制部件并且适于通过使所述调制参考电压（V_mod）叠加到所述模拟电压信号（V_in）上而生成组合模拟信号（4）并且适于将所述组合模拟信号（4）转发到所述转换部件（ADC）。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述叠合部件（sup）包括第一叠合开关部件（8a，8b），用于交替地将所述模拟电压信号（V_in）或所述调制参考电压（V_mod）施加到所述叠合部件（sup）的信号输出并且其中所述第一叠合开关部件适于以比所述转换部件的ADC采样频率高至少十倍的叠合频率（f_H）来操作。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述调制部件适于生成方波调制参考电压。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述参考部件生成DC模拟参考电压（V_ref），所述调制部件包括第一电容器（C_m1）和第一调制开关部件（7a，7b），用于交替地使所述第一电容器（C_m1）充电到所述模拟参考电压（V_ref）或到逆模拟参考电压（-V_ref），并且其中所述第一叠合开关部件（8a，8b）适于定期将所述第一电容器（C_m1）包括在所述模拟电压信号（V_in）的电流路径中以及将所述第一电容器（C_m1）从所述模拟电压信号（V_in）的电流路径排除。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述调制部件包括第二电容器（C_m2）和第二调制开关部件（9a，9b），用于使所述第二电容器C_m2）交替地充电到所述模拟参考电压（V_ref）或到所述逆模拟参考电压（-V_ref），其中所述叠合部件（sup）包括第二叠合开关部件（10a，10b），其适于以与所述第一叠合开关部件（8a，8b）相同的叠合频率（f_H）操作，并且其中所述第一和第二叠合开关部件（8a，8b；10a，10b）适于交替地将所述第一电容器（C_m1）或所述第二电容器（C_m2）包括在所述模拟电压信号（V_in）的电流路径中以及从所述模拟电压信号（V_in）的电流路径排除所述第一电容器（C_m1）或所述第二电容器（C_m2）。

6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述第一和第二叠合开关部件（8a，8b；10a，10b）以及所述第一和第二调制开关部件（7a，7b；9a，9b）是半导体开关，优选地是CMOS开关。

7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，适于将所述模拟电压信号（V_in）调整到期望的增加或减小电压水平的所述调整部件（R₁，R₂）连接在所述电压信号输入（I）与所述叠合部件（sup）之间。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述调整部件（R₁，R₂）是电阻分压器。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述第一电容器（C_m1）和所述电阻分压器形成具有RC时间常数的RC滤波器并且其中所述第一和第二叠合开关部件（8a，8b；10a，10b）适于以比反的RC时间常数高至少一百倍的叠合频率（f_H）操作。

10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述叠合部件（sup）的输出连接到差分放大器（amp）的正输入并且其中所述差分放大器（amp）的输出连接到所述转换部件（ADC）。

11.如权利要求10所述的装置，其中，另外的叠合部件的输入连接到另外的调整部件和到所述参考部件（ref），其中所述另外的叠合部件适于通过将逆调制参考电压（-V_mod）叠加到所述模拟电压信号（V_in）上而生成另外的组合信号（11）并且其中所述另外的叠合部件的输出连接到所述差分放大器（amp）的负输入。

12.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其实现为专用集成电路。

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