CN103762984A

CN103762984A - 一种非通讯式远距离模拟量采集装置

Info

Publication number: CN103762984A
Application number: CN201310752056.8A
Authority: CN
Inventors: 娄晶
Original assignee: INTEMOTION TECHNOLOGY WUXI Co Ltd
Current assignee: INTEMOTION TECHNOLOGY WUXI Co Ltd
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开一种非通讯式远距离模拟量采集装置，包括锯齿波发生器、高阻抗信号采集电路、实时比对电路及隔离输出电路。高阻抗信号采集电路输出的模拟信号通过实时比对电路与锯齿波发生器生成的锯齿波信号进行实时比对，输出信号接入隔离输出电路，隔离输出占空比与模拟信号成一定比例的脉冲宽度调制信号。本发明解决了小信号模拟量采集并远距离隔离传输的难题，能够对电压、温度、湿度、电流等一系列能最终表达成电压信号的模拟量较精确的远距离传输，且电路结构简单，成本低。

Description

一种非通讯式远距离模拟量采集装置

技术领域

本发明涉及模拟量采集技术领域，尤其涉及一种非通讯式远距离模拟量采集装置。

背景技术

目前，现有技术对小信号模拟量采集并远距离隔离传输的处理过程如下：一般模拟小信号的信号源能量都比较微弱，必须通过比较高输入阻抗的专用芯片对信号进行放大，再对放大的信号进行高精度的AD转换（模数转换），然后将AD转换后的信号输出给单片机使用，远程传输需要通过单片机和专用通讯芯片共同完成。这种方式所采用的电路结构复杂，成本较高，在一些性价比高的产品上不宜使用。

发明内容

本发明的目的在于通过一种非通讯式远距离模拟量采集装置，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种非通讯式远距离模拟量采集装置，其包括锯齿波发生器、高阻抗信号采集电路、实时比对电路及隔离输出电路；

所述锯齿波发生器的输出端与实时比对电路的输入端电性连接，用于根据需要调整锯齿波的频率、上升沿和下降沿，获得所需波形的锯齿波信号，输出给实时比对电路；

所述高阻抗信号采集电路的输出端与实时比对电路的输入端电性连接，用于接入模拟信号，输出给实时比对电路；

所述实时比对电路的输出端与隔离输出电路的输入端电性连接，用于对锯齿波信号和模拟信号进行实时比对，输出信号接入隔离输出电路输入端；隔离输出电路隔离输出占空比与模拟信号成一定比例的脉冲宽度调制信号。

特别地，所述锯齿波发生器包括精密电阻R1、精密电阻R2、电容C1、比较器U1A、电容C2、电阻R3、电阻R4、电阻R5及三极管Q1；其中，精密电阻R2与电容C1并联连接后一端接地，另一端与精密电阻R1的一端、比较器U1A的反相输入端连接，精密电阻R1的另一端连接外接电源，比较器U1A同相输入端与电容C2一端连接后的结点连接电阻R3与三极管Q1集电极连接后的结点，电容C2的另一端接地，电阻R3的另一端连接外接电源，电阻R4一端与电阻R5一端连接后的结点连接三极管Q1基极，电阻R4另一端连接比较器U1A输出端，电阻R5另一端与三极管Q1发射极连接后的结点接地。

特别地，所述锯齿波发生器还包括电容C3，其并联连接在电阻R5两端。

特别地，所述高阻抗信号采集电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8及电容C4；其中，电阻R8与电容C4并联连接后一端接地，另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接入模拟信号。

特别地，所述实时比对电路包括比较器U1B。

特别地，所述隔离输出电路包括光耦U2、电阻R9及电容C5；其中，电阻R9一端与电容C5一端连接后的结点连接光耦U2副边，电阻R9的另一端连接外接电源，电容C5的另一端接地。

特别地，所述非通讯式远距离模拟量采集装置还包括信号转换电路；所述信号转换电路串接在实时比对电路与隔离输出电路之间。

特别地，所述信号转换电路包括电阻R10、电阻R11及三极管Q2；其中，三极管Q2基极与电阻R11一端连接后的结点连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接实时比对电路的输出端，三极管Q2发射极与电阻R11另一端连接后的结点接地，三极管Q2集电极连接隔离输出电路输入端。

本发明提供的非通讯式远距离模拟量采集装置解决了小信号模拟量采集并远距离隔离传输的难题，能够对电压、温度、湿度、电流等一系列能最终表达成电压信号的模拟量较精确的远距离传输，且电路结构简单，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的非通讯式远距离模拟量采集装置结构框图；

图2为本发明实施例提供的非通讯式远距离模拟量采集装置电路结构图；

图3为本发明实施例提供的信号转换电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

请参照图1和图2所示，本实施例中非通讯式远距离模拟量采集装置具体包括锯齿波发生器101、高阻抗信号采集电路102、实时比对电路103及隔离输出电路104。

所述锯齿波发生器101的输出端与实时比对电路103的输入端电性连接，用于根据需要调整锯齿波的频率、上升沿和下降沿，获得所需波形的锯齿波信号，输出给实时比对电路103。

于本实施例，所述锯齿波发生器101包括精密电阻R1、精密电阻R2、电容C1、比较器U1A、电容C2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3及三极管Q1。其中，精密电阻R2与电容C1并联连接后一端接地，另一端与精密电阻R1的一端、比较器U1A的反相输入端连接，精密电阻R1的另一端连接外接电源（5V），比较器U1A同相输入端与电容C2一端连接后的结点连接电阻R3与三极管Q1集电极连接后的结点，电容C2的另一端接地，电阻R3的另一端连接外接电源，电阻R4一端与电阻R5一端连接后的结点连接三极管Q1基极，电阻R4另一端连接比较器U1A输出端，电阻R5另一端与三极管Q1发射极连接后的结点接地。为了过滤杂波，可在电阻R5两端并联一电容C3。

精密电阻R1、精密电阻R2组成基准电源的分压电阻，由电容C1滤波，组成比较器U1A的负端比较电压源；电阻R3和电容C2组成电容充电电路，形成锯齿波波形的上升沿波形。在充电过程中，当没有达到比较器U1A反相输入端的基准电压时，比较器U1A输出端输出低电平，三极管Q1的基极通过电阻R5保持低电位，三极管Q1的基极电压（Vbe）没有得到有效电压，所以三极管Q1没有放大直至饱和导通，此时，三极管Q1集电极的波形是电容C2的充电波形。当比较器U1A同相输入端电压达到基准的比较电压时，比较器U1A的输出端电压反转，变为高电平，这个电平根据电阻R4和电阻R5的合理分压，及电容C3过滤杂波（电容C3视实际情况可去除），加到三极管Q1基极上，使得三极管Q1从截止状态转成饱和导通状态，该过程是锯齿波波形的下降沿，这个时间可以通过调整电阻R4和电阻R5的合理分压，电容C3的电容值，以及三极管Q1的参数进行调整。然后，由于三极管Q1饱和导通，使得电容C2上存储的电荷立即通过三极管Q1释放，在电容C2电荷释放完成后，比较器U1A同相输入端又变为低电位，其同相输入端的电压低于反相输入端的基准电压，从而比较器U1A输出端输出低电平，三极管Q1重新进入截止状态，电容C2和电阻R3充电，下一循环开始。如此周而复始，生成满足要求的锯齿波信号。

所述高阻抗信号采集电路102的输出端与实时比对电路103的输入端电性连接，用于接入模拟信号，输出给实时比对电路103。

高阻抗信号采集电路102采用简单的高阻抗分压电阻实现，可降低设计成本，同时采用小电容滤波，减少杂波干扰。于本实施例，所述高阻抗信号采集电路102包括电阻R6、电阻R7、电阻R8及电容C4。其中，电阻R8与电容C4并联连接后一端接地，另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接入模拟信号。需要说明的是，高阻抗信号采集电路102看似简单，但电阻R6、电阻R7、电阻R8必须选择合适的电阻阻值，太小的阻抗容易引起信号的失真，太大的阻抗有容易引入干扰，同时要考虑实时比对电路103中比较器U1B需要的输入电流，是微安（uA）级别的还是纳安（nA）级别，所以一般阻抗可以在100千欧到1兆欧之间考虑。另外为了有效表达输入信号的范围，必须选择合适的分压范围，使得到的输出占空比的信号在比较广的范围内，不能在整个范围内一直很小或一直很大，影响采样精度和灵敏度。

所述实时比对电路103的输出端与隔离输出电路104的输入端电性连接，用于对锯齿波信号和模拟信号进行实时比对，输出信号接入隔离输出电路104输入端，隔离输出电路104隔离输出占空比与模拟信号成一定比例的固定频率的脉冲宽度调制（PWM）信号。

于本实施例，所述实时比对电路103包括比较器U1B，使用高阻抗的比较器U1B可以对锯齿波信号和模拟信号进行实时比对，输出比对波形，如果需要调整输出波形的参数，可以调整锯齿波信号和模拟信号输入的分压比列实现。所述隔离输出电路104包括光耦U2、电阻R9及电容C5。其中，电阻R9一端与电容C5一端连接后的结点连接光耦U2副边，电阻R9的另一端连接外接电源，电容C5的另一端接地，光耦U2原边连接比较器U1B输出端，比较器U1B同相输入端连接电阻R3与三极管Q1集电极连接后的结点，比较器U1B反相输入端连接电阻R7与电阻R8连接后的结点。电阻R9是上拉电阻，给光耦U2的输出级一定的工作电流，电容C5为高频的滤波电容，使得信号比较清晰。如果需要信号的反转，也可以把信号反转电路加在这级后面，得到反转的信号。

另外，考虑到对输出波形的初始状态值和占空比的要求，可以在实时比对电路103与隔离输出电路104之间串接一信号转换电路105。如图3所示，所述信号转换电路105包括电阻R10、电阻R11及三极管Q2。其中，三极管Q2基极与电阻R11一端连接后的结点连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接比较器U1B输出端，三极管Q2发射极与电阻R11另一端连接后的结点接地，三极管Q2集电极连接光耦U2原边。

本发明的技术方案解决了小信号模拟量采集并远距离隔离传输的难题，能够对电压、温度、湿度、电流等一系列能最终表达成电压信号的模拟量较精确的远距离传输，只要对所测模拟量和对应的占空比能实时曲线的标定，那么实际的使用之中就比较容易获得所需采集的模拟量，可以简单查表，也可以运用简单的线性函数计算得到，且电路结构简单，成本低。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种非通讯式远距离模拟量采集装置，其特征在于，包括锯齿波发生器、高阻抗信号采集电路、实时比对电路及隔离输出电路；

2.根据权利要求1所述的非通讯式远距离模拟量采集装置，其特征在于，所述锯齿波发生器包括精密电阻R1、精密电阻R2、电容C1、比较器U1A、电容C2、电阻R3、电阻R4、电阻R5及三极管Q1；其中，精密电阻R2与电容C1并联连接后一端接地，另一端与精密电阻R1的一端、比较器U1A的反相输入端连接，精密电阻R1的另一端连接外接电源，比较器U1A同相输入端与电容C2一端连接后的结点连接电阻R3与三极管Q1集电极连接后的结点，电容C2的另一端接地，电阻R3的另一端连接外接电源，电阻R4一端与电阻R5一端连接后的结点连接三极管Q1基极，电阻R4另一端连接比较器U1A输出端，电阻R5另一端与三极管Q1发射极连接后的结点接地。

3.根据权利要求2所述的非通讯式远距离模拟量采集装置，其特征在于，所述锯齿波发生器还包括电容C3，其并联连接在电阻R5两端。

4.根据权利要求1所述的非通讯式远距离模拟量采集装置，其特征在于，所述高阻抗信号采集电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8及电容C4；其中，电阻R8与电容C4并联连接后一端接地，另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接入模拟信号。

5.根据权利要求1所述的非通讯式远距离模拟量采集装置，其特征在于，所述实时比对电路包括比较器U1B。

6.根据权利要求1所述的非通讯式远距离模拟量采集装置，其特征在于，所述隔离输出电路包括光耦U2、电阻R9及电容C5；其中，电阻R9一端与电容C5一端连接后的结点连接光耦U2副边，电阻R9的另一端连接外接电源，电容C5的另一端接地。

7.根据权利要求1至6之一所述的非通讯式远距离模拟量采集装置，其特征在于，还包括信号转换电路；所述信号转换电路串接在实时比对电路与隔离输出电路之间。

8.根据权利要求7所述的非通讯式远距离模拟量采集装置，其特征在于，所述信号转换电路包括电阻R10、电阻R11及三极管Q2；其中，三极管Q2基极与电阻R11一端连接后的结点连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接实时比对电路的输出端，三极管Q2发射极与电阻R11另一端连接后的结点接地，三极管Q2集电极连接隔离输出电路输入端。