CN104460462A - 一种兼容单双极性模拟信号采样电路 - Google Patents

Abstract

一种兼容单双极性模拟信号采样电路，属于涉及电力系统的电力变换控制系统中对信号的采集、调理技术领域。该电路包括信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD单元、外扩FPGA单元、DSP主控制单元等五部分，传感器将采集的信号送到模拟信号调理电路，调理电路处理后的信号送到片外AD或DSP的片内AD，片外AD先与外扩FPGA单元分配的采样引脚相连，外扩FPGA单元再通过总线方式与DSP主控制单元相连接，以实现对片外采样数据的读取。优点在于，该电路支持多通道输入并且结构简单，功能性强。该采样电路具有兼容单极性和双极性信号调理的功能，具有良好的兼容性、灵活性、选择性、适用性和高精度。

Description

一种兼容单双极性模拟信号采样电路

技术领域

本发明属于涉及电力系统的电力变换控制系统中对信号的采集、调理技术领域，特别是涉及一种兼容单双极性模拟信号采样电路，该电路支持多通道输入并且结构简单，功能性强。该采样电路具有兼容单极性和双极性信号调理的功能，具有良好的兼容性、灵活性、选择性、适用性和高精度。

背景技术

目前，一般的信号采样电路都是先将强电信号通过传感器转换成弱电信号，再经过模拟信号调理电路将信号放大、偏置和滤波等，最后进入AD转换芯片和微处理器，进行运算和处理。

一方面，某些处理器自带的AD采样芯片的精度不够，会给采样带来误差，不能满足高精度场合的要求；输入信号会有单、双极性之分，需要转换单、双极性采样电路，灵活性不足且成本较高。

另一方面，一般的信号调理模块都是先经过采样电阻，将霍尔元件输出的电流信号转换为电压信号，然后经过一电压跟随器，以增强带负载能力；由于采集后的信号可经过片外AD变换后送到DSP进行运算，而若用DSP的片内AD采样，则所能接受的电平范围为0V以上；所以，需要经过比例运算电路，将信号幅值适当地放大或减小，再经过运放组成的加减法运算电路进一步进行电平偏置。最后将信号经过滤波电路滤除干扰，即可进行AD变换。因此，调理电路一般实现四个功能，分别为实现跟随、比例运算、电平偏置和滤波。然而，在电平偏置时，一般该电路只能对单极性信号或双极性信号中的一种进行电平偏置，在实现另一种信号调理时只能重新设计电路，通用性差。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种兼容单双极性模拟信号采样电路，克服了对不同极性信号采样时功能性不足、运算速度和精度不够、灵活性差等问题。为单双极性信号采样提供了便捷的切换方式，有利于缩短开发周期、增强扩展性。

本发明采用信号调理电路的改进设计和外扩AD采样芯片相结合的方法。该电路分包括信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD单元、外扩FPGA单元、DSP主控制单元等五部分，传感器将采集的信号送到模拟信号调理电路，调理电路处理后的信号送到片外AD或DSP的片内AD，片外AD先与外扩FPGA单元分配的采样引脚相连，外扩FPGA单元再通过总线方式与DSP主控制单元相连接，以实现对片外采样数据的读取。

信号采集电路通过霍尔传感器采集主回路中电压和电流模拟信号，再将采集后的信号传送给模拟信号调理电路。霍尔电压传感器型号为LV28-P，霍尔电流传感器是LA100-P。

模拟信号调理电路分为五部分：采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置电路、信号滤波，采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置电路、信号滤波次串联；各部分芯片的电源电压均采用±15V。采样电阻为误差在0.1％左右的精密电阻，阻值的大小与输入信号的幅值相对应。电压跟随电路由运算放大器OP07构成，其负输入端与输出端相连。电压放大器由运放LF353构成，在其输出端和负输入端之间接滑线变阻器，以调节调理电压的幅值大小。电压偏置电路采用LF353，并在电压放大器的正输入端接输入信号的单、双极性设置选择切换开关，进行选择性调整，使得信号电平与AD采样芯片的管脚电平相兼容，并使有、无电平偏置模块的一体化。信号滤波电路为简单的RC滤波器，由电阻和电容组成。

信号经过信号调理电路处理后，信号分别进入DSP的片内AD和片外AD进行采样。

在进入片内AD采样时，必须为经过调理后的单极性信号，且DSP的片内AD采样管脚ADCINxx与信号调理电路相连，通过DSP初始化和使能片内AD采样模块，对调理后的信号进行存储和计算。DSP采用的是TI公司新推出的一款C2000系列的浮点型数字信号处理器TMS320F28335。

外扩采样电路所用的芯片主要包括DSP芯片、FPGA芯片和AD采样芯片，DSP芯片与FPGA芯片相连，AD采样芯片与FPGA芯片相连。模拟信号控制单元将采集的模拟信号送到FPGA和DSP主控单元，DSP向FPGA下发使能和采样指令，FPGA再使能并启动AD芯片，AD芯片将模拟信号转换成数字信号，FPGA芯片读取AD芯片的数字信号，并进行存储，DSP再读取FPGA内部的数字信号，在DSP上进行处理计算和控制信号输出。FPGA采用的是ALTERA公司的Cyclone系列的第四代产品EP4C115F23C8；AD芯片采用的是2片AD7606。

所述电路中，当输入为双极性信号时，可通过信号调理电路的切换开关，加上偏置电压，使得采样电压与DSP的管脚相兼容，也可不加偏置电压，用外扩AD芯片进行采样；当输入为单极性信号时，不需偏置电压，则片内和片外AD均可用于采样。

通过改变信号调理电路中电压偏置环节的设计结构、增加DSP的片外采样和控制芯片后，可根据采样信号的不同和精度的要求，选择不同的采样方法；通过DSP使能不同的采样模块来进行良好的切换，无需更多改变硬件电路，使用器件少，且能很好实现上述全部功能。

有益效果：

本发明的有益效果为，在完成原电路所有功能外，减少了硬件电路开发周期，结构简单，支持多通道信号采样，可行性强。

附图说明：

图1为本发明的信号采样电路功能框图。

图2为本发明的信号采样和调理部分的电路原理图。其中，精密电阻R1，普通电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9，陶瓷电容C1、C2，光隔离运放U1，运算放大器U2A、U2B，信号输入端XI，偏置电平输入端BAIS，电信号输出端XOUT，切换开关S2。

图3为本发明的片内AD采样程序流程图。

图4为本发明的片外AD7606采样程序流程图。

具体实施方式

本发明包括信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD单元、外扩FPGA单元、DSP主控制单元等五部分，传感器将采集的信号送到模拟信号调理电路，调理电路处理后的信号送到片外AD或DSP的片内AD，片外AD先与外扩FPGA单元分配的采样引脚相连，外扩FPGA单元再通过总线方式与DSP主控制单元相连接，以实现对片外采样数据的读取。

下面结合附图进一步说明。

本发明的整体设计思路如图1所示，采样信号先经过传感器转换成弱电信号，然后经过信号调理电路进行调整，使得采样信号与AD采样芯片的管脚兼容，然后分别输入到片内或片外AD转换芯片；DSP内部自带12位AD采样模块，可满足一定精度的要求，且只可采样单极性信号；外扩AD芯片为2片16位高精度AD7606，可采样双极性信号，DSP向FPGA下发采样指令，通过FPGA来控制片外AD，这样也增加了采样通道数。DSP采用的是TI公司的浮点型数字信号处理器TMS320F28335。FPGA采用的是ALTERA公司的Cyclone系列的第四代产品EP4C115F23C8；AD芯片采用的是2片AD7606。

信号采样与调理电路的原理设计如图2所示，该电路的通用性表现在：通过采用切换开关S1，使该电路既适用于单极性信号采样，也适用于双极性信号采样。若利用片外双极性AD采样芯片进行采样，则不需要电平偏置；但若用片内AD采样，则需要增加电平偏置模块。本设计通过一个切换开关S1实现了有、无电平偏置模块的一体化设计。

切换开关S1的单双极性信号选择的工作原理如下：

在此将图2中的R₈、R₉、R₁₀、R₁₁取150K，电平偏置电路各参数计算表达式如下：

若输入为双极性信号，跳线插座S1的2接到3时， $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{BIAS}}\frac{R_{10}}{R_9+R_{10}}\\ V_{\mathrm{out}}=(1+\frac{R_{11}}{R_8})V_{\mathrm{ref}}-\frac{R_{11}}{R_8}{V}_{\mathrm{IN}}\end{array}\right.$ 代入各变量的参数后：V_out＝V_BIAS－V_IN。

若输入为单极性信号，跳线插座S1的2接到1时， $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ref}}=0\\ V_{\mathrm{out}}=(1+\frac{R_{11}}{R_8})V_{\mathrm{ref}}-\frac{R_{11}}{R_8}{V}_{\mathrm{IN}}\end{array}\right.$ 代入各变量的参数后：V_out＝－V_IN。

式中，V_BIAS为输入的偏置电压；V_IN，为经过反相比例调节后输出的信号，小于0；V_ref为U2B的5和6引脚的电压值。

对于片内单极性AD采样，若输入为双极性信号(如正弦波)，输入电流信号XI经过精密采样电阻变为电压信号，先经两级RC电路滤波后，再经过跟随器后从R₅输入，经过反相比例调节器，通过调节R₇适当放大或缩小其幅值，如将其调整为峰值为1.25V的正弦波，经过运放1脚输出，进入电平偏置，将切换开关S1的2接到3，输入BIAS为1.25V的偏置电平将双极性信号变换为单极性信号，幅值为2.5V，最后经RC滤波电路处理后输出；

如果输入为单极性信号，前级处理电路完全相同，只是在电平偏置环节，将跳线插座S1的2接到1，输入偏置信号为零，相当于没有偏置，最后经RC滤波电路处理后输出。

在硬件电路的基础上选择不同的AD采样方法：

若采用片内AD采样，由于DSP具有内部的模/数转换器，只需要初始化ADC的采样频率和工作模式，并使能AD采样，即可将外部模拟数据采集进来，如图3所示；

若采用片外AD采样，其采样过程如图4所示，需要DSP与FPGA协调控制，由DSP设置中断，在中断内完成采样；在程序进入中断后，由DSP向FPGA发出采样指令，FPGA收到采样指令后启动AD采样，并判断片外AD的AD_BUSY引脚状态，若该引脚为高电平，表明AD正在处于A/D转换状态，若该引脚为低电平，表明数模转换结束，则可以采用顺序方式或并发方式读取转换后的值，最后将AD采样结果送到DSP的结果寄存器中，完成信号的采样。

这样，根据采样信号的不同极性和精度要求选择不同的采样方法，最大程度满足信号采样的要求。

Claims (6)

1.一种兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，包括信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD单元、外扩FPGA单元、DSP主控制单元五部分，传感器将采集的信号送到模拟信号调理电路，调理电路处理后的信号送到片外AD或DSP的片内AD，片外AD先与外扩FPGA单元分配的采样引脚相连，外扩FPGA单元再通过总线方式与DSP主控制单元相连接，以实现对片外采样数据的读取； 

信号采集电路通过霍尔传感器采集主回路中电压和电流模拟信号，再将采集后的信号传送给模拟信号调理电路； 

模拟信号调理电路分为五部分：采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置电路、信号滤波，采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置电路、信号滤波次串联，电压跟随电路由运算放大器OP07构成，其负输入端与输出端相连。电压放大器由运放LF353构成，在其输出端和负输入端之间接滑线变阻器，以调节调理电压的幅值大小；电压偏置电路采用LF353，并在电压放大器的正输入端接输入信号的单、双极性设置选择切换开关，进行选择性调整，使得信号电平与AD采样芯片的管脚电平相兼容，并使有、无电平偏置模块的一体化；信号滤波电路为RC滤波器，由电阻和电容组成； 

信号经过信号调理电路处理后，信号分别进入DSP的片内AD和片外AD进行采样； 

在进入片内AD采样时，必须为经过调理后的单极性信号，且DSP的片内AD采样管脚ADCINxx与信号调理电路相连，通过DSP初始化和使能片内AD采样模块，对调理后的信号进行存储和计算。 

2.根据权利要求1所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，霍尔电压传感器型号为LV28-P，霍尔电流传感器是LA100-P。 

3.根据权利要求1所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，采样电阻为误差在0.1％的精密电阻，阻值的大小与输入信号的幅值相对应。 

4.根据权利要求1所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，外扩采样电路所用的芯片包括DSP芯片、FPGA芯片和AD采样芯片，DSP芯片与FPGA芯片相连，AD采样芯片与FPGA芯片相连。模拟信号控制单元将采集的模拟信号送到FPGA和DSP主控单元，DSP向FPGA下发使能和采样指令，FPGA再使能并启 动AD芯片，AD芯片将模拟信号转换成数字信号，FPGA芯片读取AD芯片的数字信号，并进行存储，DSP再读取FPGA内部的数字信号，在DSP上进行处理计算和控制信号输出。

5.根据权利要求4所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，FPGA采用的是EP4C115F23C8；AD芯片采用的是2片AD7606。 

6.根据权利要求4所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，所述电路中，当输入为双极性信号时，通过信号调理电路的切换开关，加上偏置电压，使得采样电压与DSP的管脚相兼容，或者不加偏置电压，用外扩AD芯片进行采样；当输入为单极性信号时，不需偏置电压，则片内和片外AD均可用于采样。