CN104483529B - 一种负电压检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负电压检测装置及检测方法，设置有选通电路、RC电路、计时器和处理器；所述选通电路首先将待检测的负电压与RC电路连通，利用待检测的负电压对RC电路中的电容充电，待电容充电结束后，切换至正极性的参考电压与所述的RC电路连通，控制所述电容放电，并启动计时器计时，记录所述电容的放电时间T2；利用参考电压的幅值、参考电压对所述电容的充电时间T1以及所述的放电时间T2便可计算出所述负电压的值。本发明通过将负电压的电压值量化为时间值，然后借助已知的参考电压所对应的量化时间值，反推出所述负电压的电压值，检测算法简单，电压值的检测精度高，所需搭建的硬件电路简洁，成本低廉，功耗低。

Description

一种负电压检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于电压检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于测量负电压的检测装置及检测方法。

背景技术

在电子工程设计领域，经常会用到负电压，例如目前的很多LCD显示器就是利用负电压驱动的。为了保证使用负电压供电或者驱动的电子器件的用电安全，需要对这些负电压的大小进行检测，若直接采用单片机来量化负电压的值，则是一件非常困难的事情。因此，现有针对负电压设计的检测电路大多采用将负电压转换成正电压，然后利用分压电路对转换后的正电压进行降压变换后，传输至模数转换器以计算出负电压的值。这种传统的负电压检测方式，电路结构复杂，检测精度不高，由于电路中需要引入电阻进行分压和采样，因此会造成系统功耗的明显提升，不适合在某些能耗要求较高的电子产品中应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于检测负电压大小的负电压检测装置及检测方法，不仅可以提高负电压检测的精确度，而且电路结构设计简单，功率损耗较小。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一方面，本发明提供了一种负电压检测装置，设置有选通电路、RC电路、计时器和处理器；所述选通电路首先将待检测的负电压与RC电路连通，利用待检测的负电压对RC电路中的电容充电，待电容充电结束后，切换至正极性的参考电压与所述的RC电路连通，控制所述电容放电，并启动计时器计时，记录所述电容的放电时间T2；所述处理器根据公式：V_I=-V_REF*T2/T1，计算出所述负电压的值V_I；其中，V_REF为所述参考电压的幅值，为已知量；T1为利用所述参考电压为所述电容充电时所需的充电时间。

为了提高负电压的计算精度，所述充电时间T1优选为所述电容上的电压充到99%*V_REF时所需的充电时间。

为了使系统能够自动判断出所述电容充电结束的时刻，所述选通电路在将所述负电压与RC电路连通时，启动所述计时器计时，当计时器计满溢出或者计时时间到达设定值Tc时，所述Tc>2RC，判定所述电容充电结束，输出信号控制所述选通电路切换至所述的参考电压；设置所述计时器计满溢出的时间大于2RC，以保证电容上的充电电压基本等于所述的负电压。

为了使系统能够自动判断出所述电容放电结束的时刻，本发明优选将所述RC电路设计成RC积分电路，包括运算放大器、电阻和所述的电容；所述运算放大器的同相输入端接地，反相输入端与所述电阻串联后，连接至所述的选通电路，用于与所述的负电压或者参考电压连通；所述电容连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端之间；所述处理器在所述电容放电时，检测运算放大器输出的电平状态，当检测到电平由正变负时，判定电容放电结束，控制所述计时器停止计时，并记录当前的计时时间为所述的放电时间T2。

为了使处理器能够准确地检测出通过所述运算放大器输出的电平是否发生了极性反转，本发明在所述RC积分电路中还设置有一比较器，所述比较器的反相输入端连接所述运算放大器的输出端，比较器的同相输入端接地，比较器的输出端连接所述的处理器，所述处理器在检测到通过比较器输出的电平由低电平跳变为高电平时，判定所述电容放电结束。

为了进一步简化电路结构，本发明优选将所述计时器集成在所述的处理器中；所述比较器的输出端连接处理器的中断接口，在通过所述比较器输出的电平由低电平跳变为高电平时触发处理器进入中断，控制计时器停止计时，并进行所述负电压的值U_I的计算。由于处理器响应中断的速度非常快，只需要几个机器周期，因此可以提高计时器计时的准确度。

作为所述选通电路的一种优选结构设计，本发明在所述选通电路中设置有两个开关管，两个开关管的控制极接收通路切换信号，两个开关管的开关通路分别连接在所述的负电压与RC电路之间或者连接在所述的参考电压与RC电路之间，实现对所述负电压和参考电压的选通切换。

另一方面，本发明还提供了一种负电压检测方法，首先，利用待检测的负电压对RC电路中的电容充电，待电容充电结束后，切断所述的负电压，控制所述电容放电，并记录所述电容的放电时间T2，代入公式：V_I=-V_REF*T2/T1，计算出所述负电压的值V_I；其中，V_REF为已知的正极性的参考电压的幅值；T1为利用所述参考电压为所述电容充电时所需的充电时间。

为了提高负电压的计算精度，所述充电时间T1优选为所述电容上的电压充到99%*V_REF时所需的充电时间；在所述利用待检测的负电压对RC电路中的电容充电的过程中，设置充电时间Tc>2RC，待电容的充电时间到达Tc时，认为所述电容充电结束。

为了实现对所述电容放电结束时刻的准确检测，所述RC电路优选为RC积分电路，在控制所述电容放电的过程中，将所述参考电压连接至RC积分电路的输入端，当检测到通过RC积分电路输出的电平发生反转时，认为电容放电结束，记录电容从开始放电到放电结束所需的时间，记为所述的放电时间T2。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明针对负电压所提出的检测装置和检测方法，通过将负电压的电压值量化为时间值，然后借助已知的参考电压所对应的量化时间值，反推出所述负电压的电压值，不仅检测算法简单，软件实现容易，而且电压值的检测精度高，所需搭建的硬件电路简洁，成本低廉，功耗低，可以广泛应用到所有需要进行负电压检测的电路设计中。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的负电压检测装置的一种实施例的电路原理框图；

图2是本发明所提出的负电压检测装置的另外一种实施例的电路原理框图；

图3是图2所示电路原理框图所对应的一个具体实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实施例为了简化负电压检测装置的软硬件设计，提出了一种将电压值量化为时间值的设计思想，根据时间值的不同反推出该时间值所对应的电压值。具体来说，可以首先将已知幅值V_REF的参考电压量化为时间值T1，然后将待检测的负电压V_I也量化为时间值T2，进而利用电压值与时间值的对应关系：V_REF/ T1=-V_I/ T2，即可反推出所述待检测的负电压的值V_I=-V_REF*T2/T1。

为了将电压值量化为时间值，本实施例采用对电容充放电的方式设计实现。具体来讲，可以首先选择一路幅值V_REF已知的正极性的参考电压对RC电路充电，并检测出所述RC电路中电容C所需的充电时间T1。在本实施例中，考虑到电容C上的充电电压永远不会到达V_REF，只是充电时间越长，电容C上的电压越接近V_REF。为了保证计算结果的有效性，本实施例定义当电容C上的电压达到90%*V_REF以上时，就认为电容C已充满电。为了进一步提高后续负电压V_I计算的准确性，本实施例优选将电容C充电到达99%*V_REF时所用的充电时间记为T1。得到参数V_REF和T1后，利用待检测的负电压V_I对所述RC电路中的电容C进行重新充电，直到电容C充电结束。在本实施例中，为了保证电容C上的电压能够尽量地接近待检测的负电压的值V_I，可以将对所述电容C充电的时间设定得尽量长些，至少应设置充电时间Tc>2RC，例如设定成2.5RC、3RC或者更长的时间，以保证电容C能够充满电。待电容C充电结束后，切断所述的负电压V_I，控制所述电容C放电，并记录所述电容C的放电时间T2。所述放电时间T2即电容C从开始放电到电容C上的电荷为0时所需的时间。然后将已获得的参数V_REF、T1和T2代入公式：V_I=-V_REF*T2/T1，即可计算出所述待检测的负电压的值V_I。由此，便实现了对负电压的检测。

基于上述负电压检测方法，本实施例提出了一种负电压检测装置，以实现对待检测的负电压的自动测量。

参见图1所示，本实施例的负电压检测装置主要设置有选通电路、RC电路、计时器和处理器等部分。其中，所述选通电路用于在待检测的负电压V_I与正极性的参考电压V_REF之间进行选通切换，其两路选通端分别与所述的负电压V_I和参考电压V_REF对应连接，公共端连接RC电路，控制端接收处理器输出的切换信号。在对待检测的负电压V_I开始进行测量时，处理器输出切换信号首先控制选通电路将待检测的负电压V_I与RC电路连通，利用待检测的负电压V_I对RC电路中的电容C充电。与此同时，处理器启动计时器开始计时，当计时器计满溢出或者计时时间到达设定值Tc时，输出信号至处理器。所述处理器在接收到计时器反馈的信号后，便可判定所述电容C充电结束。为了保证电容C能够充满电，本实施例设置所述计时器计满溢出的时间大于2RC，或者设置所述设定值Tc>2RC，最好设置所述充电时间能够达到3RC或者4RC，以保证电容C上的充电电压基本等于所述的负电压V_I。

当处理器检测到电容C充电结束后，输出切换信号（这里的切换信号也可以直接由计时器输出提供）至选通电路，控制选通电路切换至参考电压V_REF与所述的RC电路连通，以控制所述的电容C放电。与此同时，启动计时器清零并重新开始计时，待电容C上的电荷减少为0时，电容C放电结束，处理器控制计时器停止计时，记录所述电容C的放电时间T2。

而后，处理器根据接收到的放电时间T2以及事先保存的参考电压的幅值V_REF和利用所述参考电压V_REF为所述电容C充电时所需的充电时间T1，利用公式：V_I=-V_REF*T2/T1，即可计算出所述负电压V_I的大小。为了方便检测人员查看，可以进一步设计显示屏，连接所述的处理器，以显示测量结果。

为了方便处理器判断电容C何时放电结束，本实施例优选将所述RC电路设计成RC积分电路的形式，参见图2所示，所述的计时器可以集成在处理器MCU中，以进一步简化电路设计。

图3为所述RC积分电路和选通电路的一种优选电路组建结构，其中，在所述选通电路中可以设计两个开关管Q1、Q2，以N沟道MOS管为例进行说明。将两个N沟道MOS管Q1、Q2的栅极分别与处理器MCU的两路GPIO口一一对应连接，接收处理器MCU输出的两路切换信号MCU_SWITCH1、MCU_SWITCH2，以控制两个N沟道MOS管Q1、Q2错时导通。将MOS管Q1的漏极连接参考电压V_REF，源极连接RC积分电路中的电阻R；将MOS管Q2的漏极连接待检测的负电压V_I，源极也连接至RC积分电路中的电阻R。在所述RC积分电路中设置有运算放大器U138、比较器U155和所述的电阻R、电容C。将所述运算放大器U138的同相输入端+接地，反相输入端-通过串联的电阻R连接至所述的选通电路，用于连接通过选通电路切换接通的负电压V_I或者参考电压V_REF。将所述电容C连接在运算放大器U138的反相输入端-与输出端之间，运算放大器U138的电源端连接直流电源VDD，接地端连接系统地。将所述比较器U155的反相输入端-连接至运算放大器U138的输出端，比较器U155的同相输入端+接地，比较器U155的输出端连接处理器MCU，处理器MCU根据比较器U155输出的电平的高低状态，即可准确地判断出电容C是否放电结束。

在本实施例中，为了使处理器MCU能够快速响应比较器U155输出的高低电平变化，优选将比较器U155的输出端连接至处理器MCU的一路中断接口MCU_INTERRUPT，采用控制处理器MCU进入中断的方式来使处理器快速地进入后续的处理程序。

下面对图3所示的负电压检测电路的工作原理进行具体阐述。

首先，将待检测的负电压V_I连接至MOS管Q2的漏极，启动电路开始运行。处理器MCU将切换信号MCU_SWITCH1置为低电平、MCU_SWITCH2置为高电平，继而控制MOS管Q1截止，MOS管Q2打开。此时，待检测的负电压V_I与RC积分电路接通，所述负电压V_I通过电阻R给电容C充电，使电容C连接运算放大器U138反相输入端-的一侧为负极，连接运算放大器U138输出端的一侧为正极。此时，运算放大器U138输出正电压，经由比较器U155输出低电平，进而控制处理器MCU进入中断程序。处理器MCU进入中断后，启动计时器开始计时，当计时器计满开始溢出（或者计时时间到达设定值Tc>2RC）时，表明此时电容C上的电压已经达到了负电压V_I的值。此时，处理器MCU将切换信号MCU_SWITCH1置为高电平、MCU_SWITCH2置为低电平，继而控制MOS管Q1饱和导通，MOS管Q2截止，从而切断负电压V_I与RC积分电路的连接，转为参考电压V_REF与所述的RC积分电路连通。当处理器MCU输出高电平有效的切换信号MCU_SWITCH1控制MOS管Q1饱和导通时，同时启动所述的计时器清零并重新开始计时。由于接入到RC积分电路的参考电压V_REF为正电压，因此电容C通过电阻R开始放电，其上的电子开始向参考电压V_REF流动。当电容C放电结束时，电容C上的电压为零，参考电压V_REF开始对电容C充电，使电容C连接运算放大器U138反相输入端-的一侧为正极，连接运算放大器U138输出端的一侧为负极。此时，运算放大器U138输出负电压，经由比较器U155输出高电平。当处理器MCU检测到通过比较器U155输出的电压为高电平时，判定电容C放电结束，控制计时器停止计时，并将计时器记录的计时时间作为电容C的放电时间，记为T2。假设利用参考电压V_REF通过电阻R为电容C充电所需的充电时间为T1，那么根据计算公式：V_I=-V_REF*T2/T1，即可计算出待检测的负电压V_I的值。

当然，对于能够检测正负电压变化的处理器来说，可以省略比较器U155，直接将运算放大器U138的输出端连接至所述的处理器，当处理器检测到通过运算放大器U138输出的电压由正电压反转为负电压时，即可判定电容C放电结束。

当然，在本实施例中，所述选通电路也可以采用三极管、可控硅等其他开关管设计实现，只需将两个开关管的控制极连接处理器MCU ，接收处理器输出的切换信号，两个开关管的开关通路分别连接在所述的负电压V_I与RC电路之间或者连接在所述的参考电压V_REF与RC电路之间，即可实现对所述负电压V_I和参考电压V_REF的选通切换。本实施例对所述选通电路的具体组建结构并不仅限于以上举例。

本实施例的负电压检测装置，测量精度高、使用方便、成本低廉、功耗小，适合在所有需要进行负电压检测的电子产品中推广应用。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种负电压检测装置，其特征在于：设置有选通电路、RC电路、计时器和处理器；所述选通电路首先将待检测的负电压与RC电路连通，利用待检测的负电压对RC电路中的电容充电，待电容充电结束后，切换至正极性的参考电压与所述的RC电路连通，控制所述电容放电，并启动计时器计时，记录所述电容的放电时间T2；所述处理器根据公式：V_I=-V_REF*T2/T1，计算出所述负电压的值V_I；其中，V_REF为所述参考电压的幅值，为已知量；T1为利用所述参考电压为所述电容充电时所需的充电时间；

所述RC电路为RC积分电路，包括运算放大器、电阻和所述的电容；所述运算放大器的同相输入端接地，反相输入端与所述电阻串联后，连接至所述的选通电路，用于与所述的负电压或者参考电压连通；所述电容连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端之间；所述处理器在所述电容放电时，检测运算放大器输出的电平状态，当检测到电平由正变负时，判定电容放电结束，控制所述计时器停止计时，并记录当前的计时时间为所述的放电时间T2。

2.根据权利要求1所述的负电压检测装置，其特征在于：所述充电时间T1为所述电容上的电压充到99%*V_REF时所需的充电时间。

3.根据权利要求1所述的负电压检测装置，其特征在于：所述选通电路在将所述负电压与RC电路连通时，启动所述计时器计时，当计时器计满溢出或者计时时间到达设定值Tc时，所述Tc>2RC，判定所述电容充电结束，输出信号控制所述选通电路切换至所述的参考电压；设置所述计时器计满溢出的时间大于2RC。

4.根据权利要求1所述的负电压检测装置，其特征在于：在所述RC积分电路中还设置有一比较器，所述比较器的反相输入端连接所述运算放大器的输出端，比较器的同相输入端接地，比较器的输出端连接所述的处理器，所述处理器在检测到通过比较器输出的电平由低电平跳变为高电平时，判定所述电容放电结束。

5.根据权利要求4所述的负电压检测装置，其特征在于：所述计时器集成在所述的处理器中；所述比较器的输出端连接处理器的中断接口，在通过所述比较器输出的电平由低电平跳变为高电平时触发处理器进入中断，控制计时器停止计时，并进行所述负电压的值V_I的计算。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的负电压检测装置，其特征在于：在所述选通电路中设置有两个开关管，两个开关管的控制极接收通路切换信号，两个开关管的开关通路分别连接在所述的负电压与RC电路之间或者连接在所述的参考电压与RC电路之间。

7.一种负电压检测方法，其特征在于：利用待检测的负电压对RC电路中的电容充电，待电容充电结束后，切断所述的负电压，控制所述电容放电，并记录所述电容的放电时间T2，代入公式：V_I=-V_REF*T2/T1，计算出所述负电压的值V_I；其中，V_REF为已知的正极性的参考电压的幅值；T1为利用所述参考电压为所述电容充电时所需的充电时间；

所述RC电路为RC积分电路，在控制所述电容放电的过程中，将所述参考电压连接至RC积分电路的输入端，当检测到通过RC积分电路输出的电平发生反转时，认为电容放电结束，记录电容从开始放电到放电结束所需的时间，记为所述的放电时间T2。

8.根据权利要求7所述的负电压检测方法，其特征在于：所述充电时间T1为所述电容上的电压充到99%*V_REF时所需的充电时间；在所述利用待检测的负电压对RC电路中的电容充电的过程中，设置充电时间Tc>2RC，待电容的充电时间到达Tc时，认为所述电容充电结束。