CN105116182B - 用于测量电阻的正弦波产生电路、方法、及电瓶测试仪 - Google Patents

Abstract

一种用于测量电阻的正弦波产生电路，包括CPU、门整形电路和整形放大单元，所述CPU产生两路具有固定占空比的方波信号分别传送到所述门整形电路，所述门整形电路将所述方波信号转换成具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形信号，所述整形放大单元将所述阶梯状波形信号转换为正弦波信号。本发明提供了一种效果稳定、能耗低、精度高，特别适合用于野外等环境变化大、电源有限的场合的用于测量电阻的正弦波产生电路及方法和电瓶测试仪。

Description

用于测量电阻的正弦波产生电路、方法、及电瓶测试仪

技术领域

本发明涉及一种正弦波产生电路及方法，尤其涉及一种用于测量电阻的正弦波产生电路及方法，以及一种电瓶测试仪。

背景技术

电瓶测试仪又称为蓄电池测量仪，是主要用于测量电瓶的分析检测设备，其包括对电瓶的电压、电流、电阻、温度等等进行测量，进而判断电瓶的工作能力和健康状况。电瓶测试仪在测量电阻的过程中，需要利用正弦波作为基准信号，进行反馈和比较，其优点在于，正弦波是交变信号，可以避开蓄电池的直流干扰，提高检测精度。

现有技术中有以下几种用于测量电瓶的电阻的正弦波产生方法：

一是RC、LC正弦波振荡电路，请参阅图1，其由带稳幅功能的放大器正反馈及选频网络电路组成。这种电路的缺点是：正反馈的量很难控制，若反馈量小于1倍，则电路不能克服内部损耗因而并不能产生自激振荡，若反馈量过大，则电路输出方波而非正弦波；另外，需要加上选频网络才能实现单一频率输出，否则电路将在很宽的频率范围内振荡，产生很多谐波；同时，即使能够输出单一频率的正弦波，电路本身也容易受外界环境影响，如温度、湿度等因素，造成频率偏移，精度下降。

二是由CPU产生不同占空比的脉冲后经过整形过滤放大电路转换为正弦波，请参阅图2，CPU利用程序不同占空比的脉冲C1，每一个脉冲如图中方格所示，方格高度为电压大小，方格宽度为脉冲宽度，经整形过滤放大电路，转换成为正弦波C2。这种方法的优点是抗干扰能力强，频率可以调整、准确、可控，但缺点是：由CPU生成不同占空比的脉冲，需要占用CPU资源，耗电量大，当电瓶测试仪用于野外时，其电池很快耗尽，使用时间大大缩小。

三是由方波经积分电路转换为三角波后再产生正弦波，请参阅图3，首先利用多谐振荡器产生方波D1，然后经积分电路转换为三角波D2，在通过低通滤波器转换成正弦波D3，最后用放大器放大到足够的幅度。其缺点是：由于利用电容充放电产生方波，方波的稳定性容易受到电容本身影响，且在低通滤波时容易产生失真，生成的正弦波不稳定，另外其所需芯片数量较多，耗电量大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种效果稳定、能耗低、精度高，特别适合用于野外等环境变化大、电源有限的场合的用于测量电阻的正弦波产生电路。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于测量电阻的正弦波产生电路，包括CPU、门整形电路和整形放大单元，所述CPU产生两路具有固定占空比的方波信号分别传送到所述门整形电路，所述门整形电路将所述方波信号转换成具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形信号，所述整形放大单元将所述阶梯状波形信号转换为正弦波信号。

本发明提供的用于测量电阻的正弦波产生电路，相比起现有技术之一：RC、LC正弦波振荡电路，能实现单一频率输出、稳定、可自定义频率的正弦波，电路受外界环境影响较小，精度高；相比起现有技术之二：CPU产生不同占空比的脉冲后经过整形过滤放大电路转换为正弦波的方法，本发明中CPU不用生成不同占空比的方波，而是生成固定占空比的方波，占用CPU资源小，耗电量低，使用时间大大增加，若选用引脚自带方波脉冲输出功能的CPU，则可进一步降低能源消耗；相比起现有技术之三：由方波经积分电路转换为三角波后再产生正弦波的方法，本发明所需要的芯片数量少，能耗低，且比起现有技术中利用电容的充放电产生周期性振荡生成方波，波形的稳定性低，本发明的CPU利用时钟晶振分频产生方波，晶振的稳定性极高，输出的方波更为稳定，因而经转换输出的正弦波稳定性高。

进一步地，还包括运算放大单元，所述门整形电路将所述方波信号传送到所述运算放大单元处理。

进一步地，所述运算放大单元包括第一运算放大器，所述门整形电路将所述方波信号传送到所述第一运算放大器进行处理；所述第一运算放大器设置为运放跟随器。

如此，运算跟随器的电压放大系数约为1，能够增加信号的带载能力，减少信号失真。

进一步地，还包括滤波单元，其接收所述运算放大单元发出的信号，并将处理后的信号传送到所述整形放大单元。

滤波单元的一个作用是将不需要的频率去除，另一个作用是耦合，为下一步信号整形做准备。

进一步地，所述门整形电路包括第一芯片，所述整形放大单元包括第二运算放大器，所述第一芯片、所述第一运算放大器、所述第二运算放大器均使用正、负电源供电。

使用正、负双电源供电，可减少信号的失真。这是由于正弦波的上半周电压大于0伏，下半周电压小于0伏，如使用单电源供电，上半周传输需要偏置电路，下半周则不能正常放大，而使用正、负电源供电，则减少了设置直流工作点，无需在隔开直流时使用电容，简化了电路，减少电路对频率特性的影响。

本发明还提供一种用于测量电阻的正弦波产生方法，包括以下步骤：

a.由CPU产生两路具有固定占空比的方波信号，并分别传送到门整形电路；

b.由门整形电路将所述方波信号转换成具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形信号；

c.由整形放大单元将所述阶梯状波形信号转换为正弦波信号。

进一步地，在步骤b后还包括步骤：所述阶梯状波形信号传送到运算放大单元处理；所述运算放大单元包括第一运算放大器，所述门整形电路将所述方波信号传送到所述第一运算放大器进行处理；所述第一运算放大器设置为运放跟随器。

进一步地，在步骤c前还包括步骤：所述运算放大单元处理后的信号传送到滤波单元进行处理，再传送到所述整形放大单元。

进一步地，所述门整形电路包括第一芯片，所述整形放大单元包括第二运算放大器，所述第一芯片、所述第一运算放大器、所述第二运算放大器均使用正、负电源供电。

本发明还提供一种包括上述用于测量电阻的正弦波产生电路的电瓶测试仪。

本发明提供的利用用于测量电阻的正弦波产生电路的电瓶测试仪，效果稳定、能耗低、精度高，特别适合用于野外等环境变化大、电源有限的场合。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是现有技术中的RC、LC正弦波振荡电路的局部示意图；

图2是现有技术中的由CPU产生不同占空比的脉冲后经过整形过滤放大电路转换为正弦波的方法示意图；

图3是现有技术中由方波经积分电路转换为三角波后再产生正弦波的方法示意图；

图4是本发明的用于测量电阻的正弦波产生电路的电路布局图；

图5是本发明的信号波形转换示意图；

图6是本发明的电瓶测试仪的原理框图。

具体实施方式

请参阅图4，其为本发明的用于测量电阻的正弦波产生电路，包括依次串接的CPU(中央处理器)1、门整形电路2、运算放大单元3、滤波单元4和整形放大单元5。请参阅图5，其为本发明的信号波形转换示意图，首先由CPU1生成方波B1，再经门整形电路2转换为阶梯状波形B2，该波形经过运算放大单元3、滤波单元4和整形放大单元5后，最终转换为正弦波B3。该正弦波B3在电瓶测试仪测量电阻时用做基准信号。

其中，该CPU1利用程序生成具有固定占空比的方波脉冲B1，其占空比可根据需要设定，分两路输出至门整形电路2。特别地，可选用引脚自带方波脉冲输出功能的CPU。

该门整形电路2将该两路方波叠加，转换成类似于正弦波的特殊波形，具体为具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形B2。该阶梯状波形不限于图5中所示波形，其阶梯数目、幅度、周期等具体参数可根据需要设定。该门整形电路2包括第一芯片21和与第一芯片21的各引脚连接的2个电阻、4个电容，结构简单、稳定性高，抗干扰能力强。

该运算放大单元3包括第一运算放大器31，具体地，在本实施例中，第一运算放大器31的反相输入端与输出端连接，设置为运算跟随器，其电压放大系数约为1，能够增加信号的带载能力，减少信号失真。

该滤波单元4的一个作用是将不需要的频率去除，另一个作用是耦合，为下一步信号整形做准备。

该整形放大单元5包括第二运算放大器51。整形放大单元5具有两个作用，一是将第二运算放大器51输出端的信号引返至其反相输入端，利用元件的通频带特性，把失真的信号叠加，使信号整形为线性变化，使阶梯状波形转换成基准的正弦波B3，二是把信号的电压提高，产生足够的幅度供后级电路使用。

进一步地，使用正、负双电源为上述第一芯片21、第一运算放大器31、第二运算放大器51供电，可减少信号的失真。这是由于正弦波的上半周电压大于0伏，下半周电压小于0伏，如使用单电源供电，上半周传输需要偏置电路，下半周则不能正常放大，而使用正、负电源供电，则减少了设置直流工作点，无需在隔开直流时使用电容，简化了电路，减少电路对频率特性的影响。

具体的，在本实施例中，该正弦波产生电路具体设置如下：

该CPU1的两个引脚PWMS1和PWMS0将固定占空比的方波分别输入到门整形电路2的第一芯片21的引脚S1和S0。

该门整形电路2包括第一芯片21，该第一芯片的型号为MC14052B，设有16个引脚。其中，引脚2Y0、2Y1、2Y2、2Y3相互连通，并都与引脚2Z相连。引脚1Y1引出两路，一路串接第一电阻R51后与-2.5V电源电压相连，另一路串接第一电容C104后接地。引脚1Y0接地，并串接第一电容C104后与引脚1Y1相连。引脚1Y2引出两路，一路串接第二电阻R50后与+2.5V电源电压相连，另一路串接第二电容C103后接地。引脚1Y3接地，并串接第二电容C103与引脚1Y2相连。引脚VEE引出两路，一路接VSS，另一路串接第三电容C78后接地。引脚1Y3串接第三电容C78后与引脚VEE相连。引脚VDD引出两路，一路接VDD，另一路接第四电容C82后接地。引脚GND和接地，并串接第四电容C82后与引脚VDD连接。引脚1Z输出具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形。其中，第二电阻R50和第一电阻R51的电阻阻值均为10k欧。第一电容C104和第二电容C103的电容值均为1μF。第三电容C78和第四C82的电容值均为100nF。

该运算放大单元3包括第一运算放大器31，该第一运算放大器的型号为TL062C，其同相输入端与芯片21的引脚1Z连接。该第一运算放大器31的反相输入端与输出端相连，设置成运放跟随器。运算放大器31的正电源引脚引出两路，一路接VSS，另一路接第五电容C71后接地，其负电源引脚引出两路，一路接VDD，另一路接第六电容C72后接地。第五电容C71和第六电容C72的电容值均为100nF。

该滤波单元4包括3个电阻和5个电容。第一运算放大器31的输出端串接第三电阻R69、第四电阻R67、第五电阻R68后与整形放大单元5的第二运算放大器51的同相输入端相连。第三电阻R69与第四电阻R67之间串接第七电容C112后接地。第五电阻R68与第二运算放大器51的同相输入端之间串接第八电容C144后接地。第四电阻R67与并联的第九电容C109、第十电容C110、第十一电容C111串接后与第二运算放大器51的反相输入端相连。第三电阻R69、第四电阻R67、第五电阻R68的电阻阻值均为13.3K欧。第九电容C109、第十电容C110、第十一电容C111、第七电容C112的电容值均为10nF，且采用NPO电容，第八电容C144的电容值为1.5nF。

该整形放大单元5包括第二运算放大器51，该第二运算放大器51的型号为NJM5534，其反相输入端与输出端相连。第二运算放大器51的正电源引脚引出两路，一路接VDD，另一路接第十二电容C75后接地，其负电源引脚引出两路，一路接VSS，另一路接第十三电容C76后接地。另外，第二运算放大器51的另外两个BAL引脚和COM引脚是空连接。第十二电容C75和第十三电容C76的电容值均为100nF。第二运算放大器51的输出端将基准的正弦波输入到下一级电路。

上述VDD是指+5V电源电压，VSS是指-5V电源电压。

本发明还提供一种用于测量电阻的正弦波产生方法，包括以下步骤：

A.由CPU产生两路具有固定占空比的方波，并分别传送到门整形电路；

B.由门整形电路将方波转换成具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形，并传到运算放大单元；

C.经运算放大单元处理后，信号传到滤波单元；

D.经滤波单元处理后，信号传到整形放大单元；

E.由整形放大单元将信号转换为正弦波。

本发明还提供一种电瓶测试仪，请参阅图6，其为本发明的电瓶测试仪的原理框图。该电瓶测试仪包括上述CPU 1、门整形电路2、运算放大单元3、滤波单元4、整形放大单元5，以及3.3V、5V稳压电源A1、RAM存储器A2、数据显示屏A3、乘法运算器A4、电子切换开关A5、恒流源驱动放大单元A6、电阻信号放大单元A8、电流信号采样单元A9、电压信号采样单元A10和温度信号采样单元A11。

由3.3V、5V稳压电源A1为电瓶测试仪提供工作电源，RAM存储器A2为CPU 1存储数据。当需要检测电瓶的电阻时，CPU 1产生两路固定占空比的方波脉冲，经门整形电路2、运算放大单元3、滤波单元4和整形放大单元5处理后转换成正弦波信号。该正弦波信号分成两路，一路输入到乘法运算器A4；另一路输入到恒流源驱动放大单元A6，使正弦波信号有足够的幅度加于被测量电阻的两极，然后经过被测电阻(即电瓶)A7后将得到一组反馈回来的电阻采样信号。该电阻采样信号再次分成两路，一路进入乘法运算器A4，另一路在电阻信号放大单元A8处进行放大。乘法运算器A4接收到作为基准的正弦波信号和经过被测电阻后反馈回来的电阻采样信号，由于经过被测电阻反馈回来的电阻采样信号会在原来的基准正弦波信号的基础上发生移相，因此两路信号经乘法运算器处理后，产生一个相位差信号，该相位差信号是把极微小的移相变化进行放大的关键处理。该相位差信号和电阻信号放大A8输出的信号同时输出到电子切换开关A5，再输出到CPU 1进行处理，计算出的电瓶的电阻值在数据显示屏A3上显示。

另外，分别通过电流信号采样单元A9、电压信号采样单元A10、温度信号采样单元A11测量得到的电流信号、电压信号以及温度信号也输入到电子切换开关A5，CPU 1通过电子切换开关A5对需要的信号进行切换，处理后的电流、电压和温度数据在数据显示屏A3上显示。

本发明提供的用于测量电阻的正弦波产生电路及方法，相比起现有技术之一：RC、LC正弦波振荡电路，能实现单一频率输出、稳定、可自定义频率的正弦波，电路受外界环境影响较小，精度高；相比起现有技术之二：CPU产生不同占空比的脉冲后经过整形过滤放大电路转换为正弦波的方法，本发明中CPU不用生成不同占空比的方波，而是生成固定占空比的方波，占用CPU资源小，耗电量低，使用时间大大增加，若选用引脚自带方波脉冲输出功能的CPU，则可进一步降低能源消耗；相比起现有技术之三：由方波经积分电路转换为三角波后再产生正弦波的方法，本发明所需要的芯片数量少，能耗低，且比起现有技术中利用电容的充放电产生周期性振荡生成方波，波形的稳定性低，本发明的CPU利用时钟晶振分频产生方波，晶振的稳定性极高，输出的方波更为稳定，因而经转换输出的正弦波稳定性高。

本发明提供的利用用于测量电阻的正弦波产生电路的电瓶测试仪，效果稳定、能耗低、精度高，特别适合用于野外等环境变化大、电源有限的场合。

除了汽车电瓶以外，本发明的用于测量电阻的正弦波产生电路及方法，可用于测量其他蓄电池，比如通讯基站的后备电源中的蓄电池，其工作原理是一致的。当本发明提供的电路、方法被用于测量其他蓄电池的装置时，也属于本发明的保护范围。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种用于测量电阻的正弦波产生电路，其特征在于：包括CPU、门整形电路和整形放大单元，所述CPU产生两路具有固定占空比的方波信号分别传送到所述门整形电路，所述门整形电路将所述方波信号转换成具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形信号，所述整形放大单元将所述阶梯状波形信号转换为正弦波信号；

该门整形电路包括第一芯片，该第一芯片的型号为MC14052B；该CPU的两个引脚将固定占空比的方波分别输入到门整形电路的第一芯片的引脚S1和S0；第一芯片的引脚1Y1引出两路；一路串接第一电阻后与-2.5V电源电压相连，另一路串接第一电容后接地；引脚1Y0接地，并串接第一电容后与引脚1Y1相连；引脚1Y2引出两路，一路串接第二电阻后与+2.5V电源电压相连，另一路串接第二电容后接地；引脚1Y3接地，并串接第二电容与引脚1Y2相连；引脚1Z输出具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形。

2.根据权利要求1所述的用于测量电阻的正弦波产生电路，其特征在于：还包括运算放大单元，所述门整形电路将所述阶梯状波形信号传送到所述运算放大单元处理；

该第一芯片的引脚2Y0、2Y1、2Y2、2Y3相互连通，并都与引脚2Z相连；引脚VEE引出两路，一路接VSS，另一路串接第三电容后接地；引脚1Y3串接第三电容后与引脚VEE相连；引脚VDD引出两路，一路接VDD，另一路接第四电容后接地；引脚GND和接地，并串接第四电容后与引脚VDD连接。

3.根据权利要求2所述的用于测量电阻的正弦波产生电路，其特征在于：所述运算放大单元包括第一运算放大器，所述门整形电路将所述阶梯状波形信号传送到所述第一运算放大器进行处理；所述第一运算放大器设置为运放跟随器；

该第一运算放大器的型号为TL062C，其同相输入端与第一芯片的引脚1Z连接；该第一运算放大器的反相输入端与输出端相连，设置成运放跟随器；第一运算放大器的正电源引脚引出两路，一路接VSS，另一路接第五电容后接地，其负电源引脚引出两路，一路接VDD，另一路接第六电容后接地。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的用于测量电阻的正弦波产生电路，其特征在于：还包括滤波单元，其接收所述运算放大单元发出的信号，并将处理后的信号传送到所述整形放大单元；所述运算放大单元包括第一运算放大器；

该滤波单元包括第三至第五电阻和第七至第十一电容；第一运算放大器的输出端串接第三电阻、第四电阻、第五电阻后与整形放大单元的第二运算放大器的同相输入端相连；第三电阻与第四电阻之间串接第七电容后接地；第五电阻与第二运算放大器的同相输入端之间串接第八电容后接地；第四电阻与并联的第九电容、第十电容、第十一电容串接后与第二运算放大器的反相输入端相连。

5.根据权利要求4所述的用于测量电阻的正弦波产生电路，其特征在于：所述门整形电路包括第一芯片，所述整形放大单元包括第二运算放大器，所述第一芯片、所述第一运算放大器、所述第二运算放大器均使用正、负电源供电；

该第二运算放大器的型号为NJM5534，其反相输入端与输出端相连；第二运算放大器的正电源引脚引出两路，一路接VDD，另一路接第十二电容后接地，其负电源引脚引出两路，一路接VSS，另一路接第十三电容后接地；第二运算放大器的另外两个BAL引脚和COM引脚是空连接；第二运算放大器的输出端将基准的正弦波输入到下一级电路。

6.一种用于测量电阻的正弦波产生方法，其特征在于包括以下步骤：

a.由CPU产生两路具有固定占空比的方波信号，并分别传送到门整形电路；

b.由门整形电路将所述方波信号转换成具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形信号；

c.由整形放大单元将所述阶梯状波形信号转换为正弦波信号；

该门整形电路包括第一芯片，该第一芯片的型号为MC14052B；该CPU的两个引脚将固定占空比的方波分别输入到门整形电路的第一芯片的引脚S1和S0；第一芯片的引脚1Y1引出两路；一路串接第一电阻后与-2.5V电源电压相连，另一路串接第一电容后接地；引脚1Y0接地，并串接第一电容后与引脚1Y1相连；引脚1Y2引出两路，一路串接第二电阻后与+2.5V电源电压相连，另一路串接第二电容后接地；引脚1Y3接地，并串接第二电容与引脚1Y2相连；引脚1Z输出具有交替的波峰和波谷的阶梯状波形。

7.根据权利要求6所述的用于测量电阻的正弦波产生方法，其特征在于：在步骤b后还包括步骤：所述阶梯状波形信号传送到运算放大单元处理；所述运算放大单元包括第一运算放大器，所述门整形电路将所述阶梯状波形信号传送到所述第一运算放大器进行处理；所述第一运算放大器设置为运放跟随器；

该第一芯片的引脚2Y0、2Y1、2Y2、2Y3相互连通，并都与引脚2Z相连；引脚VEE引出两路，一路接VSS，另一路串接第三电容后接地；引脚1Y3串接第三电容后与引脚VEE相连；引脚VDD引出两路，一路接VDD，另一路接第四电容后接地；引脚GND和接地，并串接第四电容后与引脚VDD连接；

该第一运算放大器的型号为TL062C，其同相输入端与第一芯片的引脚1Z连接；该第一运算放大器的反相输入端与输出端相连，设置成运放跟随器；运算放大器的正电源引脚引出两路，一路接VSS，另一路接第五电容后接地，其负电源引脚引出两路，一路接VDD，另一路接第六电容后接地。

8.根据权利要求7所述的用于测量电阻的正弦波产生方法，其特征在于：在步骤c前还包括步骤：所述运算放大单元处理后的信号传送到滤波单元进行处理，再传送到所述整形放大单元；

该滤波单元包括第三至第五电阻和第七至第十一电容；第一运算放大器的输出端串接第三电阻、第四电阻、第五电阻后与整形放大单元的第二运算放大器的同相输入端相连；第三电阻与第四电阻之间串接第七电容后接地；第五电阻与第二运算放大器的同相输入端之间串接第八电容后接地；第四电阻与并联的第九电容、第十电容、第十一电容串接后与第二运算放大器的反相输入端相连。

9.根据权利要求8所述的用于测量电阻的正弦波产生方法，其特征在于：所述门整形电路包括第一芯片，所述整形放大单元包括第二运算放大器，所述第一芯片、所述第一运算放大器、所述第二运算放大器均使用正、负电源供电；

该第二运算放大器的型号为NJM5534，其反相输入端与输出端相连；第二运算放大器的正电源引脚引出两路，一路接VDD，另一路接第十二电容后接地，其负电源引脚引出两路，一路接VSS，另一路接第十三电容后接地；第二运算放大器的另外两个BAL引脚和COM引脚是空连接；第二运算放大器的输出端将基准的正弦波输入到下一级电路。

10.一种电瓶测试仪，其特征在于：包括根据权利要求1至5中任一项所述的用于测量电阻的正弦波产生电路；所述电瓶测试仪还包括乘法运算器、电子切换开关、恒流源驱动放大单元、电阻信号放大单元；

该用于测量电阻的正弦波产生电路所产生的正弦波信号分成两路，一路输入到乘法运算器；另一路输入到恒流源驱动放大单元，使正弦波信号有足够的幅度加于被测量电阻的两极，经过被测电阻后得到一组反馈回来的电阻采样信号；该电阻采样信号再次分成两路，一路进入乘法运算器，另一路在电阻信号放大单元处进行放大；乘法运算器接收到作为基准的正弦波信号和经过被测电阻后反馈回来的电阻采样信号，两路信号经乘法运算器处理后，产生一个相位差信号；该相位差信号和电阻信号放大单元输出的信号同时输出到电子切换开关，再输出到CPU进行处理，计算出电瓶的电阻值。