CN105699752A - 一种采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采样装置，包括：采样单元，采集主电路的电流信号和/或电压信号；处理器单元，接收采样单元采集的电流信号和/或电压信号；存储单元，接收处理器单元传送过来的采样数据、程序数据和启动运行数据并存储；电源单元，为采样单元、处理器单元和储存单元提供电能；电源单元包括主电源电路和采样基准电路，主电源电路包括低压降稳压器、与低压降稳压器输入端连接的第一处理电路和与低压降稳压器输出端连接的第二处理电路；采样基准电路包括带隙基准电压源芯片、与带隙基准电压源芯片输入端连接的第三处理电路和与带隙基准电压源芯片输出端连接的第四处理电路。主电源电路和采样基准电路输出电压的高稳定性，保证了采样装置的精确度。

Description

一种采样装置

技术领域

本发明涉及电信号采样技术领域，具体涉及一种采样装置。

背景技术

电信号采样是将时间上、幅值上都连续的模拟电流信号或模拟电压信号，在采样脉冲的作用，转换成时间上离散(时间上有固定间隔)、但幅值上仍连续的离散模拟信号。

在微机控制装置中，经常要用到电信号采集模块，用来将模拟电信号转换为微处理器能够识别的数字信号，以根据主电路中的电流电压情况作出相应的控制反应。因此，采样信号的精确度至关重要，直接影响微处理器的判断及后续的动作。除了采样电路本身的可靠性外，给采样电路供电的电源电路以及采样基准电路的可靠性和稳定性也会影响采样信号的精确度。

直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。目前的电信号采样电路也是使用直流稳压电源作为供电电源和采样基准电路，但是现有的直流稳压电源难以保证输出直流电压的稳定性。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有采样装置的供电电源和采样基准电路输出电压的稳定性不高导致输入到处理器中的采样信号的精确度难以保证。

为此，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种采样装置，包括：

采样单元，采集主电路的电流信号和/或电压信号；

处理器单元，接收采样单元采集的电流信号和/或电压信号并进行处理，以及发送对应的采样数据、程序数据和启动运行数据；

存储单元，接收处理器单元传送过来的采样数据、程序数据和启动运行数据并存储；

电源单元，为采样单元、处理器单元和储存单元提供电能；

电源单元包括主电源电路和采样基准电路，主电源电路包括低压降稳压器、与低压降稳压器输入端连接的第一处理电路和与低压降稳压器输出端连接的第二处理电路，第一处理电路包括第一滤波电路，第二处理电路包括第一稳压电路；采样基准电路包括带隙基准电压源芯片、与带隙基准电压源芯片输入端连接的第三处理电路和与带隙基准电压源芯片输出端连接的第四处理电路，第三处理电路包括第二滤波电路，第四处理电路包括第二稳压电路。

优选地，第一滤波电路包括电感B3、电容C77和C75，电感B3的第一端连接外接电源、第二端与低压降稳压器的输入端连接，电容C77的第一端和电容C75的第一端分别与电感B3的第二端连接，电容C77的第二端和电容C75的第二端共同接地。

优选地，第一稳压电路包括二极管D1和电容C78、C76，二极管D1的阴极与低压降稳压器的输出端连接、阳极接地，电容C78的第一端、电容C76的第一端分别与低压降稳压器的输出端连接，电容C78的第二端、电容C76的第二端共同接地，电容C78的第一端与电容C76的第一端的连接处作为主电源电路的输出端。

优选地，第二滤波电路包括电容C85、C86，电容C85的第一端、电容C86的第一端分别与带隙基准电压源芯片的输入端连接，电容C85的第二端、电容C86的第二端共同接地，带隙基准电压源芯片的输入端连接主电源电路的输出端。

优选地，第二稳压电路包括二极管D3和电容C88、C89，电容C88的第一端、电容C89的第一端分别与带隙基准电压源芯片的输出端连接，电容C88的第二端、电容C89的第二端共同接地，二极管D3的阴极与带隙基准电压源芯片的输出端连接，二极管D3的阳极接地。

优选地，存储单元包括铁电存储器、同步动态随机存储器和可擦写非易失性存储器(NORFLASH)，铁电存储器用于存储采样数据和掉电时的数据，同步动态随机存储器用于存放系统运行数据，可擦写非易失性存储器(NORFLASH)用于存储处理器单元的启动数据和程序数据。

优选地，采样单元包括电压采样电路和/或电流采样电路，电压采样电路用于采集主电路的电压信号，电流采样电路用于采集主电路的电流信号。

优选地，电压采样电路包括电压采样调理电路。

优选地，电流采样电路包括电流采样调理电路。

优选地，还包括具有监视功能的自动复位电路，自动复位电路与处理器单元连接。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的一种采样装置，主电源电路采用5V的低压降稳压器TPS73250DBVR，可以在无输出电容情况下依然稳定输出，负载瞬态响应性能好，反向漏电流低，噪声低。解决了由于直流电源模块存在噪声，间接导致输出电压不稳定的问题。低压降稳压器的输入端设有第一滤波电路，用于对外接的输入电源进行滤波处理以消除其中的交流成分，提高输入电压的稳定性。低压降稳压器的输出端设有第一稳压电路，进一步提高主电源电路输出电压的稳定性。其采样基准电路采用2.5V的超高精度带隙基准电压源AD780BR，具有高精度、低噪声、低初始误差、低静态电流，宽输入、低温漂和输出电压稳定等优点，解决了由于直流电源模块存在噪声间接导致输出电压不稳定的问题以及由于电子元件的温漂大导致输出电压不稳定的问题。带隙基准电压源芯片的输入端设有第二滤波电路，用于对外接的输入电源进行滤波处理以消除输入电源中的交流成分，提高输入电压的稳定性，解决了由于输入电压不稳定导致采样基准电路输出电压不稳定的技术问题。带隙基准电压源芯片的输出端设有第二稳压电路，进一步提高采样基准电路输出电压的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的一种采样装置的原理框图；

图2为图1中的主电源电路图；

图3为图1中的采样基准电路图；

图4为本发明实施例中的一种采样装置(不包括电源单元)的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，本施例提供一种采样装置，包括：

采样单元1，采集主电路的电流信号和/或电压信号；

处理器单元2，接收采样单元1采集的电流信号和/或电压信号并进行处理，以及发送对应的采样数据、程序数据和启动运行数据；

存储单元3，接收处理器单元2传送过来的采样数据、程序数据和启动运行数据并存储；

电源单元4，为采样单元1、处理器单元2和储存单元提供电能；

电源单元4包括主电源电路41和采样基准电路42，主电源电路41包括低压降稳压器412、与低压降稳压器412输入端连接的第一处理电路411和与低压降稳压器412输出端连接的第二处理电路413，第一处理电路411包括第一滤波电路，第二处理电路413包括第一稳压电路；采样基准电路42包括带隙基准电压源芯片422、与带隙基准电压源芯片422输入端连接的第三处理电路421和与带隙基准电压源芯片422输出端连接的第四处理电路423，第三处理电路421包括第二滤波电路，第四处理电路423包括第二稳压电路。

本实施例提供的采样装置，主电源电路41采用5V的低压降稳压器412(TPS73250DBVR)，可以在无输出电容情况下依然稳定输出，负载瞬态响应性能好，反向漏电流低，噪声低。解决了由于直流电源模块存在噪声，间接导致输出电压不稳定的问题。低压降稳压器412的输入端设有第一滤波电路，用于对外接的输入电源进行滤波处理以消除其中的交流成分，提高输入电压的稳定性。低压降稳压器412的输出端设有第一稳压电路，进一步提高主电源电路41输出电压的稳定性。

本实施例提供的采样装置，其采样基准电路42采用2.5V的超高精度带隙基准电压源AD780BR，具有高精度、低噪声、低初始误差、低静态电流(小于1mA)，宽输入(4V-36V)、低温漂(低于3ppm/℃)和输出电压稳定等优点，解决了由于直流电源模块存在噪声间接导致输出电压不稳定的问题以及由于电子元件的温漂大导致输出电压不稳定的问题。带隙基准电压源芯片422的输入端设有第二滤波电路，用于对外接的输入电源进行滤波处理以消除输入电源中的交流成分，提高输入电压的稳定性，解决了由于输入电压不稳定导致采样基准电路42输出电压不稳定的技术问题。带隙基准电压源芯片422的输出端设有第二稳压电路，进一步提高采样基准电路42输出电压的稳定性。

上述采样装置可用于电能质量分析数据的采集，即实时采集三相交流电网中各相的电流和电压信号，然后根据IEC61000-4-30标准计算电能质量指标和进行电能累计，同时也进行电能质量暂态和瞬态事件判断。采样模块首先进行10周波数据计算，然后由10周波数据计算3秒数据。采样装置的作用就是进行电能质量各项指标的计算和电能累计，保证测量的准确性和计量的可靠性。

作为具体的实施方式，如图2所示，第一滤波电路包括电感B3、电容C77和C75，电感B3的第一端连接外接电源、第二端与低压降稳压器412(即图2中的U12)的输入端连接，电容C77的第一端和电容C75的第一端分别与电感B3的第二端连接，电容C77的第二端和电容C75的第二端共同接地。该第一滤波电路使用串联的电感B3、并联的电容C77和C75，在低压降稳压器412之前对输入电源进行滤波处理，消除了其中的交流成分。

作为具体的实施方式，如图2所示，第一稳压电路包括二极管D1和电容C78、C76，二极管D1的阴极与低压降稳压器412(即图2中的U12)的输出端连接、阳极接地，电容C78的第一端、电容C76的第一端分别与低压降稳压器412的输出端连接，电容C78的第二端、电容C76的第二端共同接地，电容C78的第一端与电容C76的第一端的连接处作为主电源电路41的输出端。二极管D1为稳压二极管，可以保证在主电源电路41输出电流在很大范围内变化时保持输出电压基本不变，另外二极管D1还可以作为静电防护器件，在低压降稳压器412输出电压后进行噪声处理以及自身保护。并联的电容C78、C76可以进一步提高主电源电路41输出电压的稳定性。

具体地，上述主电源电路41还包括电容C82，电容C82的一端与低压降稳压器412(TPS73250DBVR)(即图2中的U12)的NR/FB管脚连接、另一端接地，该电容C82可以滤除内部带隙产生的噪声。

在其他的实施方式中，上述第二处理电路413还包括电感B4，电感B4的第一端与电容C78的第一端和电容C76的第一端的连接处连接，电感B4的第二端作为主电源电路41的输出端。

另外，为了实时指示该主电源电路41的工作状态，该主电源电路41还包括发光二极管LED3，发光二极管LED3的阳极通过限流电阻R28与电感B4的第二端连接、阴极接地。

作为具体的实施方式，如图3所示，第二滤波电路包括电容C85、C86，电容C85的第一端、电容C86的第一端分别与带隙基准电压源芯片422(即图3中的U14)的输入端连接，电容C85的第二端、电容C86的第二端共同接地，带隙基准电压源芯片422的输入端连接主电源电路41的输出端。该第二滤波电路设置在带隙基准电压源芯片422之前，使用并联的电容C85、C86对输入电源进行滤波处理以消除输入电源中的交流成分。

另外，第三处理电路421还包括用于稳压降噪的电容C87，其一端与带隙基准电压源芯片422(即图3中的U14)的TEMP管脚连接，另一端接地。

作为具体的实施方式，如图3所示，第二稳压电路包括二极管D3和电容C88、C89，电容C88的第一端、电容C89的第一端分别与带隙基准电压源芯片422(即图3中的U14)的输出端连接，电容C88的第二端、电容C89的第二端共同接地，二极管D3的阴极与带隙基准电压源芯片422(即图3中的U14)的输出端连接，二极管D3的阳极接地。其中，二极管D3为稳压二极管，可以保证在采样基准电路42的输出电流在很大范围内变化时输出电压的稳定性。另外，二极管D3也为静电防护器件，在带隙基准电压源芯片422输出电压后进行噪声处理以及自身保护。并联的电容C88、C89可以进一步提高采样基准电路42输出电压的稳定性。

具体地，如图4所示，存储单元3包括铁电存储器、同步动态随机存储器和可擦写非易失性存储器(NORFLASH)，铁电存储器用于存储采样数据和掉电时的数据，同步动态随机存储器用于存放系统运行数据，可擦写非易失性存储器(NORFLASH)用于存储处理器单元2的启动数据和程序数据。

本实施例中，该采样装置处理器采用TI的DSP芯片TMS320C6747。该装置通过DSP芯片的UART1串口接入上位机，实现与上位机的通讯。DSP芯片TMS320C6747是双核低功耗处理器，主频可达到300MHz，每秒可执行2400百万条定点指令，每秒可执行1800百万条浮点指令，能够实现采样数据的实时处理并根据处理结果完成相应的工业控制。在本装置中主要用于完成对采样单元1采集的海量数据进行实时运算，当用于电能质量分析数据的采集时，具体是完成对A、B、C三相的电流、电压采集，以及有功功率、无功功率和电能质量指标的计算处理。

上述铁电存储器采用铁电的FM25V10RAM芯片，通过SPI串口与DSP芯片连接。铁电存储器将ROM的非易失性存储特性和RAM的无限次读写、高速以及低功耗等优点结合在一起。本装置采用铁电存储器FM25V10基于SPI总线技术，SPI总线具有高速且可靠的优点。适用于存放采样得到的大量数据以及装置掉电时需要存储的数据。

同步动态随机存储器(即SDRAM)采用MT48LC16M16A2TG芯片，通过EMIFB的16Bit的并口和DSP芯片连接。该装置由于采集的电流电压数据量大，因此在系统运行中要求的存储量大，高速大容量的SDRAM的能够满足该装置对海量数据的吞吐要求，是DSP芯片赖以运行的内存。

8Bit的可擦写非易失性存储器(NORFLASH)通过EMIFA的8Bit的高速并口和DSP芯片连接。

作为具体的实施方式，采样单元1包括电压采样电路和/或电流采样电路，电压采样电路用于采集主电路的电压信号，电流采样电路用于采集主电路的电流信号。电压采样电路具体包括电压采样调理电路。电流采样电路具体包括电流采样调理电路。另外，本实施例中的AD转换芯片采用的是TI的ADS8365，该芯片是一种高速、低功耗、6通道同步采样与转换、单+5V供电的模数转换芯片。转换最大采样吞吐率可高达5MHz，并带有80dB的共模抑制的全差分输入通道及6个差分采样保持器。引脚内部还带有2.5V的基准电压和高速并口。因此采用TI的ADS8365，该AD芯片的精度和通道数，完全满足该系统对三相电的电流和电压的采样要求。ADS8365通过EMIFA的8Bit并口和DSP芯片连接，ADS8365的六个通道分别采样三相电的电压和电流，转换为数字信号通过高速并口将信号输入DSP芯片，经过DSP芯片的运算可以得到A、B、C三相的电流、电压、有功功率、无功功率以及电能质量指标等数据。

作为优选的实施方式，该装置还包括具有监视功能的自动复位电路，自动复位电路与处理器单元2连接。DSP6747处理芯片需要系统在上电时为其提供一个100-200ms的复位脉冲以进行复位，由于DSP6747处理芯片的工作频率达到300MHz以上时可能会发生干扰和被干扰的现象，导致系统死机，所以需要配备具有监视功能的自动复位电路以起到看门狗的作用。本实施例采用Maxim公司生产的MAX706复位芯片，该芯片具有外围电路简单、能有效的提高该装置的可靠性和抗干扰能力。

另外，本实施例提供的采样装置还包括与DSP芯片的CLKIN接口连接的24M的晶振。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种采样装置，其特征在于，包括：

采样单元(1)，采集主电路的电流信号和/或电压信号；

处理器单元(2)，接收所述采样单元(1)采集的电流信号和/或电压信号并进行处理，以及发送对应的采样数据、程序数据和启动运行数据；

存储单元(3)，接收所述处理器单元(2)传送过来的采样数据、程序数据和启动运行数据并存储；

电源单元(4)，为所述采样单元(1)、所述处理器单元(2)和所述储存单元提供电能；

所述电源单元(4)包括主电源电路(41)和采样基准电路(42)，所述主电源电路(41)包括低压降稳压器(412)、与所述低压降稳压器(412)输入端连接的第一处理电路(411)和与所述低压降稳压器(412)输出端连接的第二处理电路(413)，所述第一处理电路(411)包括第一滤波电路，所述第二处理电路(413)包括第一稳压电路；所述采样基准电路(42)包括带隙基准电压源芯片(422)、与所述带隙基准电压源芯片(422)输入端连接的第三处理电路(421)和与所述带隙基准电压源芯片(422)输出端连接的第四处理电路(423)，所述第三处理电路(421)包括第二滤波电路，所述第四处理电路(423)包括第二稳压电路。

2.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述第一滤波电路包括电感B3、电容C77和C75，所述电感B3的第一端连接外接电源、第二端与所述低压降稳压器(412)的输入端连接，所述电容C77的第一端和所述电容C75的第一端分别与所述电感B3的第二端连接，所述电容C77的第二端和所述电容C75的第二端共同接地。

3.如权利要求1或2所述的采样装置，其特征在于，所述第一稳压电路包括二极管D1和电容C78、C76，所述二极管D1的阴极与所述低压降稳压器(412)的输出端连接、阳极接地，所述电容C78的第一端、所述电容C76的第一端分别与所述低压降稳压器(412)的输出端连接，所述电容C78的第二端、所述电容C76的第二端共同接地，所述电容C78的第一端与所述电容C76的第一端的连接处作为所述主电源电路(41)的输出端。

4.如权利要求1-3中任一项所述的采样装置，其特征在于，所述第二滤波电路包括电容C85、C86，所述电容C85的第一端、所述电容C86的第一端分别与所述带隙基准电压源芯片(422)的输入端连接，所述电容C85的第二端、所述电容C86的第二端共同接地，所述带隙基准电压源芯片(422)的输入端连接所述主电源电路(41)的输出端。

5.如权利要求1-4中任一项所述的采样装置，其特征在于，所述第二稳压电路包括二极管D3和电容C88、C89，所述电容C88的第一端、所述电容C89的第一端分别与所述带隙基准电压源芯片(422)的输出端连接，所述电容C88的第二端、所述电容C89的第二端共同接地，所述二极管D3的阴极与所述带隙基准电压源芯片(422)的输出端连接，所述二极管D3的阳极接地。

6.如权利要求1-5中任一项所述的采样装置，其特征在于，所述存储单元(3)包括铁电存储器、同步动态随机存储器和可擦写非易失性存储器(NORFLASH)，所述铁电存储器用于存储采样数据和掉电时的数据，所述同步动态随机存储器用于存放系统运行数据，所述可擦写非易失性存储器(NORFLASH)用于存储所述处理器单元(2)的启动数据和程序数据。

7.如权利要求1-6中任一项所述的采样装置，其特征在于，所述采样单元(1)包括电压采样电路和/或电流采样电路，所述电压采样电路用于采集主电路的电压信号，所述电流采样电路用于采集主电路的电流信号。

8.如权利要求1-7中任一项所述的采样装置，其特征在于，所述电压采样电路包括电压采样调理电路。

9.如权利要求1-8中任一项所述的采样装置，其特征在于，所述电流采样电路包括电流采样调理电路。

10.如权利要求1-9中任一项所述的采样装置，其特征在于，还包括具有监视功能的自动复位电路，所述自动复位电路与所述处理器单元(2)连接。