CN106443117B - 一种程控多量程采集电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种程控多量程采集电路，包括三组输入信号调理电路；三组输入信号调理电路的输入端分别与信号源的输入正、负相接，单极性调整参考Vref电路的输出端分别与三组输入信号调理电路的输入正相接，三组输入信号调理电路的输出端分别接模拟开关的对应输入端，模拟开关的输出端接模数转换器输入端，模数转换器的输出端与FPGA芯片的可编程端口相接，FPGA芯片还与单极性调整参考Vref电路、模拟开关相接。本发明克服了现有技术在系统变更中无法适应的不足，且结构简单，工作可靠，适用性强。

Description

一种程控多量程采集电路
技术领域
本发明属于程控多量程采集电路技术领域，具体涉及一种程控多量程采集电路。
背景技术
随着信息技术高速发展，工业现场的模拟信号源的品种越来越多，对于采集系统的适应性带来不小的挑战。传统的信号采集单元在设计系统时就要考虑好未来外部信号源的种类和特征，且一旦系统设计完成，外部信号的更改就只能主动适应采集设备的性能指标。因此，在采集设备设计过程中，外部信号的兼容性是其设计的一个重要考量方面。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种程控多量程采集电路，该程控多量程采集电路旨在解决工业现场模拟信号源的适应性问题，其可在不改变外部电路的情况下，通过软件设置完成采集系统与模拟信号源的匹配，从而提高电路的适应性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种程控多量程采集电路，包括第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路，单极性调整参考Vref电路，用于切换不同量程的输入信号调理电路输出的信号量的模拟开关6，模数转换器8、FPGA芯片10；所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的输入端分别与信号源1的输入正、输入负相接，单极性调整参考Vref电路的输出端分别与所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的输入正相接，所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的输出端分别接所述多路模拟开关6的输入端，所述多路模拟开关6的输出端接所述模数转换器8的输入端，所述模数转换器8的输出端与所述FPGA芯片10的可编程端口相接，所述FPGA芯片10还与所述单极性调整参考Vref电路、多路模拟开关6相接，用于根据输入的电压范围，输出切换控制信号，使所述单极性调整参考Vref电路的断开或闭合、使所述多路模拟开关6选择相应的通道输入、使模数转换器8切换至相应的采集量程完成信号的采集。
所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的电路相同；其中，第一信号输入调理电路均包括有电阻11，电阻12，电阻13，电阻14以及运算放大器2；运算放大器2的输出端连接多路模拟开关6的输入端口1；电阻11，电阻12并联接入运算放大器2的输入正，电阻11的另一端接入单极性调整参考Vref电路的输出端，电阻12的另一端接入信号源1的输入正，电阻13与电阻1)并联接入运算放大器2的输入负，电阻13的另一端接入信号源1的输出负，电阻14的另一端连接运算放大器2的输出端；
所述第二输入信号调理电路包括有电阻15，电阻16，电阻17，电阻18及运算放大器3，运算放大器3的输出端连接多路模拟开关6的输入端口2；
所述第三输入信号调理电路包括电阻19，电阻20，电阻21，电阻22及运算放大器4，运算放大器4的输出连接多路模拟开关6的输入端口3。
所述单极性调整参考Vref电路包括输出端与三个输入信号调理电路的输入正相连接的运算放大器5，电阻23，电阻24，电阻25，单路模拟开关7，电压基准源9；电阻23与电阻24并联接入运算放大器5的输入负，电阻23的另一端接入运算放大器5的输出端，电阻24的另一端连接单路模拟开关7的输出端，单路模拟开关7的输入端连接电压基准源9的输出端，电阻25的一端连接运算放大器5的输入正，电阻25的另一端连接信号地，单路模拟开关7与FPGA芯片10相连接，由FPGA芯片10根据输入的电压范围，输出切换控制信号，使所述单路模拟开关7断开或闭合，从而使单极性调整参考Vref电路实现断开或闭合。
所述电阻23，电阻24，电阻25的阻值相等，所述单极性调整参考Vref电路使输入信号调理电路的输入输出关系如下：
Vo＝K*(Vi+-Vi-)+Vref；
其中，Vo为输入信号调理电路中运算放大器2、运算放大器3、运算放大器4的输出电压；Vi+为信号源1的输出正；Vi-为信号源1的输出负；K为输入信号调理电路中的放大系数。
所述模数转换器8的输入范围为±10V和±5V；其中，
第一输入信号调理电路的放大系数是1，当输入信号满足双极性±10V或单极性0～10V时选用；
第二输入信号调理电路的放大系数是2，当输入信号满足双极性±5V或单极性0～5V时选用；
第三输入信号调理电路的放大系数是0.5，当输入信号满足双极性±20V或单极性0～20V时选用。
与现有技术相比，本发明系统中对于不同输入电压量程使用多路运放、模拟开关、电压基准进行信号调理，然后通过模拟开关切换输入源，传送到模数转换器进行采集，全部控制都可由FPGA程控完成，克服了现有技术在系统变更中无法适应的不足，并具有结构简单，工作可靠，适用性强等特点。
附图说明
图1出示了本发明的程控多量程采集电路的电路图。
图2所示为FPGA芯片10的切换逻辑图。
具体实施方式
下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。
参见图1所示，一种程控多量程采集电路,包括：
第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路，单极性调整参考Vref电路，用于切换不同量程的输入信号调理电路输出的信号量的多路模拟开关6，模数转换器8、FPGA芯片10；所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的输入端分别与信号源1的输入正、输入负相接，单极性调整参考Vref电路的输出端分别与所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的输入正相接，所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的输出端分别接所述多路模拟开关6的输入端，所述多路模拟开关6的输出端接所述模数转换器8的输入端，所述模数转换器8的输出端与所述FPGA芯片10的可编程端口相接，所述FPGA芯片10还与单极性调整参考Vref电路、多路模拟开关6相接，用于根据输入的电压范围，输出切换控制信号，使所述单极性调整参考Vref电路的断开或闭合、使所述多路模拟开关6选择相应的通道输入、使模数转换器8切换至相应的采集量程完成信号的采集。
其中，所述第一输入信号调理电路包括电阻11，电阻12，电阻13，电阻14以及运算放大器2；电阻11与电阻12并联接入运算放大器2(图1中显示为运放)的输入正，电阻11的另一端接入单极性调整参考Vref电路的输出端，电阻12的另一端接入信号源1的输入正，电阻13与电阻14并联接入运算放大器2的输入负，电阻13的另一端接入信号源1的输出负，电阻14的另一端连接运算放大器2的输出端，运算放大器2的输出端连接多路模拟开关6的输入端口1；
所述第二输入信号调理电路包括有电阻15，电阻16，电阻17，电阻18及运算放大器3，其输出端连接多路模拟开关6的输入端口2，所述电阻15，电阻16，电阻17，电阻18及运算放大器3的连接关系与输入信号调理电路相同；
所述第三输入信号调理电路包括电阻19，电阻20，电阻21，电阻22及运算放大器4，其输出连接多路模拟开关6的输入端口3；电阻19，电阻20，电阻21，电阻22及运算放大器4的连接关系与输入信号调理电路相同。
本发明中，三个输入信号调理电路的原理一致，其作用是变换信号源1输出的信号，通过变换后将不同的信号范围变换到模数转换器8可接受的信号范围。
所述单极性调整参考Vref电路，包括输出端与三个输入信号调理电路的输入正相连接的运算放大器5，电阻23，电阻24，电阻25，单路模拟开关7，电压基准源9；其中，电阻23与电阻24并联接入运算放大器5的输入负，电阻23的另一端接入运算放大器5的输出端，电阻24的另一端连接单路模拟开关7的输出端，单路模拟开关7的输入端连接电压基准源9的输出端，电阻25的一端连接运算放大器5的输入正，电阻25的另一端连接信号地，单路模拟开关7与FPGA芯片10相连接，由FPGA芯片10根据输入的电压范围，输出切换控制信号，使所述单路模拟开关7断开或闭合，从而使单极性调整参考Vref电路实现断开或闭合。
所述模数转换器8输入范围为±10V和±5V，第一输入信号调理电路的放大系数是1，当输入信号满足双极性±10V或单极性0～10V时选用；
第二输入信号调理电路的放大系数是2，当输入信号满足双极性±5V或单极性0～5V时选用；
第三输入信号调理电路的放大系数是0.5，当输入信号满足双极性±20V或单极性0～20V时选用。
所述运算放大器5，电阻23，电阻24，电阻25，单路模拟开关7，电压基准源9组成输入信号调理电路的单极性调整参考Vref电路，其中，电阻23，电阻24与电阻25三个电阻的阻值相等，其使输入信号调理电路的输入输出关系如下：
Vo＝K*(Vi+-Vi-)+Vref；
其中Vo为三个输入信号调理电路中运算放大器2，运算放大器3，运算放大器4的输出电压；
Vi+为信号源1的输出正；
Vi-为信号源1的输出负；
K为输入信号调理电路中的放大系数，以组输入信号调理电路为例，当电阻11等于电阻14，电阻12等于电阻13时；
K＝R12/R11；其中R12为电阻12，R11为电阻11；
当电阻12等于电阻11时，K＝1；
同理，电阻16等于两倍的电阻15时，K＝2；
电阻20等于电阻19二分之一时，K＝0.5。
所述电压基准源9可以输出5V±0.002V的电压基准，当信号源1输出的信号为单极性信号时，单路模拟开关7闭合，运算放大器5输出电压为-5V作为Vref，当信号源1输出的信号为双极性信号时，单路模拟开关7断开，运算放大器5输出电压为0V作为Vref，FPGA芯片10完成对单路模拟开关7的控制。
本发明中，所述多路模拟开关6，用于切换不同量程的输入信号调理电路输出的信号量，多路模拟开关6的切换动作有FPGA芯片10完成。
所述模数转换器8用于将模拟信号转换为计算机可识别的数字信号，由FPGA芯片10读取；同时模数转换器8可以由FPGA芯片10控制采集量程，可以切换为±10V用于双极性、±5V用于单极性。
所述FPGA芯片10用于完成对多路模拟开关6，单路模拟开关7及模数转换器8的控制，可以根据不同量程完成切换动作；
具体实现上，所述、二、三、四运算放大器可以采用运放芯片OP4177，所述多路模拟开关6为8路模拟开关，选用芯片ADG1408，所述单路模拟开关7选用芯片ADG1402，所述模数转换器8采用ADAS3023，所述电压基准源9选用芯片ADR435，所述FPGA芯片10采用门阵列EP3C5。
图2所示为FPGA芯片10的切换逻辑。
当输入电压范围为±10V，FPGA芯片10控制单路模拟开关7断开，多路模拟开关6选择通道1输入，模数转换器8切换为±10V采集量程；
当输入电压范围为±5V，FPGA芯片10控制单路模拟开关7断开，多路模拟开关6选择通道2输入，模数转换器8切换为±10V采集量程；
当输入电压范围为±20V，FPGA芯片10控制单路模拟开关7断开，多路模拟开关6选择通道3输入，模数转换器8切换为±10V采集量程；
当输入电压范围为0～10V，FPGA芯片10控制单路模拟开关7闭合，多路模拟开关6选择通道1输入，模数转换器8切换为±5V采集量程；
当输入电压范围为0～5V，FPGA芯片10控制单路模拟开关7闭合，多路模拟开关6选择通道2输入，模数转换器8切换为±5V采集量程；
当输入电压范围为0～20V，FPGA芯片10控制单路模拟开关7闭合，多路模拟开关6选择通道3输入，模数转换器8切换为±5V采集量程，完成过程可以全部由计算机控制，完成程控切换不同量程。
本发明电路可用于工业控制领域，尤其是输入模拟量幅值范围变化较多的系统中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种程控多量程采集电路，其特征在于，包括第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路，单极性调整参考Vref电路，用于切换不同量程的输入信号调理电路输出的信号量的多路模拟开关(6)，模数转换器(8)、FPGA芯片(10)；所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的输入端分别与信号源(1)的输入正、输入负相接，单极性调整参考Vref电路的输出端分别与所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的输入正相接，所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的输出端分别接所述多路模拟开关(6)的输入端，所述多路模拟开关(6)的输出端接所述模数转换器(8)的输入端，所述模数转换器(8)的输出端与所述FPGA芯片(10)的可编程端口相接，所述FPGA芯片(10)还与所述单极性调整参考Vref电路、多路模拟开关(6)相接，用于根据输入的电压范围，输出切换控制信号，使所述单极性调整参考Vref电路选择输出相应参考电压、使所述多路模拟开关(6)选择相应的通道输入、使模数转换器(8)切换至相应的采集量程完成信号的采集。
2.根据权利要求1所述程控多量程采集电路，其特征在于，所述第一输入信号调理电路，第二输入信号调理电路，第三输入信号调理电路的电路相同；其中，第一信号输入调理电路均包括有电阻(11)，电阻(12)，电阻(13)，电阻(14)以及一个运算放大器(2)；运算放大器(2)的输出端连接多路模拟开关(6)的输入端口1；电阻(11)，电阻(12)并联接入运算放大器(2)的输入正，电阻(11)的另一端接入单极性调整参考Vref电路的输出端，电阻(12)的另一端接入信号源(1)的输入正，电阻(13)与电阻(14)并联接入运算放大器(2)的输入负，电阻(13)的另一端接入信号源(1)的输出负，电阻(14)的另一端连接运算放大器(2)的输出端；
所述第二输入信号调理电路包括有电阻(15)，电阻(16)，电阻(17)，电阻(18)及运算放大器(3)，运算放大器(3)的输出端连接多路模拟开关(6)的输入端口2；
所述第三输入信号调理电路包括电阻(19)，电阻(20)，电阻(21)，电阻(22)及运算放大器(4)，运算放大器(4)的输出连接多路模拟开关(6)的输入端口3。
3.根据权利要求2所述程控多量程采集电路，其特征在于，所述单极性调整参考Vref电路包括输出端与三个输入信号调理电路的输入正相连接的运算放大器(5)，电阻(23)，电阻(24)，电阻(25)，单路模拟开关(7)，电压基准源(9)；电阻(23)与电阻(24)并联接入运算放大器(5)的输入负，电阻(23)的另一端接入运算放大器(5)的输出端，电阻(24)的另一端连接单路模拟开关(7)的输出端，单路模拟开关(7)的输入端连接电压基准源(9)的输出端，电阻(25)的一端连接运算放大器(5)的输入正，电阻(25)的另一端连接信号地，单路模拟开关(7)与FPGA芯片(10)相连接，由FPGA芯片(10)根据输入的电压范围，输出切换控制信号，使所述单路模拟开关(7)断开或闭合，从而使单极性调整参考Vref电路实现断开或闭合。
4.根据权利要求3所述程控多量程采集电路，其特征在于，所述电阻(23)，电阻(24)，电阻(25)的阻值相等，所述单极性调整参考Vref电路使输入信号调理电路的输入输出关系如下：
Vo＝K*(Vi+-Vi-)+Vref；
其中，Vo为输入信号调理电路中运算放大器(2)、运算放大器(3)、运算放大器(4)的输出电压；Vi+为信号源(1)的输出正；Vi-为信号源(1)的输出负；K为输入信号调理电路中的放大系数。
5.根据权利要求1-4任一项所述程控多量程采集电路，其特征在于，所述模数转换器(8)的输入范围为±10V和±5V；其中，
第一输入信号调理电路的放大系数是1，当输入信号满足双极性±10V或单极性0～10V时选用；
第二输入信号调理电路的放大系数是2，当输入信号满足双极性±5V或单极性0～5V时选用；
第三输入信号调理电路的放大系数是0.5，当输入信号满足双极性±20V或单极性0～20V时选用。
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