CN106646056A - 一种单节锂电池供电的信号采集电路及其采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单节锂电池供电的信号采集电路及其采集方法，属于电学领域，应用于结构安全健康监测行业。它包括传感器、模拟开关、比例衰减器、I/V转换器、积分器、仪表放大器、抗混叠滤波器、模数转换器、微控制器、USB接口、锂电池、LDO稳压器、共模电压输出模块、单节锂电池充电电路、锂电池电压取样电路；本发明通过将信号调理到电源供电的中心电压上，即共模电压，实现了单节锂电池的单电源信号处理，极大地减少了电路的复杂度和系统的功耗，从而降低了设计难度和成本，为测量设备实现低功耗和小型号提供了可行方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种单节锂电池供电的信号采集电路及其采集方法，属于电学领域，应用于结构安全健康监测行业。
背景技术
现有技术：目前信号采集设备，无论是多通道数据采集仪还是便携式数据采集仪，内部信号调理电路为了满足最大的测量动态范围，一般都采用双电源供电。虽然双电源供电可能会带来一定性能优势，比如测量范围以及信噪比等指标，但是为了实现双电源供电，则会带来电路设计复杂、电路体积庞大、功耗高、需要使用DCDC器件引入纹波和噪声等，跟目前信号采集电路朝着小型号、低功耗、低成本方向发展背道而驰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单节锂电池供电的信号采集电路及其采集方法，只需要单节锂电池即可满足大部分工业信号的测量，能够在低成本、低功耗、小体积的条件下，满足测量要求。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种单节锂电池供电的信号采集电路，它包括传感器、模拟开关、比例衰减器、I/V转换器、积分器、仪表放大器、抗混叠滤波器、模数转换器、微控制器、USB接口、锂电池、LDO稳压器、共模电压输出模块、单节锂电池充电电路、锂电池电压取样电路；
传感器通过模拟开关分别与比例衰减器、I/V转换器、积分器连接；
比例衰减器、I/V转换器、积分器通过模拟开关与仪表放大器连接，仪表放大器与抗混叠滤波器连接，抗混叠滤波器与模数转换器连接，模数转换器与微控制器连接；
微控制器分别与模拟开关、单节锂电池充电电路、USB接口连接，USB接口与单节锂电池充电电路连接；
单节锂电池充电电路与锂电池连接，锂电池与锂电池电压取样电路连接，锂电池与LDO稳压器连接，LDO稳压器与模电压输出模块连接；模电压输出模块与模数转换器连接。
一种单节锂电池供电的信号采集电路的采集方法，锂电池经过LDO稳压器稳压后，通过共模电压输出模块为整个信号链上的功能模块比例衰减器、I/V转换器、积分器、仪表放大器、抗混叠滤波器、模数转换器提供静态工作点，使得系统能够工作在单电源供电条件下。
传感器输出的信号，通过模拟开关切换，调理到相应的功能电路上。
USB接口通过单节锂电池充电电路为锂电池进行充电。
锂电池电压取样电路对锂电池进行取样，并通过模数转换器进行采集再发送给微控制器得到系统电量值。
比例衰减器、I/V转换器、积分器、仪表放大器、抗混叠滤波器由共模电压输出模块提供静态工作电压。
本发明实现原理：本电路由电源管理模块、信号切换模块、信号调理模块、信号测量模块四个模块组成。
（1）电源管理模块：首先单节锂电池由单节锂电池专用充电芯片提供充电电流，用于在电池电量低时，对锂电池供电；锂电池的输出连接一个LDO稳压芯片，用于对微控制器和模拟电路提供电源，其中对数字部分和模拟部分供电通过一个磁珠隔离，以减少数字部分对模拟部分的干扰；锂电池输出还连接了一个电阻取样电路，用于监控锂电池电压，当电量过低时，用于系统进入休眠模式及提示充电信息；LDO 稳压器输出的电压通过精密电阻分压得到一个半压信号，该信号称为共模电压VCM，用于将被测量信号调理到共模电压上，便于信号的处理和采集。
（2）信号切换模块：输入端通过模拟开关实现电压、电流、电荷常见信号的切换测量，该切换控制信号由微控制器提供；
（3）信号调理模块：包含比例衰减器、积分器、I/V转换器、抗混叠滤波器，用于对测量信号的调理和滤波处理；
（4）信号测量模块：内置ADC的MCU及相关联的逻辑控制信号。
本发明的有益效果：
本发明通过将信号调理到电源供电的中心电压上，即共模电压，实现了单节锂电池的单电源信号处理，极大地减少了电路的复杂度和系统的功耗，从而降低了设计难度和成本，为测量设备实现低功耗和小型号提供了可行方案。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的仪表放大器电路示意图；
图3为本发明的抗混叠滤波器电路示意图；
图4为本发明的电源模块部分及电池电压取样示意图；
图5为本发明的共模电压输出电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图1~5对本发明进行详细描述：
一种单节锂电池供电的信号采集电路，它包括传感器1、模拟开关2、比例衰减器3、I/V转换器4、积分器5、仪表放大器6、抗混叠滤波器7、模数转换器8、微控制器9、USB接口10、锂电池11、LDO稳压器12、共模电压输出模块13、单节锂电池充电电路14、锂电池电压取样电路15 ；
传感器1通过模拟开关2分别与比例衰减器3、I/V转换器4、积分器5连接；
比例衰减器3、I/V转换器4、积分器5通过模拟开关2与仪表放大器6连接，仪表放大器6与抗混叠滤波器7连接，抗混叠滤波器7与模数转换器8连接，模数转换器8与微控制器9连接；
微控制器9分别与模拟开关2、单节锂电池充电电路14、USB接口10连接，USB接口10与单节锂电池充电电路14连接；
单节锂电池充电电路14与锂电池11连接，锂电池11与锂电池电压取样电路15连接，锂电池11与LDO稳压器12连接，LDO稳压器12与模电压输出模块13连接；模电压输出模块13与模数转换器8连接。
一种单节锂电池供电的信号采集电路的采集方法：
锂电池11经过LDO稳压器12稳压后，通过共模电压输出模块13为整个信号链上的功能模块比例衰减器3、I/V转换器4、积分器5、仪表放大器6、抗混叠滤波器7、模数转换器8提供静态工作点，使得系统能够工作在单电源供电条件下。
传感器1输出的信号，通过模拟开关2切换，调理到相应的功能电路上。
USB接口10通过单节锂电池充电电路14为锂电池11进行充电。
锂电池电压取样电路15对锂电池11进行取样，并通过模数转换器8进行采集再发送给微控制器9得到系统电量值。
比例衰减器3、I/V转换器4、积分器5、仪表放大器6、抗混叠滤波器7由共模电压输出模块13提供静态工作电压。
该电路具体实施过程中，最关键的就是整个信号链需要将信号工作在一个共模电压点上，而这个共模电压的提供有一个电阻的分压再经过电压跟随器而产生，它将提供给积分电路、I/V转换器、衰减器、仪表放大器的一个中间电压工作点。
而整个电路的数字部分电源供电，为了达到锂电池的最大供电效率，需要采用LDO型的三端稳压器，如TI公司的TPS73733。单节锂电池充电器可采用美信公司的MAX8895，可通过USB2.0接口进行对锂电池充电。
对于积分器和衰减器，因都采用运算放大器反相输入的电路拓扑，所以只需要将共模电压VCM连接到运放的同相输入段即可。
仪表放大器的REF端输出共模电压VCM即可让仪表放大器工作在单电源状态。
Claims (2)
1.一种单节锂电池供电的信号采集电路，其特征在于：它包括传感器（1）、模拟开关（2）、比例衰减器（3）、I/V转换器（4）、积分器（5）、仪表放大器（6）、抗混叠滤波器（7）、模数转换器（8）、微控制器（9）、USB接口（10）、锂电池（11）、LDO稳压器（12）、共模电压输出模块（13）、单节锂电池充电电路（14）、锂电池电压取样电路（15） ；
传感器（1）通过模拟开关（2）分别与比例衰减器（3）、I/V转换器（4）、积分器（5）连接；
比例衰减器（3）、I/V转换器（4）、积分器（5）通过模拟开关（2）与仪表放大器（6）连接，仪表放大器（6）与抗混叠滤波器（7）连接，抗混叠滤波器（7）与模数转换器（8）连接，模数转换器（8）与微控制器（9）连接；
微控制器（9）分别与模拟开关（2）、单节锂电池充电电路（14）、USB接口（10）连接，USB接口（10）与单节锂电池充电电路（14）连接；
单节锂电池充电电路（14）与锂电池（11）连接，锂电池（11）与锂电池电压取样电路（15）连接，锂电池（11）与LDO稳压器（12）连接，LDO稳压器（12）与模电压输出模块（13）连接；模电压输出模块（13）与模数转换器（8）连接。
2.一种单节锂电池供电的信号采集电路的采集方法，其特征在于：锂电池（11）经过LDO稳压器（12）稳压后，通过共模电压输出模块（13）为整个信号链上的功能模块比例衰减器（3）、I/V转换器（4）、积分器（5）、仪表放大器（6）、抗混叠滤波器（7）、模数转换器（8）提供静态工作点，使得系统能够工作在单电源供电条件下；
传感器（1）输出的信号，通过模拟开关（2）切换，调理到相应的功能电路上；
USB接口（10）通过单节锂电池充电电路（14）为锂电池（11）进行充电；
锂电池电压取样电路（15）对锂电池（11）进行取样，并通过模数转换器（8）进行采集再发送给微控制器（9）得到系统电量值；
比例衰减器（3）、I/V转换器（4）、积分器（5）、仪表放大器（6）、抗混叠滤波器（7）由共模电压输出模块（13）提供静态工作电压。
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