CN107171658A - 基于电容充放电的量程切换电路及电压测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电容充放电的多量程切换电路及电压测量方法。基于电容充放电的多量程切换电路包括PWM控制单元、开关管、反馈配置模块、上下拉配置模块、充放电电容、充电电阻R3和放电电阻R4；放电电阻R4与开关管串联后与充放电电容并联，从输入端IN输入的电流经充电电阻R3为充放电电容充电，输入端IN经电容C3接地；输入端IN依次连接上下拉配置模块和反馈配置模块后与PWM控制单元的反馈端连接；充放电电容连接有输出端OUT；PWM控制单元根据反馈配置模块反馈的电压值调节开关管的开关的快慢，从而调节输出端OUT的输出电压。本发明结构简单，集成度高，抗干扰能力强，封装体积小，且测量精度高，响应速度快。

Description

基于电容充放电的量程切换电路及电压测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于电容充放电的量程切换电路及电压测量方法。

背景技术

在嵌入式软硬件的开发中，通常需要用到测量电压的值，但是现在的大部分硬件电路的普遍情况是测量的电压精度不高，随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂，工作量加大，测量速度以及测量精度要求越来越高，这些都对测量仪器和测试系统提出了更高的要求。

目前的自动转换量程电压表多数是采用电阻分压原理实现的量程转换。如申请公布号为CN103033677的中国发明专利公开了一种量程自适应型数字电压表及其测量方法，它采用分压电路将输入信号分成三个电压等级，分级后的电压信号送入多路开关量程切换电路，自适应切换量程。该种电路结构复杂，需要元器件较多，且较多的电阻元器件受温度影响较大，影响测量精度。

授权公告号CN 102611426 B的中国发明专利公开了一种数模量程自动切换电路，它的数模量程自动切换电路包括相连的电平转换单元和开关单元，在该申请的实施例二中，增加了模拟电路反馈控制系统，但模拟电路反馈控制系统仅是为了更精准的得到电压信息，从而使数模量程自动切换电路实现快速精准的切换，该申请的说明书附图中，它在模拟电路反馈控制系统加入了数模量程自动切换电路，使整个电路系统庞大，元器件较多，而且，还是采用了“量程切换电阻”完成量程切换。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的电路系统复杂，结构庞大，元器件较多，抗干扰能力差的问题，本发明提出一种结构简单，集成度高，抗干扰能力强，封装体积小，且测量精度高，响应速度快的基于电容充放电的量程切换电路及电压测量方法。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种基于电容充放电的多量程切换电路，

它包括PWM控制单元、开关管、反馈配置模块、上下拉配置模块、充放电电容、充电电阻R3和放电电阻R4；所述放电电阻R4与所述开关管串联后与所述充放电电容并联，从输入端IN输入的电流经所述充电电阻R3为所述充放电电容充电，所述输入端IN经电容C3接地；所述输入端IN依次连接上下拉配置模块和反馈配置模块后与PWM控制单元的反馈端连接；所述充放电电容连接有输出端OUT；

所述PWM控制单元根据反馈配置模块反馈的电压值调节开关管的开关的快慢，从而调节输出端OUT的输出电压。

进一步的，所述充放电电容包括并联的电容C1和电容C2。

进一步的，所述反馈配置模块包括电阻R2。

进一步的，所述上下拉配置模块包括电阻R1。

进一步的，所述开关管为MOS管。

一种电压测量方法，它包括以下步骤：

S1、待测电压对电容充电；

S2、PWM控制单元根据反馈端反馈的待测电压信号，调节电容放电频率，进而调节电容的输出电压；

S3、单片机根据电容输出的电压按照一定比例放大后得到待测电压并显示。

本发明的有益效果是：

整个电路结构简单，集成度高，抗干扰能力强；封装体积小；且测量精度高，响应速度快。

多量程切换电路由PWM控制充放电电容实现量程内的电压的精准输出，通过单片机计算实际电压后显示，整个过程处理简单，没有过多的元器件干预，保证了处理效率和抗干扰能力。

电容C1和充电电阻R3同时可对电流滤波，保证了电路中的电压更加平滑、稳定电容C1和电容C2两级并联后为输出端OUT提供了稳定的电压输出。

反馈电阻R2输出模拟电压，保证了无论反馈输入端输入信号的大小，都能保证单片机与反馈输入端连接的管脚正常工作。

上下拉配置模块用于在不同情况下配置电路的上拉或下拉模式。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

图1为本发明的多量程切换电路原理图；

图2为本发明的电压表原理图；

图3为本发明的电压测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合图1-图3对本发明的具体实施例做详细描述：

如图1所示，本发明基于电容充放电的多量程切换电路包括PWM控制单元、开关管Q1、反馈配置模块、上下拉配置模块、充放电电容、充电电阻R3 和放电电阻R4。PWM控制单元是控制开关管导通关断的，图1中未画出PWM 控制单元的具体电路，只标出了PWM控制端和反馈端DETECT，PWM控制单元优选采用STC12C2052单片机，当然，其他公知的PWM控制电路也属于本发明的保护范围，如利用NE555制作的PWM脉宽调制电路。开关管Q1采用MOS管或三极管，优选采用MOS管。反馈配置模块用于模拟电压的输出，本实施例中采用电阻R2作为反馈配置模块。上下拉配置模块用于在不同情况下配置电路的上拉或下拉模式，优选采用电阻R1。充放电电容优选采用并联的电容C1 和电容C2。

所述放电电阻R4与所述开关管Q1的管脚3连接，所述充放电电容与放电电阻R4和开关管Q1所在的支路并联，从输入端IN输入的电流经所述充电电阻R3为所述充放电电容充电，所述输入端IN经电容C3接地。所述输入端 IN依次连接电阻R1和电阻R2后与PWM控制单元的反馈端DETECT连接；所述充放电电容连接有输出端OUT。

所述PWM控制单元根据反馈配置模块反馈的电压值调节开关管Q1的开关的快慢，从而调节输出端OUT的输出电压。

下面结合图2所示的电压表电路原理图对多量程切换电路的具体应用做进一步说明。

一种基于上述多量程切换电路的电压表包括多量程切换电路、信号转换电路、LCD显示屏和电源模块。对于电源模块，属于本领域公知常识，在这里不在赘述。

所述多量程切换电路包括PWM控制单元、开关管Q1、反馈电阻R2、上下拉电阻R1、充放电电容、充电电阻R3和放电电阻R4；PWM控制单元是控制开关管导通关断的，PWM控制单元采用STC12C2052单片机，当然，其他公知的 PWM控制电路也属于本发明的保护范围，如利用NE555制作的PWM脉宽调制电路。开关管Q1采用MOS管。反馈配置模块用于模拟电压的输出，本实施例中采用电阻R2作为反馈配置模块。上下拉配置模块用于在不同情况下配置电路的上拉或下拉模式，采用电阻R1。充放电电容采用并联的电容C1和电容C2。

信号转换电路包括ADS1110芯片，ADS1110芯片的+IN引脚上拉电阻R7，所述上拉电阻R7的两端分别连接一个电阻R8和一个电容C5的一端，电阻R8 和电容C5的另一端接地。ADS1110芯片的SCL引脚与STC12C2052单片机的 P3.3引脚连接，ADS1110芯片的SDA引脚与STC12C2052单片机的P3.2引脚连接，SDA引脚和SCL引脚分别上拉电阻R6和R5后接电源VCC。

放电电阻R4与所述开关管Q1的管脚3连接，所述充放电电容与放电电阻R4和开关管Q1所在的支路并联，从输入端IN输入的电流经所述充电电阻 R3为所述充放电电容充电，所述输入端IN经电容C3接地。所述输入端IN依次连接电阻R1和电阻R2后与STC12C2052单片机的P3.4管脚连接。所述充放电电容连接有输出端OUT。所述输出端OUT经过上拉电阻R7后与ADS1110 芯片的+IN引脚连接。

STC12C2052单片机与LCD显示屏连接，RESPACK-8为排阻。本发明采用的STC12C2052单片机自带PWM管脚，当然，还可以采用不带PWM管脚的51 单片机等外接电路实现PWM控制，该方案也属于本发明的保护范围。

单片机根据反馈电阻R2反馈的测量端的模拟电压调节开关管Q1的开关的快慢，从而调节输出端OUT的输出电压，然后单片机根据内置算法将输出端OUT的输出电压计算出实际电压显示在LCD显示屏上。

本发明还提出一种基于上述电压表的电压测量方法，如图3所示，它包括以下步骤：

S1、将电压表的测量笔头接触待测电压，待测电压对电容C1和电容C2 充电。

S2、PWM控制单元根据反馈端DETECT反馈的待测电压信号(反馈端反馈的待测电压信号是一个不精确的电压值)，调节开关管Q1的导通和关断频率，从而调节电容C1和电容C2的放电频率，进而调节电容C1和电容C2的输出电压。

S3、输出端OUT输出的电压信号由模拟量变成数字量后输送给单片机，单片机根据电容输出的电压按照一定比例放大后得到待测电压并在显示屏上显示。

举例说明该电压测量方法：假设待测电压是115V，反馈端反馈的待测电压只是在一个100V级别以上的模糊值，可能是110V，而PWM控制单元接收到反馈信号得知要测量的是一个100V级的电压，因此会调节开关管Q1的导通关断频率，使电容C1和电容C2的输出电压缩小十倍(具体的缩小倍数可以设定，如100V级的缩小十倍，200V级的缩小二十倍等)，由于电容C1和电容C2的电压为准确的待测电压，因此，单片机接收到11.5V的电压，单片机将该11.5V的电压乘10后得到待测电压值115V，然后在显示屏上显示。

以上所述结合附图对本发明的优选实施方式和实施例作了详述，但是本发明并不局限于上述实施方式和实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出其它若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于电容充放电的多量程切换电路，其特征在于：

它包括PWM控制单元、开关管、反馈配置模块、上下拉配置模块、充放电电容、充电电阻R3和放电电阻R4；所述放电电阻R4与所述开关管串联后与所述充放电电容并联，从输入端IN输入的电流经所述充电电阻R3为所述充放电电容充电，所述输入端IN经电容C3接地；所述输入端IN依次连接上下拉配置模块和反馈配置模块后与PWM控制单元的反馈端连接；所述充放电电容连接有输出端OUT；

所述PWM控制单元根据反馈配置模块反馈的电压值调节开关管的开关的快慢，从而调节输出端OUT的输出电压。

2.根据权利要求1所述的基于电容充放电的量程切换电路，其特征在于：所述充放电电容包括并联的电容C1和电容C2。

3.根据权利要求1所述的基于电容充放电的量程切换电路，其特征在于：所述反馈配置模块包括电阻R2。

4.根据权利要求1所述的基于电容充放电的量程切换电路，其特征在于：所述上下拉配置模块包括电阻R1。

5.根据权利要求1所述的基于电容充放电的量程切换电路，其特征在于：所述开关管为MOS管。

6.一种电压测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：

S1、待测电压对电容充电；

S2、PWM控制单元根据反馈端反馈的待测电压信号，调节电容放电频率，进而调节电容的输出电压；

S3、单片机根据电容输出的电压按照一定比例放大后得到待测电压并显示。