CN107703798A - 一种通用型信号采集前端电路及信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种通用型信号采集前端电路及信号采集装置。一种通用型信号采集前端电路，包括：检测电路，用于接收输入的检测信号和控制信号，根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路；放大电路，与检测电路连接，用于对流经信号采集通路后的检测信号进行放大，并转换为电压信号输出。通过上述方式，本发明实施例可以兼容不同信号输出类型的传感器，通用性强，能够极大提升产品开发效率。

Description

一种通用型信号采集前端电路及信号采集装置

技术领域

本发明实施例涉及数据采集领域，特别是涉及一种通用型信号采集前端电路及信号采集装置。

背景技术

目前市场上传感器种类繁多，传感器的输出信号类型大体有电压信号、电流信号、频率信号等几种，其中，最常见的是电流输出型和电压输出型，而电压输出型传感器的输出信号类型又有单端电压信号、差分电压信号之分。

因信号采集装置的前端电路不能同时匹配多种传感器的信号输出类型，当传感器类型发生变化时，需要重新设计采集装置的硬件，通用性和灵活性不够，不利于产品的系列化和通用化，这也必然导致产品的开发周期长、调试任务重，不利于产品快速开发。

发明内容

本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种通用型信号采集前端电路及信号采集装置，可以兼容不同信号输出类型的传感器，通用性强，能够极大提升产品开发效率。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种通用型信号采集前端电路，包括：

检测电路，用于接收输入的检测信号和控制信号，根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路；

放大电路，与检测电路连接，用于对流经信号采集通路后的检测信号进行放大，并转换为电压信号输出。

可选地，检测电路包括电流信号采集电路、电压信号采集电路以及输入控制电路，输入控制电路分别与电流信号采集电路和电压信号采集电路连接；

电流信号采集电路包括电流输入端、电流输出端和第一开关管，第一开关管设置在电流输入端和电流输出端之间；

电压信号采集电路包括电压输入端、电压输出端和第二开关管，第二开关管设置在电压输入端和电压输出端之间；

输入控制电路分别与第一开关管和第二开关管连接；

检测电路根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路，包括：

输入控制电路根据控制信号分别控制第一开关管和第二开关管的关断。

可选地，输入控制电路包括控制输入端、第一控制输出端、第二控制输出端和反相器；

第一控制输出端与第一开关管连接，第二控制输出端与第二开关管连接；

反相器的反向输入端连接在控制输入端和第一控制输出端的连接点上，反相器的反向输出端与第二控制输出端连接。

可选地，电压信号采集电路还包括：

阻抗调节器，用于接收输入的调节信号，根据调节信号对电压信号采集电路的输入阻抗进行调节。

可选地，阻抗调节器包括阻抗输入端、运算放大器和可调电阻器，运算放大器的反相输入端与电压信号采集电路的高电压输入端连接，运算放大器的同相输入端与电压信号采集电路的低电压输入端连接，运算放大器的运放输出端与电压信号采集电路的电压输出端连接；

可调电阻器包括两个定片引脚和一个动片引脚，两个定片引脚分别与电压信号采集电路的高电压输入端和运算放大器的运放输出端连接，动片引脚与阻抗调节器的阻抗输入端连接。

可选地，电流信号采集电路的电流输出端和电压信号采集电路的电压输出端分别与放大电路连接；

放大电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一MOS管、第二MOS 管、第三MOS管；

第一MOS管的栅极与电压信号采集电路的电压输出端连接，第一MOS管的源极接地，第一MOS管的漏极与电流信号采集电路的电流输出端、第二MOS管的栅极、第三MOS管的源极连接，第二MOS管的源极与第一MOS管的源极连接，第二MOS管的漏极与第三MOS管的栅极、第二电阻R2的一端连接，第三MOS管的漏极与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端和第二电阻R2的另一端连接在同一电源线上。

放大电路的输出端连接在第三MOS管的漏极和第一电阻R1的连接点上。

本发明实施例还提供一种信号采集装置，包括如上的通用型信号采集前端电路，通用型信号采集前端电路用于与信号传感器连接。

本发明实施例还提供一种信号采集方法，包括：

接收输入的检测信号和控制信号，根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路；

对流经信号采集通路后的检测信号进行放大，并转换为电压信号输出。

可选地，根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路，包括：

当检测信号的类型为电流型时，根据高电平信号构建与电流型对应的电流信号采集通路；

当检测信号的类型为电压型时，根据低电平信号构建与电压型对应的电压信号采集通路。

可选地，该方法还包括：

当检测信号的类型为电压型时，接收输入的调节信号，根据调节信号对电压信号采集通路的输入阻抗进行调节。

本发明实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例的通用型信号采集前端电路包括检测电路和放大电路，检测电路用于接收输入的检测信号和控制信号，根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路，如，当检测信号为电流信号时，可构建与电流型对应的电流信号采集通路，当检测信号为电压信号时，可构建与电压型对应的电压信号采集通路，通过上述方式，可以兼容不同信号输出类型的传感器，通用性强，能够极大提升产品开发效率。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例的通用型信号采集前端电路的结构示意图；

图2是本发明实施例的检测电路的结构示意图；

图3是本发明另一实施例的通用型信号采集前端电路的结构示意图；

图4是本发明实施例的阻抗调节器的结构示意图；

图5是本发明实施例的信号采集方法的示意图。

具体实施例

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供一种通用型信号采集前端电路，用于与信号传感器连接，请参阅图1，本实施例的通用型信号采集前端电路包括检测电路10和与检测电路10连接的放大电路20；其中，检测电路10用于接收输入的检测信号和控制信号，根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路，放大电路20用于对流经信号采集通路后的检测信号进行放大，并转换为电压信号输出。

例如，信号传感器的检测信号为电流信号时，检测电路10根据相应的控制信号构建与电流型对应的电流信号采集通路；信号传感器的检测信号为电压信号时，检测电路10根据相应的控制信号构建与电压型对应的电压信号采集通路；信号传感器的检测信号为频率信号时，检测电路10根据相应的控制信号构建与频率型对应的频率信号采集通路。

可选地，如图2所示，检测电路10包括电流信号采集电路110、电压信号采集电路120以及输入控制电路130，输入控制电路130分别与电流信号采集电路110和电压信号采集电路130连接。

请参阅图3，具体地，电流信号采集电路110包括电流输入端Iin、电流输出端Iout和第一开关管S1，第一开关管S1设置在电流输入端Iin 和电流输出端Iout之间；电压信号采集电路120包括电压输入端Vin+、 Vin-，以及电压输出端Vout和第二开关管S2，第二开关管S2设置在电压输入端Vin+/Vin-和电压输出端Vout之间，电压信号采集电路120的电压输入端Vin+、Vin-可以是差分输入，也可以是单端输入，当电压信号采集电路120的电压输入端Vin+、Vin-为单端输入时，输入端Vin-接地。

输入控制电路130分别与第一开关管S1和第二开关管S2连接。其中，第一开关管S1和第二开关管S2为(不限于)绝缘栅型场效应管 (MOSFET)或者双极结型晶体管(BJT)等。

检测电路10根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路，包括：

输入控制电路130根据控制信号分别控制第一开关管S1和第二开关管S2的关断。

在本实施例中，当检测信号的类型为电流型时，输入控制电路130 根据相应的控制信号控制第一开关管S1闭合，第二开关管S2断开，以构建与电流型对应的电流信号采集通路；当检测信号的类型为电压型时，输入控制电路130根据相应的控制信号控制第一开关管S1断开，第二开关管S2闭合，以构建与电压型对应的电压信号采集通路。

在一些实施例中，输入控制电路130包括控制输入端CM、第一控制输出端、第二控制输出端和反相器INV1，控制输入端CM用于接收输入的控制信号，第一控制输出端与第一开关管S1连接，第二控制输出端与第二开关管S2连接。反相器INV1的反向输入端连接在输入控制端CM和第一控制输出端的连接点上，反相器INV1的反向输出端与第二控制输出端连接。

如此，当输入控制电路130的输入控制端CM接收到的控制信号为高电平时，输入控制电路130根据高电平信号控制第一开关管S1闭合，第二开关管S2断开；当输入控制电路130的输入控制端CM接收到的控制信号为低电平时，输入控制电路130根据低电平信号控制第一开关管S1断开，第二开关管S2闭合。

在一些实施例中，电压信号采集电路120还包括：阻抗调节器A1，用于接收输入的调节信号，根据调节信号对电压信号采集电路120的输入阻抗进行调节，，以使电压信号采集电路120与不同输出阻抗的传感器具有最佳的阻抗匹配，减小阻抗不匹配带来的信号反射损失。

可选地，如图4所示，阻抗调节器A1包括阻抗输入端B[n-1:0]、运算放大器A2和可调电阻器RF。阻抗输入端B[n-1:0]用于接收输入的调节信号，运算放大器A2的反相输入端与电压信号采集电路120的高电压输入端Vin+连接，运算放大器A2的同相输入端与电压信号采集电路 120的低电压输入端Vin-连接，运算放大器A2的运放输出端，亦即阻抗调节器A1的输出端与电压信号采集电路120的电压输出端Vout连接。

可调电阻器RF包括两个定片引脚和一个动片引脚，两个定片引脚分别与电压信号采集电路120的高电压输入端Vin+和运算放大器A2的运放输出端连接，动片引脚与阻抗调节器A1的阻抗输入端B[n-1:0]连接，可通过阻抗输入端B[n-1:0]调整RF的值。

图中的Vs表示传感器等信号源的输出电压信号，Rs表示其输出阻抗，在实际应用中，对于选定的传感器，Rs是一个确定量。阻抗调节器 A1的电压增益Av1如公式(1)所示，其输入阻抗Rin的表达式如公式 (2)所示：

(1)：

(2)：

其中，Av2表示运算放大器A2的电压增益。

因此，根据Rs的值，通过阻抗输入端B[n-1:0]调整RF的值，可使得RF＝(Av2+1)Rs，将此结果带入公式(1)、(2)，则阻抗调节器A1的电压增益Av1和输入阻抗Rin变为公式(3)、(4)所示的形式：

(3)：

(4)：Rin＝Rs

从公式(3)、(4)可以看出，只要将RF设置成RF＝(Av2+1)Rs，阻抗调节器A1的电压增益Av1将不随RF的变化而改变，而是保持一个恒定的值，且其输入阻抗Rin和传感器的输出阻抗Rs完全匹配。因此，本实施例的通用型信号采集前端电路还可以通过调节电路的内部电阻RF 值，使电压信号采集电路120与不同输出阻抗的传感器具有最佳的阻抗匹配，减小阻抗不匹配带来的信号反射损失。

而当传感器为电流型输出传感器时，电流信号从电流输入端Iin输入，因为电流型输出传感器的输入阻抗很小，能保证放大电路20对大部分电流信号的吸收。

请再次参与图3，电流信号采集电路110的电流输出端Iout和电压信号采集电路120的电压输出端Vout分别与放大电路20连接；

可选地，放大电路20包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一MOS 管、第二MOS管、第三MOS管。

第一MOS管的栅极与电压信号采集电路120的电压输出端Vout连接，第一MOS管的源极接地，第一MOS管的漏极与电流信号采集电路 110的电流输出端Iout、第二MOS管的栅极、第三MOS管的源极连接，第二MOS管的源极与第一MOS管的源极连接，第二MOS管的漏极与第三MOS管的栅极、第二电阻R2的一端连接，第三MOS管的漏极与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端和第二电阻R2的另一端连接在同一电源线VCC上。

放大电路20的输出端Vo2连接在第三MOS管的漏极和第一电阻R1的连接点上，可将放大后的电压信号提供给后续处理电路。

第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管均工作在饱和状态，放大电路20对电流信号的放大能力(跨足增益A_R)可表述为公式(5)，对电压信号的放大能力(电压增益Av)可表述为公式(6)：

(5)：

(6)：A_v≈A_v1g_m1[(g_m3r₀₃r₀₁)||R₁](g_m1r₀₂)

其中，Av1为阻抗调节器A1的电压增益，ɡ_m1、ɡ_m2、ɡ_m3分别为晶体管M1、M2、M3的跨导，r_o1、r_o2、r_o3分别为晶体管M1、M2、M3的漏源极阻抗。

区别于现有技术，本实施例的通用型信号采集前端电路包括检测电路和放大电路，检测电路用于接收输入的检测信号和控制信号，根据所述控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路，如，当检测信号为电流信号时，可构建与电流型对应的电流信号采集通路，当检测信号为电压信号时，可构建与电压型对应的电压信号采集通路，通过上述方式，可以兼容不同信号输出类型的传感器，通用性强，能够极大提升产品开发效率。

本发明实施例还提供一种信号采集装置，包括如上的通用型信号采集前端电路，其中，通用型信号采集前端电路用于与信号传感器连接，信号传感器连接可以是该信号采集装置的内置传感器，也可以是与该信号采集装置连接的外置传感器。

本发明实施例还提供一种信号采集方法，请参阅图5，该方法包括：

步骤210：接收输入的检测信号和控制信号，根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路。

例如，检测信号为电流信号时，根据相应的控制信号构建与电流型对应的电流信号采集通路；检测信号为电压信号时，根据相应的控制信号构建与电压型对应的电压信号采集通路；当检测信号为频率信号时，根据相应的控制信号构建与频率型对应的频率信号采集通路。

可选地，根据控制信号构建与检测信号的类型对应的信号采集通路，包括：当检测信号的类型为电流型时，根据高电平信号构建与电流型对应的电流信号采集通路；

当检测信号的类型为电压型时，根据低电平信号构建与电压型对应的电压信号采集通路。

在一些实施例中，当检测信号的类型为电压型时，还可接收输入的调节信号，根据调节信号对电压信号采集通路的输入阻抗进行调节，以使电压信号采集通路与不同输出阻抗的传感器具有具有最佳的阻抗匹配，减小阻抗不匹配带来的信号反射损失。

步骤220：对流经信号采集通路后的检测信号进行放大，并转换为电压信号输出。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种通用型信号采集前端电路，其特征在于，包括：

检测电路，用于接收输入的检测信号和控制信号，根据所述控制信号构建与所述检测信号的类型对应的信号采集通路；

放大电路，与所述检测电路连接，用于对流经所述信号采集通路后的检测信号进行放大，并转换为电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的通用型信号采集前端电路，其特征在于，

所述检测电路包括电流信号采集电路、电压信号采集电路以及输入控制电路，所述输入控制电路分别与所述电流信号采集电路和所述电压信号采集电路连接；

所述电流信号采集电路包括电流输入端、电流输出端和第一开关管，所述第一开关管设置在所述电流输入端和所述电流输出端之间；

所述电压信号采集电路包括电压输入端、电压输出端和第二开关管，所述第二开关管设置在所述电压输入端和所述电压输出端之间；

所述输入控制电路分别与所述第一开关管和所述第二开关管连接；

所述检测电路根据所述控制信号构建与所述检测信号的类型对应的信号采集通路，包括：

所述输入控制电路根据所述控制信号分别控制所述第一开关管和所述第二开关管的关断。

3.根据权利要求2所述的通用型信号采集前端电路，其特征在于，

所述输入控制电路包括控制输入端、第一控制输出端、第二控制输出端和反相器；

所述第一控制输出端与所述第一开关管连接，所述第二控制输出端与所述第二开关管连接；

所述反相器的反向输入端连接在所述控制输入端和所述第一控制输出端的连接点上，所述反相器的反向输出端与所述第二控制输出端连接。

4.根据权利要求2所述的通用型信号采集前端电路，其特征在于，所述电压信号采集电路还包括：

阻抗调节器，用于接收输入的调节信号，根据所述调节信号对所述电压信号采集电路的输入阻抗进行调节。

5.根据权利要求4所述的通用型信号采集前端电路，其特征在于，

所述阻抗调节器包括阻抗输入端、运算放大器和可调电阻器，所述运算放大器的反相输入端与所述电压信号采集电路的高电压输入端连接，所述运算放大器的同相输入端与所述电压信号采集电路的低电压输入端连接，所述运算放大器的运放输出端与所述电压信号采集电路的电压输出端连接；

所述可调电阻器包括两个定片引脚和一个动片引脚，所述两个定片引脚分别与所述电压信号采集电路的高电压输入端和所述运算放大器的运放输出端连接，所述动片引脚与所述阻抗调节器的阻抗输入端连接。

6.根据权利要求2-5任一项所述的通用型信号采集前端电路，其特征在于，

所述电流信号采集电路的电流输出端和所述电压信号采集电路的电压输出端分别与所述放大电路连接；

所述放大电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管；

所述第一MOS管的栅极与所述电压信号采集电路的电压输出端连接，所述第一MOS管的源极接地，所述第一MOS管的漏极与所述电流信号采集电路的电流输出端、所述第二MOS管的栅极、所述第三MOS管的源极连接，所述第二MOS管的源极与所述第一MOS管的源极连接，所述第二MOS管的漏极与所述第三MOS管的栅极、所述第二电阻R2的一端连接，所述第三MOS管的漏极与所述第一电阻R1的一端连接，所述第一电阻R1的另一端和所述第二电阻R2的另一端连接在同一电源线上。

所述放大电路的输出端连接在所述第三MOS管的漏极和所述第一电阻R1的连接点上。

7.一种信号采集装置，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的通用型信号采集前端电路，所述通用型信号采集前端电路用于与信号传感器连接。

8.一种信号采集方法，其特征在于，包括：

接收输入的检测信号和控制信号，根据所述控制信号构建与所述检测信号的类型对应的信号采集通路；

对流经所述信号采集通路后的检测信号进行放大，并转换为电压信号输出。

9.根据权利要求8所述的信号采集方法，其特征在于，所述根据所述控制信号构建与所述检测信号的类型对应的信号采集通路，包括：

当所述检测信号的类型为电流型时，根据高电平信号构建与所述电流型对应的电流信号采集通路；

当所述检测信号的类型为电压型时，根据低电平信号构建与所述电压型对应的电压信号采集通路。

10.根据权利要求9所述的信号采集方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述检测信号的类型为电压型时，接收输入的调节信号，根据所述调节信号对所述电压信号采集通路的输入阻抗进行调节。