CN107888193B - 一种信号采集电路及信号采集器 - Google Patents

一种信号采集电路及信号采集器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种信号采集电路及信号采集器,用以解决现有信号采集电路中共模电压对采集信号存在影响的问题,消除共模电压的影响,同时提高信号采集速度,降低成本。信号采集电路,包括:第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、电源正极公共总线、电源负极公共总线、稳压管以及采样电阻;其中,第一电流源、稳压管以及第二电流源串接在电源正极公共总线和电源负极公共总线之间;第四电流源与采样电阻串联组成的支路,与第三电流源并联之后,连接在稳压管阳极端与电源正极公共总线之间;第三电流源连接采样信号负端,第四电流源连接采样信号正端,采样信号输出端连接至第四电流源与采样电阻的中间节点。

Description

一种信号采集电路及信号采集器
技术领域
本发明涉及信号采集技术领域,尤其是涉及一种信号采集电路及信号采集器。
背景技术
随着数字信号处理理论和计算机的不断发展,现代工业生产和科学技术研究都需要借助数字处理方法,进行数字处理的前提是将所研究的对象进行数字化,也即数据采集与处理。常规的多信号采集电路,如图1所示,分流器11信号较小,一般为几十毫伏级别,需要使用差分放大或三运放电路进行放大再送入数模转换器ADC读取。信号采集电路板10上的所有信号采集电路与电源负极公共总线均共地,其电路简单,成本优势大,被广泛应用于包括通信电源系统的各种应用环境中。
但是,在一些特殊情况下信号采集电路的共模电压会比较高,例如:线上电流形成压差、串接设备等,都会导致输入信号的共模电压较高。如图2所示,电池如果串接充电限流模块20,将导致采集的分流器信号上叠加共模电压。
为了抑制采集的分流器信号上叠加的共模电压,现有技术中常用共模抑制比极高的三运放放大电路来采集分流器信号,典型电路,如图3所示,其中,第一级放大器常采用MC33172,放大倍数为27.67,第二级放大器采用OPA2171,放大倍数为1。其共模抑制比典型值为118分贝(dB)。但是,在共模电压过高(例如:接触开关断开后,分流器将与电源负极公共总线产生较大共模电压)时,将可能导致运放输入超范围,运放将处于非正常状态,如果输入电压太高甚至可能损坏。
而为了解决多信号采集电路之间存在共模电压的问题,目前主流方案采用隔离光耦继电器来实现切换测量。如图4所示,信号采集电路板40供电共地点DGND与电源负极公共总线41之间是隔离的,其采用隔离的光耦继电器42控制接入信号的通断,同一时间有且只有一个信号接入信号采集电路板40,其它信号则断开。每次测量完成后切换接入信号时均需要切断当前信号后增加一定延迟再接入所需接入的信号,以防止存在共模电压的不同信号之间相互影响。
此种方案虽然能解决多信号采集电路之间存在共模电压的问题,但是多信号之间采集时,每次测量完成后切换接入信号时均需要切断当前信号后增加一定延迟再接入所需接入的信号,速度慢、而且每路采集信号电路需要两个隔离光耦继电器,成本高,同时采集电路板需要与信号实现隔离,如果在信号路数多的应用环境中该方案将变得非常复杂。
综上所述,现有抑制共模电压的方案,不能消除共模电压对采集信号的影响,而现有解决多信号采集电路之间共模电压的方案,采集速度慢,成本高,而且不适用于信号路数较多的应用环境。
发明内容
本发明实施例提供一种信号采集电路及信号采集器,用以解决现有信号采集电路中共模电压对采集信号存在影响的问题,消除共模电压的影响,同时提高信号采集速度,降低成本。
本发明实施例技术方案如下:
一种信号采集电路,包括:第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、电源正极公共总线、电源负极公共总线、稳压管以及采样电阻;其中,所述第一电流源、所述稳压管以及所述第二电流源串接在电源正极公共总线和电源负极公共总线之间,且所述稳压管连接在所述第一电流源以及所述第二电流源之间;所述第四电流源与采样电阻串联组成的支路,与所述第三电流源并联之后,连接在所述稳压管阳极端与电源正极公共总线之间,或者连接在所述稳压管阴极端与电源负极公共总线之间;所述第三电流源连接采样信号负端,所述第四电流源连接采样信号正端,采样信号输出端连接至第四电流源与采样电阻的中间节点。
一种信号采集器,包括:至少一个本申请上述实施例提供的信号采集电路、模拟选通电路以及模数变换器,其中,所述模拟选通电路的一端连接所述至少一个信号采集电路的输出端,所述模拟选通电路的另一端连接所述模数变换器;所述模拟选通电路,用于在所述至少一个信号采集电路中选择要采集的信号,并将采集到的采样信号发送至所述模数变换器;所述模数变换器,用于将接收到的采样信号转换为数字信号。
根据本发明实施例的技术方案,在信号采集电路中,由于第二电流源为第一电流源、第三电流源以及第四电流源提供回流路径,因此,第二电流源的电流等于第一电流源的电流、第三电流源的电流与第四电流源的电流之和,在第一电流源和第四电流源电流不变的情况下,若采样信号负端的信号电压升高,则第三电流源的电流将增大,随着第三电流源电流的增大,第一电流源的电流、第三电流源的电流与第四电流源的电流之和将大于第二电流源的电流,而由于第二电流源的阻抗较大,电压增益较大,从而导致稳压管阴极端的电压升高,直至稳压管阴极端的电压与采样信号负端的信号电压相等,此时,第二电流源的电流等于第一电流源的电流、第三电流源的电流与第四电流源的电流之和,稳压管阴极端的电压将不再变化,同样地,若采样信号负端信号电压降低,稳压管阴极端的电压也将降低,并降低到与采样信号负端信号电压相等,本发明实施例中信号采集电路中稳压管阴极端的电压跟随采样信号负端信号电压变化而变化,从而使得采样信号对运放电路的共模电压将一直很小,因此,共模电压不会对信号采集造成影响,与现有技术中解决多信号采集电路之间共模电压的方案,采集速度慢,成本高,而且不适用于信号路数较多的应用环境相比,不但提高了采集速度,降低了成本,而且能够适应信号路数多的复杂应用环境。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为现有技术中信号采集电路的原理示意图;
图2为现有技术中抑制共模电压的信号采集电路的原理示意图;
图3为现有技术中三运放放大电路的原理示意图;
图4为现有技术中消除共模电压的信号采集电路的原理示意图;
图5A为本发明实施例提供的一种信号采集电路的结构示意图;
图5B为本发明实施例提供的另一种信号采集电路的结构示意图;
图5C为本发明实施例提供的又一种信号采集电路的结构示意图;
图6A为本发明实施例提供的第三电流源的电路结构的结构示意图;
图6B为本发明实施例提供的第四电流源的电路结构的结构示意图;
图7为本发明实施例提供的信号采集电路的电路仿真示意图;
图8为本发明实施例提供的信号采集器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本申请的实施例进行说明,应当理解,此处所描述的实施例仅用于说明和解释本申请,并不用于限定本申请。
针对现有信号采集电路中共模电压对采集信号存在影响的问题,本发明实施例提供了一种信号采集电路,在该信号采集电路中,稳压管阴极端的电压跟随采样信号负端信号电压变化而变化,从而使得采样信号对运放电路的共模电压将一直很小,因此,共模电压不会对信号采集造成影响,与现有技术中解决多信号采集电路之间共模电压的方案,采集速度慢,成本高,而且不适用于信号路数较多的应用环境相比,不但提高了采集速度,降低了成本,而且能够适应信号路数多的复杂应用环境。
下面对本申请实施例进行详细说明。
(一)、本发明实施例首先提供了一种信号采集电路
本发明实施例提供的信号采集电路,如图5A所示,包括:
第一电流源501、第二电流源502、第三电流源503、第四电流源504、电源正极公共总线51、电源负极公共总线52、稳压管505以及采样电阻506;其中,第一电流源501、稳压管505以及第二电流源502串接在电源正极公共总线51和电源负极公共总线52之间,且稳压管505连接在第一电流源501以及第二电流源502之间;第四电流源504与采样电阻506串联组成的支路,与第三电流源503并联之后,连接在稳压管505阳极端与电源正极公共总线51之间;第三电流源503连接采样信号负端Vin-,第四电流源504连接采样信号正端Vin+,采样信号输出端Vout连接至第四电流源504与采样电阻506的中间节点53。
图5A中示出了第四电流源504与采样电阻506串联组成的支路,与第三电流源503并联之后,连接在稳压管505阳极端与电源正极公共总线51之间的实施例,在本发明另一实施例提供的信号采集电路中,第四电流源504与采样电阻506串联组成的支路,与第三电流源503并联之后,也可以连接在稳压管505阴极端与电源负极公共总线52之间,如图5B所示,包括:
第一电流源501、第二电流源502、第三电流源503、第四电流源504、电源正极公共总线51、电源负极公共总线52、稳压管505以及采样电阻506;其中,第一电流源501、稳压管505以及第二电流源502串接在电源正极公共总线51和电源负极公共总线52之间,且稳压管505连接在第一电流源501以及第二电流源502之间;第四电流源504与采样电阻506串联组成的支路,与第三电流源503并联之后,连接在稳压管505阴极端与电源负极公共总线52之间;第三电流源503连接采样信号负端Vin-,第四电流源504连接采样信号正端Vin+,采样信号输出端Vout连接至第四电流源504与采样电阻506的中间节点53。
需要说明的是,在采样信号的输出阻抗极小、且采集线缆长度非常短,压降可忽略情况下,本发明实施例提供的信号采集电路,还可以如图5C所示,由于其采样信号输入端至运放电路的压降可被忽略,因此,可以将采样信号负端Vin-直接与稳压管505阴极端VEE连接,从而省略图5A和图5B中的第二电流源502和第三电流源503电路,节省成本并使电路更简单。
值得说明的是,本发明实施例中,信号采集电路接地端的电压可以比电源正极公共总线(BUS+)的电压低,也可以等于电源正极公共总线(BUS+)的电压,甚至高于电源正极公共总线(BUS+)的电压,具体取决于使电路满足运行电压最小的要求,而第一电流源501和第二电流源502的供电范围也可以高于总线之间的电压差,以使采样输入信号的信号电压能接受的共模电压覆盖整个总线之间的电压差。
较为优选地,信号采集电路中还包括:稳压电容,稳压电容与稳压管并联连接。
本发明实施例中,第一电流源501为稳压管505提供启稳电流,并给第三电流源503和第四电流源504中的运放电路供电,即使用图5A和图5B中示出的VCC与VEE之间的电压给第三电流源503和第四电流源504中的运放电路供电,因此,第三电流源503和第四电流源504中的运放电路不再需要额外的供电电源。同时,稳压管505为第三电流源503和第四电流源504中的运放电路提供电压箝位,防止提供的电压超过运放电路的额定电压。
较为优选地,第一电流源501和第二电流源502为恒定电流源,其电流受电压变化影响较小,而第三电流源503和第四电流源504为受控电流源,且第三电流源503的电流受采样信号负端Vin-信号电压的控制,第四电流源504的电流受采样信号正端Vin+信号电压的控制。
本发明实施例提供的信号采集电路中,由于第二电流源502为第一电流源501、第三电流源503以及第四电流源504提供回流路径,因此,第二电流源502的电流等于第一电流源501的电流、第三电流源503的电流与第四电流源504的电流之和,在第一电流源501和第四电流源504电流不变的情况下,若采样信号负端的信号电压升高,则第三电流源503的电流将增大,随着第三电流源503电流的增大,第一电流源501的电流、第三电流源503的电流与第四电流源504的电流之和将大于第二电流源502的电流,而由于第二电流源502的阻抗较大,电压增益较大,从而导致稳压管505阴极端的电压升高,直至稳压管505阴极端的电压与采样信号负端的信号电压相等,此时,第二电流源502的电流等于第一电流源501的电流、第三电流源503的电流与第四电流源504的电流之和,稳压管505阴极端的电压将不再变化,同样地,若采样信号负端信号电压降低,稳压管505阴极端的电压也将降低,并降低到与采样信号负端信号电压相等,也即稳压管505阴极端的电压跟随采样信号负端信号电压变化而变化,从而使得采样信号对运放电路的共模电压将一直很小,因此,共模电压不会对信号采集造成影响,提高了采集速度,降低了成本,而且能够适应信号路数多的复杂应用环境。
具体实施时,第三电流源503的电路结构,如图6A所示,包括:
箝位滤波电路61、运算放大器62、以及金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)63,其中,采样信号负端的信号Vin-经箝位滤波电路61输入运算放大器62的正相输入端,稳压管阴极端(也即图6A中示出的VEE1同图5A和5B中示出的VEE连接)连接运算放大器62的反相输入端以及MOSFET63的源极,运算放大器62的输出端连接MOSFET63的栅极,MOSFET63的漏极连接电源。
具体实施时,第四电流源504的电路结构,如图6B所示,包括:
箝位滤波电路61、运算放大器62、MOSFET63以及第一电阻64,其中,采样信号正端Vin+的信号经箝位滤波电路61输入运算放大器62的正相输入端,稳压管阴极端(也即图6B中示出的VEE1同图5A和5B中示出的VEE连接)经过第一电阻64连接运算放大器62的反相输入端以及MOSFET63的源极,运算放大器62的输出端连接MOSFET63的栅极,MOSFET63的漏极连接采样电阻。
第三电流源503以及第四电流源504电路结构中的箝位滤波电路61,包括:第二电阻、箝位桥臂以及滤波电容,其中,箝位桥臂连接在稳压管阳极端和稳压管阴极端之间,箝位桥臂的中点、第二电阻的一端以及滤波电容的一端均与运算放大器的正相输入端连接,电容的另一端与稳压管阴极端连接,第二电阻的另一端为信号采样输入端。当然,需要说明的是,箝位桥臂包括两个同向连接的二极管,第二电阻的另一端在第三电流源503中连接采样信号负端Vin-,而在第四电流源504中连接采样信号正端Vin+。
第四电流源504受控于采样信号正端信号电压Vin+,其将采样信号正端信号电压Vin+转换为电流,具体来说,在第四电流源504中,采样信号正端信号电压Vin+等于第一电阻64两端的电压,假设记第一电阻为R1,则第四电流源的电流等于Vin+/R1。而在图6B示出的电路结构中,采集参考电压65(具体实施时假设为Vref)与第四电流源之间串接了采样电阻,假设记采样电阻为R2,则采样电阻R2上的电压为:R2×Vin+/R1,则采样信号输出端Vout的电压为Vref-(R2×Vin+/R1)。由此,可根据第一电阻R1和采样电阻R2的阻值,计算采样信号正端信号电压Vin+的大小。
当然,本领域技术人员应当理解的是,具体实施时,采样信号输出端Vout连接模数变换器,模数变换器用于将采样信号输出端输出的模拟信号转换为数字信号,以便于读取。
作为较为具体的实施例,采用如图7所示的电路结构进行Saber仿真,母线电压为53.5V,第一电流源71和第二电流源72采用三极管搭建电路,电流分别为4毫安(mA)和10mA,运算放大器采用OPA177,MOSFET型号为mtd1n40_sl1,第三电流源73和第四电流源74采用本发明实施例提供的电路结构,采样信号输入电压为25mV,输出电压放大比例为1k/25=40,输出电压等于5V-1V=4V。同时叠加12V共模电压波动,但输出结果保持不变,稳定在4V。
相应地,本发明实施例还提供了一种信号采集器,如图8所示,包括:
至少一个本发明实施例提供的信号采集电路81、模拟选通电路82以及模数变换器83,其中,模拟选通电路82的一端连接至少一个信号采集电路81的输出端,模拟选通电路82的另一端连接模数变换器83;模拟选通电路82,用于在所连接的至少一个信号采集电路81中选择要采集的信号,并将采集到的采样信号发送至模数变换器83;模数变换器83,用于将接收到的采样信号转换为数字信号,并将输入信号发送至处理器进行处理。
较为优选地,模拟选通电路包括:数据选择器。
综上所述,根据本发明实施例的技术方案,在该信号采集电路中,稳压管阴极端的电压跟随采样信号负端信号电压变化而变化,从而使得采样信号对运放电路的共模电压将一直很小,因此,共模电压不会对信号采集造成影响,提高了采集速度,降低了成本,而且能够适应信号路数多的复杂应用环境。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种信号采集电路,其特征在于,包括:
第一电流源、第二电流源、第三电流源、第四电流源、电源正极公共总线、电源负极公共总线、稳压管以及采样电阻;其中,
所述第一电流源、所述稳压管以及所述第二电流源串接在电源正极公共总线和电源负极公共总线之间,且所述稳压管连接在所述第一电流源以及所述第二电流源之间,所述稳压管的阴极通过所述第一电流源或所述第二电流源与所述电源正极公共总线连接;
所述第四电流源与采样电阻串联组成的支路,与所述第三电流源并联之后,连接在所述稳压管阳极端与电源正极公共总线之间,或者连接在所述稳压管阴极端与电源负极公共总线之间;
所述第三电流源连接采样信号负端,所述第四电流源连接采样信号正端,采样信号输出端连接至第四电流源与采样电阻的中间节点。
2.根据权利要求1所述的电路,其特征在于,所述第一电流源和所述第二电流源为恒定电流源,所述第三电流源和所述第四电流源为受控电流源。
3.根据权利要求1所述的电路,其特征在于,所述第三电流源包括:
箝位滤波电路、运算放大器、以及金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET,其中,
所述采样信号负端的信号经所述箝位滤波电路输入所述运算放大器的正相输入端,所述稳压管阴极端连接所述运算放大器的反相输入端以及所述MOSFET的源极,所述运算放大器的输出端连接所述MOSFET的栅极,所述MOSFET的漏极连接电源。
4.根据权利要求1所述的电路,其特征在于,所述第四电流源包括:
箝位滤波电路、运算放大器、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET以及第一电阻,其中,所述采样信号正端的信号经所述箝位滤波电路输入所述运算放大器的正相输入端,所述稳压管阴极端经过所述第一电阻连接所述运算放大器的反相输入端以及所述MOSFET的源极,所述运算放大器的输出端连接所述MOSFET的栅极,所述MOSFET的漏极连接所述采样电阻。
5.根据权利要求3或4所述的电路,其特征在于,所述箝位滤波电路,包括:第二电阻、箝位桥臂以及滤波电容,其中,所述箝位桥臂连接在所述稳压管阳极端和所述稳压管阴极端之间,所述箝位桥臂的中点、所述第二电阻的一端以及所述滤波电容的一端均与所述运算放大器的正相输入端连接,所述电容的另一端与所述稳压管阴极端连接,所述第二电阻的另一端为采样信号输入端。
6.根据权利要求5所述的电路,其特征在于,所述箝位桥臂包括:两个同向串联连接的二极管。
7.根据权利要求1所述的电路,其特征在于,所述信号采集电路还包括:稳压电容,所述稳压电容与所述稳压管并联连接。
8.根据权利要求1所述的电路,其特征在于,所述信号采集电路还包括:模数变换器,用于将所述采样信号输出端输出的模拟信号转换为数字信号。
9.一种信号采集器,其特征在于,包括:至少一个如权利要求1-7中任一项所述的信号采集电路、模拟选通电路以及模数变换器,其中,所述模拟选通电路的一端连接所述至少一个信号采集电路的输出端,所述模拟选通电路的另一端连接所述模数变换器;
所述模拟选通电路,用于在所连接的至少一个信号采集电路中选择要采集的信号,并将采集到的采样信号发送至所述模数变换器;
所述模数变换器,用于将接收到的采样信号转换为数字信号。
10.根据权利要求9所述的信号采集器,其特征在于,所述模拟选通电路包括:数据选择器。
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