CN109889201A - 信号采集电路和测量仪器 - Google Patents

Abstract

本申请适用于电路技术领域，提供了一种信号采集电路和测量仪器，其中信号采集电路包括：用于生成偏置电压的偏置电压发生单元；用于将接收到的差分信号转换为单端信号的差分信号转换单元；差分信号转换单元还用于根据接收到的增益调节信号对单端信号进行增益调节，以及用于根据偏置电压发生单元输出的偏置电压调节单端信号的幅值范围。本申请实施例提供的信号采集电路和测量仪器，在将接收到的差分信号转换为单端信号时，由于可以利用增益调节信号对单端信号进行增益调节，使得本申请实施例提供的信号采集电路可以对不同幅值的差分信号进行不同放大倍数的增益调节，从而将变化幅度较大的多个信号调节为幅值较为接近的信号，提高信号采样速率。

Description

信号采集电路和测量仪器

技术领域

本申请属于电路技术领域，尤其涉及一种信号采集电路和测量仪器。

背景技术

一些测量仪器需要同步采集多路幅值差异很大的测量信号，例如，输电高压铁塔测量仪需要采集8路线圈信号，并且采集的信号变化幅度较大。现有技术一般使用外置ADC芯片采样多路信号。但是普通的多路ADC芯片在同时对变化幅度较大的多个信号进行采集时，往往采样速率较低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种信号采集电路和测量仪器，以解决现有技术在对变化幅度较大的多个信号进行采集时存在的采样速率较低的问题。

根据第一方面，本申请实施例提供了一种信号采集电路，包括：用于生成偏置电压的偏置电压发生单元；用于将接收到的差分信号转换为单端信号的差分信号转换单元；所述差分信号转换单元还用于根据接收到的增益调节信号对所述单端信号进行增益调节，以及用于根据所述偏置电压发生单元输出的偏置电压调节所述单端信号的幅值范围；用于为所述偏置电压发生单元和所述差分信号转换单元供电的电源单元。

本申请实施例提供的信号采集电路，在将接收到的差分信号转换为单端信号时，由于可以利用增益调节信号对单端信号进行增益调节，使得本申请实施例提供的信号采集电路可以对不同幅值的差分信号进行不同放大倍数的增益调节，从而将变化幅度较大的多个信号调节为幅值较为接近的信号，进而提高信号采样速率。此外，为了适应不同接收器的信号接收范围，本申请实施例提供的信号采集电路，还可以根据电压发生单元生成的偏置电压对差分信号转换单元输出的单端信号进行幅值调节，从而进一步对变化幅度较大的多个信号进行幅值调节，使输出的单端信号具有相近的幅值，从而提高信号采样速率。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述差分信号转换单元包括增益可控仪表放大器U1、线圈插座P1和谐振电容C14；所述谐振电容C14连接在所述线圈插座P1的第一输出端和第二输出端之间；所述增益可控仪表放大器U1的第一输入端和第二输入端用于接收所述差分信号；所述增益可控仪表放大器U1的第一输入端与所述线圈插座P1的第一输出端连接，所述增益可控仪表放大器U1的第二输入端与所述线圈插座P1的第二输出端连接；所述增益调节信号包括第一增益调节信号和第二增益调节信号；所述增益可控仪表放大器U1的第一增益控制端用于接收所述第一增益调节信号；所述增益可控仪表放大器U1的第二增益控制端用于接收所述第二增益调节信号；所述增益可控仪表放大器U1的正电源输入端与所述电源单元输出的直流电压VCC1+连接，所述增益可控仪表放大器U1的负电源输入端与所述电源单元输出的直流电压VCC1-连接；所述增益可控仪表放大器U1的参考电压输入端用于接收所述偏置电压发生单元输出的所述偏置电压；所述增益可控仪表放大器U1的输出端输出所述单端信号。

本申请实施例提供的信号采集电路，利用增益可控仪表放大器U1将通过线圈插座P1接收到的差分信号进行处理，从而将差分信号转换为单端信号。由于增益可控仪表放大器U1中设置有两个增益控制端，能够接收增益调节信号，并根据增益调节信号对单端信号进行增益调节；同时，增益可控仪表放大器U1中还设置有参考电压输入端，能够接收偏置电压，并根据偏置电压对单端信号的幅值调节，从而将幅值差异较大的多个差分信号转化为具有相近幅值的单端信号，从而提高信号采样速率。

结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述差分信号转换单元还包括滤波电容C11、滤波电容C12、电阻R1和电阻R2；所述滤波电容C11和所述电阻R1串联后连接在所述线圈插座P1的第一输出端与地之间，所述滤波电容C12和所述电阻R2串联后连接在所述线圈插座P1的第二输出端与地之间；所述滤波电容C11和所述电阻R1的连接点与所述增益可控仪表放大器U1的第一输入端连接，所述滤波电容C12和所述电阻R2的连接点与所述增益可控仪表放大器U1的第二输入端连接。

本申请实施例提供的信号采集电路，通过滤波电容C11和滤波电容C12，分别对线圈插座P1两个输出端采集的差分信号进行滤波处理，从而滤除其中的杂波，减少最终输出的单端信号中的噪声。

结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述差分信号转换单元还包括滤波电容C20和滤波电容C21；所述滤波电容C20连接在所述增益可控仪表放大器U1的正电源输入端与地之间，所述滤波电容C21连接在所述增益可控仪表放大器U1的负电源输入端与地之间。

本申请实施例提供的信号采集电路，通过滤波电容C20和滤波电容C21，分别对接入增益可控仪表放大器U1的正负电源进行滤波处理，避免电源中的杂波信号对信号采集电路造成影响。

结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，所述偏置电压发生单元包括电阻R3、电阻R4和放大器U2；所述电阻R3和所述电阻R4串联后连接在所述电源单元输出的直流电压VCC2+与地之间；所述电阻R3和所述电阻R4的连接点与所述放大器U2的正向输入端连接，所述放大器U2的反向输入端与所述放大器U2的输出端短接；所述放大器U2的输出端输出所述偏置电压。

本申请实施例提供的信号采集电路，通过电阻R3和电阻R4对直流电压VCC2+的分压处理，使得放大器U2的输出端能够输出对应的电压信号，即通过设置电阻R3和电阻R4的阻值，能够对应调整放大器U2输出端输出的偏置电压。此外，放大器U2能够对偏置电压发生单元输出的偏置电压进行跟随放大，从而进一步稳定偏置电压的电压幅值。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述电阻R3和所述电阻R4的阻值相等。

本申请实施例提供的信号采集电路，通过将电阻R3和电阻R4设置为相同的阻值，能够使偏置电压发生单元输出直流电压VCC2+一半幅值的偏置电压。

结合第一方面第五实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述偏置电压发生单元还包括电容C19；所述电容C19连接在所述电源单元输出的直流电压VCC2+与地之间。

本申请实施例提供的信号采集电路，通过电容C19对接入偏置电压发生单元的直流电压VCC2+进行滤波处理，避免电源中的杂波信号对偏置电压发生单元造成影响。

结合第一方面，在第一方面第七实施方式中，所述电源单元包括电源转换器U3和稳压器U4；所述电源转换器U3用于将外接电源VSS转换为直流电压VCC1+和直流电压VCC1-；所述稳压器U4用于将所述直流电压VCC1+转换为直流电压VCC2+。

本申请实施例提供的信号采集电路，通过电源转换器U3将外接电源VSS转换为直流电压VCC1+和直流电压VCC1-，从而为偏置电压发生单元和差分信号转换单元提供电源；通过稳压器U4将直流电压VCC1+转换为直流电压VCC2+，并将直流电压VCC2+提供给偏置电压发生单元，从而使偏置电压发生单元利用直流电压VCC2+生成偏置电压。

结合第一方面第七实施方式，在第一方面第八实施方式中，所述电源单元还包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电感L1、电感L2和电感L3；所述电感L2的第一端与所述电源转换器U3的正电压输出端连接，所述电感L2的第二端输出直流电压VCC1+；所述电感L3的第一端与所述电源转换器U3的负电压输出端连接，所述电感L3的第二端输出直流电压VCC1-；所述电容C2和所述电容C9串联后连接在所述电源转换器U3的正电压输出端和负电压输出端之间；所述电容C3和所述电容C8串联后连接在所述电感L2的第二端和所述电感L3的第二端之间；所述电容C4和所述电容C10串联后连接在所述电感L2的第二端和所述电感L3的第二端之间，所述电容C4和所述电容C10的连接点接地；所述电容C1和所述电容C5并联后连接在所述电感L2的第二端与地之间；所述稳压器U4的输入端与所述电感L2的第二端连接，所述稳压器U4的输出端与所述电感L1的第一端连接，所述电感L1的第二端输出直流电压VCC2+；所述电容C6连接在所述稳压器U4的输出端与地之间；所述电容C7连接在所述电感L1的第二端与地之间。

本申请实施例提供的信号采集电路，通过在电源单元中增设电容和电感，使电源单元能够稳定、精确低输出直流电压VCC1+、直流电压VCC1-和直流电压VCC2+，从而使偏置电压发生单元和差分信号转换单元稳定工作。

根据第二方面，本申请实施例提供了一种测量仪器，所述测量仪器包括如第一方面或第一方面任一实施方式所述的信号采集电路。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的信号采集电路的一个具体示例的系统结构示意图；

图2是本申请实施例提供的信号采集电路中差分信号转换单元的一个具体示例的电路原理图；

图3是本申请实施例提供的信号采集电路中偏置电压发生单元的一个具体示例的电路原理图；

图4是本申请实施例提供的信号采集电路中电源单元的一个具体示例的电路原理图；

图5是本申请实施例提供的测量仪器的一个具体示例的系统结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本申请实施例提供了一种信号采集电路，如图1所示，该信号采集电路可以包括：偏置电压发生单元101、差分信号转换单元102和电源单元103。其中，偏置电压发生单元101用于生成偏置电压。差分信号转换单元102用于将接收到的差分信号转换为单端信号。差分信号转换单元102还用于根据接收到的增益调节信号对单端信号进行增益调节，以及用于根据偏置电压发生单元101输出的偏置电压调节单端信号的幅值范围。电源单元103用于为偏置电压发生单元101和差分信号转换单元102供电。

在一具体实施方式中，如图2所示，差分信号转换单元102可以包括增益可控仪表放大器U1、线圈插座P1和谐振电容C14。具体的，谐振电容C14连接在线圈插座P1的第一输出端和第二输出端之间。增益可控仪表放大器U1的第一输入端和第二输入端用于接收差分信号；增益可控仪表放大器U1的第一输入端与线圈插座P1的第一输出端连接，增益可控仪表放大器U1的第二输入端与线圈插座P1的第二输出端连接。

增益调节信号包括第一增益调节信号和第二增益调节信号。增益可控仪表放大器U1的第一增益控制端用于接收第一增益调节信号；增益可控仪表放大器U1的第二增益控制端用于接收第二增益调节信号。

增益可控仪表放大器U1的正电源输入端与电源单元输出的直流电压VCC1+连接，增益可控仪表放大器U1的负电源输入端与电源单元输出的直流电压VCC1-连接。增益可控仪表放大器U1的参考电压输入端用于接收偏置电压发生单元输出的偏置电压。增益可控仪表放大器U1的输出端输出单端信号。

利用增益可控仪表放大器U1将通过线圈插座P1接收到的差分信号进行处理，从而将差分信号转换为单端信号。由于增益可控仪表放大器U1中设置有两个增益控制端，能够接收增益调节信号，并根据增益调节信号对单端信号进行增益调节；同时，增益可控仪表放大器U1中还设置有参考电压输入端，能够接收偏置电压，并根据偏置电压对单端信号的幅值调节，从而将幅值差异较大的多个差分信号转化为具有相近幅值的单端信号，从而提高信号采样速率。

可选的，如图2所示，差分信号转换单元还可以包括滤波电容C11、滤波电容C12、电阻R1和电阻R2。具体的，滤波电容C11和电阻R1串联后连接在线圈插座P1的第一输出端与地之间，滤波电容C12和电阻R2串联后连接在线圈插座P1的第二输出端与地之间；滤波电容C11和电阻R1的连接点与增益可控仪表放大器U1的第一输入端连接，滤波电容C12和电阻R2的连接点与增益可控仪表放大器U1的第二输入端连接。

通过滤波电容C11和滤波电容C12，分别对线圈插座P1两个输出端采集的差分信号进行滤波处理，从而滤除其中的杂波，能够减少最终输出的单端信号中的噪声。

可选的，如图2所示，差分信号转换单元还可以包括滤波电容C20和滤波电容C21。滤波电容C20连接在增益可控仪表放大器U1的正电源输入端与地之间，滤波电容C21连接在增益可控仪表放大器U1的负电源输入端与地之间。

通过滤波电容C20和滤波电容C21，分别对接入增益可控仪表放大器U1的正负电源进行滤波处理，能够避免电源中的杂波信号对信号采集电路造成影响。

在一具体实施方式中，可以选用AD8253芯片作为图2中增益可控仪表放大器U1。AD8253芯片可将差分信号转为单端信号供给后续的控制器，如CPU，进行AD采集，其中，AD8253芯片中的CPUIO_A0和CPUIO_A1，为后续CPU的控制增益引脚，其增益倍数组合00、01、10、11分别对应1,10,100,1000倍的增益，能够满足弱信号放大需求。AD8253芯片中的REF引脚，为其参考电压输入端，可以接收偏置电压发生单元输出的偏置电压，并根据偏置电压对放大后的单端信号进行上拉。

由于普通CPU的采集信号幅值范围为0-3.3V，因此，可以将偏置电压设置为+1.65V，从而将放大后的单端信号上拉至1.65V附近，也就是将放大后的单端信号上拉至CPU采集的量程一半，这样本申请实施例提供的信号采集电路就实现了增益可控，将差分信号转为单端信号供给后续CPU的AD采集。

在一具体实施方式中，如图3所示，偏置电压发生单元101可以包括电阻R3、电阻R4和放大器U2。具体的，电阻R3和电阻R4串联后连接在电源单元输出的直流电压VCC2+与地之间；电阻R3和电阻R4的连接点与放大器U2的正向输入端连接，放大器U2的反向输入端与放大器U2的输出端短接；放大器U2的输出端输出偏置电压。

通过电阻R3和电阻R4对直流电压VCC2+的分压处理，可以使放大器U2的输出端输出对应的电压信号，即通过设置电阻R3和电阻R4的阻值，能够对应调整放大器U2输出端输出的偏置电压。此外，放大器U2能够对偏置电压发生单元输出的偏置电压进行跟随放大，从而进一步稳定偏置电压的电压幅值。

为了实现1.65V的偏置电压，在一具体实施方式中，可以将电源单元输出的直流电压VCC2+设置为+3.3V，同时，将电阻R3和电阻R4的阻值设置为相等的阻值。

可选的，如图3所示，偏置电压发生单元101还可以包括电容C19。电容C19连接在电源单元输出的直流电压VCC2+与地之间，用于滤除直流电压VCC2+中的噪声及杂波。

在一具体实施方式中，如图4所示，电源单元103可以包括电源转换器U3和稳压器U4。其中，电源转换器U3用于将外接电源VSS转换为直流电压VCC1+和直流电压VCC1-；稳压器U4用于将直流电压VCC1+转换为直流电压VCC2+。在实际应用中，可以选用金升阳A1205S电源模块作为电源转换器U3，用以将+12V的直流外接电源VSS转换为+5V的直流电压VCC1+和-5V的直流电压VCC1-；选用ASM1117-3.3V芯片作为稳压器U4，用以将+5V的直流电压VCC1+转换为+3.3V的直流电压VCC2+。

为了实现稳定可靠地电源转换，如图4所示，还可以在电源单元中增设电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电感L1、电感L2和电感L3。

具体的，电感L2的第一端与电源转换器U3的正电压输出端连接，电感L2的第二端输出直流电压VCC1+；电感L3的第一端与电源转换器U3的负电压输出端连接，电感L3的第二端输出直流电压VCC1-。电容C2和电容C9串联后连接在电源转换器U3的正电压输出端和负电压输出端之间。电容C3和电容C8串联后连接在电感L2的第二端和电感L3的第二端之间。电容C4和电容C10串联后连接在电感L2的第二端和电感L3的第二端之间，电容C4和电容C10的连接点接地。电容C1和电容C5并联后连接在电感L2的第二端与地之间。稳压器U4的输入端与电感L2的第二端连接，稳压器U4的输出端与电感L1的第一端连接，电感L1的第二端输出直流电压VCC2+。电容C6连接在稳压器U4的输出端与地之间；电容C7连接在电感L1的第二端与地之间。

本申请实施例还提供了一种测量仪器，如图5所示，该测量仪器500包括如图1至图4所述的信号采集电路100。在图5中，以包含图1所示的信号采集电路100为例，示出了测量仪器500的结构，并不构成对本申请实施例中测量仪器500的限定。在本申请实施例提供的测量仪器500中，还可以包括图2至图4中示出的各个电路模块。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种信号采集电路，其特征在于，包括：

用于生成偏置电压的偏置电压发生单元；

用于将接收到的差分信号转换为单端信号的差分信号转换单元；所述差分信号转换单元还用于根据接收到的增益调节信号对所述单端信号进行增益调节，以及用于根据所述偏置电压发生单元输出的偏置电压调节所述单端信号的幅值范围；

用于为所述偏置电压发生单元和所述差分信号转换单元供电的电源单元。

2.如权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述差分信号转换单元包括增益可控仪表放大器U1、线圈插座P1和谐振电容C14；

所述谐振电容C14连接在所述线圈插座P1的第一输出端和第二输出端之间；

所述增益可控仪表放大器U1的第一输入端和第二输入端用于接收所述差分信号；所述增益可控仪表放大器U1的第一输入端与所述线圈插座P1的第一输出端连接，所述增益可控仪表放大器U1的第二输入端与所述线圈插座P1的第二输出端连接；

所述增益调节信号包括第一增益调节信号和第二增益调节信号；所述增益可控仪表放大器U1的第一增益控制端用于接收所述第一增益调节信号；所述增益可控仪表放大器U1的第二增益控制端用于接收所述第二增益调节信号；

所述增益可控仪表放大器U1的正电源输入端与所述电源单元输出的直流电压VCC1+连接，所述增益可控仪表放大器U1的负电源输入端与所述电源单元输出的直流电压VCC1-连接；

所述增益可控仪表放大器U1的参考电压输入端用于接收所述偏置电压发生单元输出的所述偏置电压；

所述增益可控仪表放大器U1的输出端输出所述单端信号。

3.如权利要求2所述的信号采集电路，其特征在于，所述差分信号转换单元还包括滤波电容C11、滤波电容C12、电阻R1和电阻R2；

所述滤波电容C11和所述电阻R1串联后连接在所述线圈插座P1的第一输出端与地之间，所述滤波电容C12和所述电阻R2串联后连接在所述线圈插座P1的第二输出端与地之间；

所述滤波电容C11和所述电阻R1的连接点与所述增益可控仪表放大器U1的第一输入端连接，所述滤波电容C12和所述电阻R2的连接点与所述增益可控仪表放大器U1的第二输入端连接。

4.如权利要求3所述的信号采集电路，其特征在于，所述差分信号转换单元还包括滤波电容C20和滤波电容C21；

所述滤波电容C20连接在所述增益可控仪表放大器U1的正电源输入端与地之间，所述滤波电容C21连接在所述增益可控仪表放大器U1的负电源输入端与地之间。

5.如权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述偏置电压发生单元包括电阻R3、电阻R4和放大器U2；

所述电阻R3和所述电阻R4串联后连接在所述电源单元输出的直流电压VCC2+与地之间；

所述电阻R3和所述电阻R4的连接点与所述放大器U2的正向输入端连接，所述放大器U2的反向输入端与所述放大器U2的输出端短接；所述放大器U2的输出端输出所述偏置电压。

6.如权利要求5所述的信号采集电路，其特征在于，所述电阻R3和所述电阻R4的阻值相等。

7.如权利要求6所述的信号采集电路，其特征在于，所述偏置电压发生单元还包括电容C19；所述电容C19连接在所述电源单元输出的直流电压VCC2+与地之间。

8.如权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述电源单元包括电源转换器U3和稳压器U4；

所述电源转换器U3用于将外接电源VSS转换为直流电压VCC1+和直流电压VCC1-；

所述稳压器U4用于将所述直流电压VCC1+转换为直流电压VCC2+。

9.如权利要求8所述的信号采集电路，其特征在于，所述电源单元还包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电感L1、电感L2和电感L3；

所述电感L2的第一端与所述电源转换器U3的正电压输出端连接，所述电感L2的第二端输出直流电压VCC1+；所述电感L3的第一端与所述电源转换器U3的负电压输出端连接，所述电感L3的第二端输出直流电压VCC1-；

所述电容C2和所述电容C9串联后连接在所述电源转换器U3的正电压输出端和负电压输出端之间；

所述电容C3和所述电容C8串联后连接在所述电感L2的第二端和所述电感L3的第二端之间；

所述电容C4和所述电容C10串联后连接在所述电感L2的第二端和所述电感L3的第二端之间，所述电容C4和所述电容C10的连接点接地；

所述电容C1和所述电容C5并联后连接在所述电感L2的第二端与地之间；

所述稳压器U4的输入端与所述电感L2的第二端连接，所述稳压器U4的输出端与所述电感L1的第一端连接，所述电感L1的第二端输出直流电压VCC2+；

所述电容C6连接在所述稳压器U4的输出端与地之间；

所述电容C7连接在所述电感L1的第二端与地之间。

10.一种测量仪器，其特征在于，所述测量仪器包括如权利要求1至9中任一项所述的信号采集电路。