CN111208346B - 一种小信号电压测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小信号电压测量装置及方法，所述装置包括：积分放大模块，用于进行积分放大得到积分放大电压；分压模块，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压；电压平衡检测模块，分别与所述分压模块的输出端、积分放大模块的输入端和待测小信号电路连接，用于将待测小信号电压与所述对比电压的差输入所述积分放大模块进行积分放大；电压采样测量模块，用于实时采集所述积分放大电压，以及当所述待测小信号电压与所述对比电压的差达到设定阈值时，根据采集到的积分放大电压和分压比例得到当前对比电压作为待测小信号电压。本发明可有效规避干扰信号或噪声、放大器的漂移等负面影响因素，以实现小信号电压的精确测量。

Description

一种小信号电压测量装置及方法
技术领域
本发明涉及小信号电压测量领域，特别地，涉及一种小信号电压测量装置及方法。
背景技术
随着工业自动化及电力电子技术的快速发展，各类型的传感器应运而生，其通常将被测物理量等比例地转换为电信号再接入采样系统进行测量，而电信号又以电压为主。而在检测、计量校准等领域经常需要测量低至mV级的小信号的电压，这类信号本身非常微弱，常常会被噪声或外界干扰信号所淹没，造成数据采集比较困难。常规的小信号电压测量方法是将信号放大后再进行测量，通常使用运算放大器，然后使用A/D转换器将其变换为数字信号，最后通过并行或串行的方式送入微处理器。采用运算放大器将被测信号进行放大时，外界干扰信号、热电势也会被同比例放大而引入较大的测量误差，如运放二输入端可能存在几μV的热电势，经过1000倍的放大，则变为100mV量级的信号。另外，运算放大器受限于制造水平，其输入失调电压、噪声、温度漂移等，A/D采样的位数和转换精度、电阻比的精度也是影响测量准确度的重要因素，均会造成较大的测量误差。
发明内容
本发明一方面提供了一种小信号电压测量装置，以解决现有小信号测量装置因受外界干扰信号、器件本身特性造成测量误差较大的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种小信号电压测量装置，包括：
积分放大模块，用于进行积分放大得到积分放大电压；
分压模块，与所述积分放大模块的输出端电路连接，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压；
电压平衡检测模块，分别与所述分压模块的输出端、积分放大模块的输入端和待测小信号电路连接，用于将待测小信号电压与所述对比电压的差输入所述积分放大模块进行积分放大；
电压采样测量模块，与所述积分放大模块的输出端电路连接，用于实时采集所述积分放大电压，以及当所述待测小信号电压与所述对比电压的差达到设定阈值时，根据采集到的积分放大电压和分压比例得到当前对比电压作为待测小信号电压。
作为一个实例，所述小信号电压为mV级。
作为一个实例，所述积分放大模块包括：
积分放大器，用于对信号进行积分放大；
反相器，设置在所述积分放大器输出端，用于将所述积分放大器输出的积分放大信号进行180度反向调节。
作为一个实例，所述分压模块包括依次串接的若干电阻，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压后反馈至所述电压平衡检测模块的输入端。
作为一个实例，所述分压模块包括感应分压器，所述感应分压器的输入端与所述积分放大模块的输出端电路连接，所述感应分压器的输出端与所述电压平衡检测模块的输入端电路连接，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压后反馈至所述电压平衡检测模块的输入端。
作为一个实例，所述分压比例为1:100～1:1000。
作为一个实例，所述电压平衡检测模块采用指零计，所述指零计包括两输入端和一输出端，所述指零计的输出端的电压等于两输入端的电压的差。
作为一个实例，所述电压采样测量模块包括：
AD采样器，用于实时采集所述积分放大模块输出端的积分放大电压；
处理器，用于当所述待测小信号电压与所述对比电压的差值达到设定阈值时，根据所述积分放大电压和分压比例得到对比电压作为待测小信号电压。
本发明另一方面提供了一种小信号电压测量方法，采用所述的小信号电压测量装置，包括步骤：
将待测小信号电压与对比电压的差输入积分放大模块得到积分放大电压，所述对比电压由所述积分放大电压按设定的分压比例反馈获得；
当所述待测小信号电压与所述对比电压的差达到设定阈值时，根据采集到的当前积分放大电压和分压比例得到对比电压作为待测小信号电压。
作为一个实例，根据采集到的当前积分放大电压和分压比例得到对比电压作为待测小信号电压具体为：
U1＝U2＝U3*K
其中，U1为待测小信号电压；U2为对比电压；U3为积分放大电压；K为分压模块的分压比例。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过积分放大模块自动积分放大待测小信号和对比电压的差值放大待测小信号，并利用电压平衡检测模块判断分压模块反馈的对比电压和待测小信号是否平衡为条件(即对比电压和待测小信号电压差是否达到设定阈值)自动求得待测小信号的电压值，可有效地规避干扰信号或噪声、放大器的漂移等负面影响因素，以实现小信号电压的精确测量。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的小信号电压测量装置示意图。
图2是本发明优选实施例的小信号电压测量方法流程示意图。
图3是采用运放放大器测量小电压信号的原理示意图。
图中，1、积分放大模块；2、电压平衡检测模块；3、分压模块；4、电压采样测量模块；5、反相器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种小信号电压测量装置，包括积分放大模块1、分压模块3、电压平衡检测模块2、电压采样测量模块4。
所述积分放大模块1用于进行积分放大得到积分放大电压，包括用于对信号进行积分放大的RC积分放大器、反相器5，所述反相器5设置在所述积分放大器输出端，用于将所述积分放大器输出的积分放大信号进行180度反向调节；
所述分压模块3与所述积分放大模块1的输出端电路连接，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压；
所述电压平衡检测模块2分别与所述分压模块3的输出端、积分放大模块的输入端和待测小信号电路连接，用于将待测小信号电压与所述对比电压的差输入所述积分放大模块1进行积分放大；
所述电压采样测量模块4与所述积分放大模块1的输出端电路连接，用于实时采集所述积分放大电压，以及当所述待测小信号电压与所述对比电压的差达到设定阈值时，根据采集到的积分放大电压和分压比例得到当前对比电压作为待测小信号电压，所述小信号电压为mV级。
具体而言，所述分压模块3包括依次串接的1000个阻值为1Ω的标准电阻，电阻可选用vishay的精密电阻，则最小的分压比例为1/1000。所述分压模块3在分压比例为1/1000下的精度可达10ppm，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压后反馈至所述电压平衡检测模块2的输入端。
具体而言，所述电压平衡检测模块2采用高精度指零计，如选用1mV下灵敏度达10ppm的指零计，所述指零计包括两输入端和一输出端，所述指零计的输出端的电压等于两输入端的电压的差。
具体而言，所述电压采样测量模块4包括AD采样器和处理器，AD采样器选用个32位SAR型，或者∑型A/D采样器，其线性度可达1ppm，并外接精度可达10ppm的电压标准(作为A/D的电压参考)。所述AD采样器与所述积分放大模块1的输出端电路连接，可实时采集所述积分放大模块1输出端的积分放大电压；所述处理器分别与所述AD采样器和指零计电路连接，用于当所述待测小信号电压与所述对比电压的差的绝对值达到设定阈值时，根据所述积分放大电压和分压比例得到对比电压作为待测小信号电压，所述设定阈值可以是零，或者在满足测量精度的前提下所允许的其他值。
在另一可行的实施例中，所述分压模块3包括感应分压器，所述感应分压器的输入端与所述积分放大模块1的输出端电路连接，所述感应分压器的输出端与所述电压平衡检测模块2的输入端电路连接，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压后反馈至所述电压平衡检测模块2的输入端。
常规的小信号电压测量方法是将信号放大后再进行测量，通常使用运算放大器，然后使用A/D转换器将其变换为数字信号，最后通过并行或串行的方式送入处理器，其原理图如图3所示。运算放大器输出电压为：
Figure BDA0002374031570000061
按一定比例选取R2、R1实现输入电压的放大，如R2＝1kΩ，R2＝1MΩ，可实现将输入电压放大1000倍，U2＝1000U1。采用运算放大器将待测小信号进行放大，原理和具体实现均比较简单。当被测信号为mV及以下量级的微弱电压时，通常需要提高R2与R1之比将信号尽量放大，但由于外界干扰信号、热电势也会被同比例放大而引入较大的测量误差，如运算放大器的二个输入端之间可能存在几μV的热电势，经过1000倍的放大后，则变为100mV量级的噪声信号。另外，运算放大器由于受限于制造水平，其输入失调电压、噪声、温度漂移，A/D采样的位数和转换精度、电阻比的精度也是影响测量准确度的重要因素。
本实施例的小信号电压测量装置利用所述积分放大模块1对待测小信号进行积分放大，与传统运算放大器需要提高R2与R1之比将信号尽量放大不同的是，所述积分放大模块1的输入电压与输出电压不是倍数的关系，因此也不会像运算放大器那样，出现将外界干扰信号、热电势同比例放大而引入较大的测量误差的问题。另外，本实施例的小信号电压测量装置将所述积分放大模块1输出端的积分放大电压通过所述分压模块3按分压比例分压后得到的对比电压反馈至所述电压平衡检测模块2，所述电压平衡检测模块2再将待测小信号电压和对比电压的差输入到所述积分放大模块1的输入端，由于对比电压由零逐渐增大，当待测小信号电压和对比电压的差小于设定阈值时，表示所述积分放大模块1达到平衡，此时，与所述积分放大模块的输出端电路连接的电压采样测量模块4实时采集所述积分放大模块1达到平衡时输出的所述积分放大电压，同时根据所述积分放大模块1达到平衡时采集到的积分放大电压和分压比例得到当前对比电压作为待测小信号电压，具体工作原理包括：
(1)测量端输入待测小信号电压U1，由于初始状态时积分放大模块1输出端的积分放大电压为0，因此按设定的分压比例进行分压获得的对比电压U2＝0，此时指零计不指零并输出待测小信号电压U1和对比电压U2的电压差ΔU＝U1-U2。
(2)将电压差ΔU输入到积分放大模块进行积分放大，并经过反相器5进行反向调节，输出积分放大电压：
Figure BDA0002374031570000071
所述积分放大电压U3再输入至所述分压模块3，随着积分放大的持续进行，对比电压U2逐渐增大，电压差ΔU逐渐减小直至为零，此时指零计指零，积分放大模块1达到平衡。
(3)当指零计指零达到平衡时，A/D采样器将采样测量当前积分放大电压U3的电压值，并输送至处理器，所述处理器则根据分压模块3的分压比例K计算得到对比电压U2＝K·U3，由于此时待测小信号电压U1和对比电压U2的电压差ΔU为零，所述处理器则根据分压模块3的分压比例K计算得到对比电压U2即可表示为待测小信号电压U1，最终实现了小信号电压的自动跟踪放大并测量。其中K为分压比例，如串联1000个1Ω的标准电阻，最小的分压比例K为1/1000。
当初始输入电压为1mV时，所述积分放大模块1积分经过分压模块3达到平衡，A/D采样器测量的电压为1V。
则系统测量mV级电压的最大误差Pmax为：
Pmax＝10ppm+10ppm+10ppm＝30ppm，通过器件的优选可实现更高的测量精度。该测量精度优于市面上的mV电压表的测量精度，如安捷伦33420A的1mV量程精度约为70ppm。
测量误差的来源包括指零计、分压模块3、A/D采样器三个方面，可通过选用高灵敏度的指零计，选用具有高精度的分压电阻或感应分压器、高速及高精度的A/D采样器来提高测量准确度。
如图2所示，一种小信号电压测量方法，采用所述的小信号电压测量装置，包括步骤：
S1、将待测小信号电压与对比电压的差输入积分放大模块1得到积分放大电压，所述对比电压由所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得；
S2、当所述待测小信号电压与所述对比电压的差达到设定阈值时，根据采集到的当前积分放大电压和分压比例得到对比电压作为待测小信号电压。
进一步地，步骤S2中，所述根据采集到的当前积分放大电压和分压比例得到对比电压作为待测小信号电压具体为：
U1＝U2＝U3*K
其中，U1为待测小信号电压；U2为对比电压；U3为积分放大电压；K为分压模块3的分压比例，本实施例分压比例K为1/1000。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小信号电压测量装置，其特征在于，包括：
积分放大模块(1)，用于进行积分放大得到积分放大电压；
所述积分放大模块(1)包括：积分放大器，用于对信号进行积分放大；反相器(5)，设置在所述积分放大器输出端，用于将所述积分放大器输出的积分放大信号进行180度反向调节；
分压模块(3)，与所述积分放大模块(1)的输出端电路连接，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压；
电压平衡检测模块(2)，分别与所述分压模块(3)的输出端、积分放大模块(1)的输入端和待测小信号电路连接，用于将待测小信号电压与所述对比电压的差输入所述积分放大模块(1)进行积分放大；
电压采样测量模块(4)，与所述积分放大模块(1)的输出端电路连接，用于实时采集所述积分放大电压，以及当所述待测小信号电压与所述对比电压的差达到设定阈值时，根据采集到的积分放大电压和分压比例得到当前对比电压作为待测小信号电压。
2.根据权利要求1所述的小信号电压测量装置，其特征在于，
所述小信号电压为mV级。
3.根据权利要求1所述的小信号电压测量装置，其特征在于，所述分压模块(3)包括依次串接的若干电阻，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压后反馈至所述电压平衡检测模块(2)的输入端。
4.根据权利要求1所述的小信号电压测量装置，其特征在于，
所述分压模块(3)包括感应分压器，所述感应分压器的输入端与所述积分放大模块(1)的输出端电路连接，所述感应分压器的输出端与所述电压平衡检测模块(2)的输入端电路连接，用于将所述积分放大电压按设定的分压比例进行分压获得对比电压后反馈至所述电压平衡检测模块(2)的输入端。
5.根据权利要求1所述的小信号电压测量装置，其特征在于，
所述分压比例为1：100～1：1000。
6.根据权利要求1所述的小信号电压测量装置，其特征在于，所述电压平衡检测模块(2)采用指零计，所述指零计包括两输入端和一输出端，所述指零计的输出端的电压等于两输入端的电压的差。
7.根据权利要求1所述的小信号电压测量装置，其特征在于，所述电压采样测量模块(4)包括：
AD采样器，用于实时采集所述积分放大模块(1)输出端的积分放大电压；
处理器，用于当所述待测小信号电压与所述对比电压的差值达到设定阈值时，根据所述积分放大电压和分压比例得到对比电压作为待测小信号电压。
8.一种小信号电压测量方法，采用如权利要求1至7中任一项所述的小信号电压测量装置，其特征在于，包括步骤：
将待测小信号电压与对比电压的差输入积分放大模块(1)得到积分放大电压，所述对比电压由所述积分放大电压按设定的分压比例反馈获得；
当所述待测小信号电压与所述对比电压的差达到设定阈值时，根据采集到的当前积分放大电压和分压比例得到对比电压作为待测小信号电压。
9.根据权利要求8所述小信号电压测量方法，其特征在于，根据采集到的当前积分放大电压和分压比例得到对比电压作为待测小信号电压具体为：
U 1=U 2=U 3*K
其中，U 1为待测小信号电压；U 2为对比电压；U 3为积分放大电压；K为分压模块(3)的分压比例。
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