CN111221278A - 一种模拟信号采样电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟信号采样电路和方法。该电路包括控制器、低通滤波器以及至少一个比较器。控制器被配置成产生PWM信号，并采集各个比较器的输出；低通滤波器被配置成接收PWM信号并输出模拟电压参考信号；每一个比较器对应一路待采集的模拟信号，每一个比较器被配置成将模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号；其中，模拟电压参考信号为可调节的，可调节范围与待采集的模拟信号的采样范围相关联；模拟电压参考信号随着时间进行单向变化，当在第一时刻和第二时刻之间，控制器所采集的某个比较器的输出电平发生了翻转时，则该路待采集的模拟信号与第一时刻和第二时刻所对应的模拟电压参考信号的值相关联。

Description

一种模拟信号采样电路及方法

技术领域

本发明涉及信号采样，尤其涉及模拟信号采样。

背景技术

在变流器控制领域中，对电压、电流、温度等模拟信号的采集，往往是通过微控制单元(Macro Control Unit，简称MCU)自带的模拟采样模数转换(Analog-to-DigitalConversion，简称A/D)端口，或者使用专门的模拟信号采样芯片进行数据采样，此类方法往往存在弊端，如采样范围一旦硬件电路确立，便不可通过软件调节，大大降低了其通用性；同时，随着控制技术应用的发展，对模拟信号采集数量的需求也越来越多，容易造成MCU模拟采样A/D端口资源的不足，外挂专门的模拟信号采样芯片又需占用MCU的通信端口，给系统架构带来复杂性。

因此，亟需一种采样范围能够通过软件调节，且能够不过多占用MCU模拟采样A/D端口、通信端口，采集单路或者多路模拟信号的电路及方法。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种可通过软件实时调节采样范围的模拟信号采样电路，同时可以选择采用开环控制或者闭环控制，对单路或者多路模拟信号进行采样。

本发明提供了一种模拟信号采样电路，所述电路包括：控制器、低通滤波器以及至少一个比较器。其中：所述控制器被配置成产生脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)信号，并采集各个比较器的输出；所述低通滤波器被配置成接收所述PWM信号并输出模拟电压参考信号；所述至少一个比较器中的每一个比较器对应一路待采集的模拟信号，所述每一个比较器被配置成将所述模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号；其中，模拟电压参考信号为可调节的，可调节范围与所述待采集的模拟信号的采样范围相关联；所述模拟电压参考信号随着时间进行单向变化，当在第一时刻和第二时刻之间，所述控制器所采集的某个比较器的输出电平发生了翻转时，则该路待采集的模拟信号与所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的值相关联。

在一个实施例中，所述电路还包括：与所述控制器相通信的处理单元。所述处理单元被配置成在所述可调节范围内，单向调节所述模拟电压参考信号的大小，当在第一时刻和第二时刻之间，所述处理单元判断出所述控制器所采集的某个比较器的输出发生了翻转时，则所述处理单元根据所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的平均值确定出该路待采集的模拟信号的大小。

在一个实施例中，所述处理单元可以由软件实现。

在一个实施例中，所述处理单元通过调节所述控制器输出的PWM信号的占空比或者频率，来实现调节所述模拟电压参考信号。

在一个实施例中，所述控制器还被配置成采集所述低通滤波器所输出的模拟电压参考信号，以供所述处理单元校正和调整输出PWM信号的占空比及频率。

在一个实施例中，所述控制器为MCU，所述MCU的输入输出口输出所述PWM信号并采集各个比较器的输出，所述MCU的模拟量采样端口采集所述低通滤波器所输出的模拟电压参考信号。

在一个实施例中，所述模拟电压参考信号的可调节范围为各路所述待采集的模拟信号的采样范围的并集。

在一个实施例中，各个比较器集成在一个多路比较器模块中或者各个比较器在物理上各自独立。

本发明还提供了又一种模拟信号采样电路，所述电路包括：控制器、第一低通滤波器、第二低通滤波器以及至少一组比较器。其中：所述至少一组比较器中的每一组比较器对应一路待采集的模拟信号，所述每一组比较器包括第一比较器和第二比较器；所述控制器被配置成产生第一PWM信号和第二PWM信号，并采集各个比较器的输出；所述第一低通滤波器被配置成接收所述第一PWM信号并输出第一模拟电压参考信号至所述第一比较器；所述第二低通滤波器被配置成接收所述第二PWM信号并输出第二模拟电压参考信号至所述第二比较器；所述第一比较器被配置成将所述第一模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号；所述第二比较器被配置成将所述第二模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号；其中，所述第一和第二模拟电压参考信号为可调节的，可调节范围与所述待采集的模拟信号的采样范围相关联；所述第一和第二模拟电压参考信号随着时间同时进行单向变化，当所述控制器检测到所采集的一组比较器中的第一和第二比较器的输出电平先后或同时发生了翻转时，则该组比较器所对应的该路待采集的模拟信号与发生翻转时所对应的所述第一和第二模拟电压参考信号的值相关联。

在一个实施例中，所述电路还包括：与所述控制器相通信的处理单元。所述处理单元被设置成在所述可调节范围内，同时单向调节所述第一和第二模拟电压参考信号的大小，当所述处理单元判断出所述控制器所采集的某组比较器的第一比较器和第二比较器的输出电平先后或同时发生了翻转时，则所述处理单元根据发生翻转时所对应的第一模拟电压参考信号和第二模拟电压参考信号的平均值确定出该路待采集的模拟信号的大小。

在一个实施例中，所述处理单元可由软件实现。

在一个实施例中，所述第一模拟电压参考信号与第二模拟电压参考信号的差值恒定，所述差值的大小与所述待采集的模拟信号的精度有关，所述差值的大小由所述处理单元调整。

在一个实施例中，所述处理单元通过调节所述控制器输出的PWM信号的占空比或者频率，来实现调节所述模拟电压参考信号的大小。

在一个实施例中，所述控制器还被配置成采集所述低通滤波器所输出的模拟电压参考信号，以供所述处理单元校正和调整输出PWM信号的占空比及频率。

在一个实施例中，所述控制器为MCU，所述MCU的输入输出口输出所述第一和第二PWM信号以及采集各个比较器的输出，所述MCU的模拟量采样端口采集所述低通滤波器所输出的第一和第二模拟电压参考信号。

在一个实施例中，所述第一和第二模拟电压参考信号的可调节范围为各路所述待采集的模拟信号的采样范围的并集。

在一个实施例中，各个比较器集成在一个多路比较器模块中或者各个比较器在物理上各自独立。

本发明还提供了一种模拟信号采样方法，所述方法包括以下步骤：

利用一控制器的输入输出口产生PWM信号；

根据所述PWM信号产生模拟电压参考信号；

将所述模拟电路参考信号与各路待采集的模拟信号进行比较，比较结果作为输出被采集至所述控制器的输入输出口，其中，该输出为数字量信号；

单向调整所述模拟电压参考信号的大小，当在第一时刻和第二时刻之间，所述控制器所采集的某个比较器的输出电平发生了翻转时，则认为该路待采集的模拟信号与所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的值相关联。

在一个实施例中，所述方法还包括：计算该路待采集的模拟信号的大小，其中，该路模拟信号的大小为所述处理单元根据所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的平均值。

在一个实施例中，单向调整所述模拟电压参考信号的大小包括：通过调整PWM信号的占空比或者频率来调整所述模拟电压参考信号的大小。

在一个实施例中，所述方法还包括：利用所述控制器的模拟量采样端口采集所述模拟电压参考信号，以用于校正和调整输出PWM信号的占空比及频率。

在一个实施例中，所述控制器为MCU。

本发明还提供了又一种模拟信号采样方法，所述方法包括以下步骤：

利用一控制器的输入输出口产生第一PWM信号和第二PWM信号；

根据所述第一PWM信号产生第一模拟电压参考信号；

根据所述第二PWM信号产生第二模拟电压参考信号；

提供至少一组比较器，其中，所述至少一组比较器中的每一组比较器对应一路待采集的模拟信号，每一组比较器中包括第一比较器和第二比较器；

每一组比较器中的第一比较器将所述第一模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号，并被采集至所述控制器；

每一组比较器中的第二比较器将所述第二模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号，并被采集至所述控制器；

同时单向调整所述第一模拟电压参考信号和所述第二模拟电压参考信号的大小，当所述控制器检测到所采集的某组比较器中的第一和第二比较器的输出电平先后或同时发生了翻转时，则认为该组比较器所对应的该路待采集的模拟信号与发生翻转时所对应的所述第一和第二模拟电压参考信号的值相关联。

在一个实施例中，所述方法还包括：计算该路待采集的模拟信号的大小，其中，该路模拟信号的大小为发生翻转时所对应的第一模拟电压参考信号和第二模拟电压参考信号的平均值。

在一个实施例中，所述第一模拟电压参考信号与第二模拟电压参考信号的差值恒定，所述差值的大小为可调节的，且与所述待采集的模拟信号的精度有关。

在一个实施例中，所述第一和第二模拟电压参考信号的可调节范围为各路所述待采集的模拟信号的采样范围的并集。

在一个实施例中，单向调整所述第一和第二模拟电压参考信号的大小包括：通过调整第一和第二PWM信号的占空比或者频率来调整所述第一和第二模拟电压参考信号的大小。

在一个实施例中，所述方法还包括：利用所述控制器的模拟量采样端口采集所述第一和第二模拟电压参考信号，以用于校正和调整输出所述第一和第二PWM信号的占空比及频率。

在一个实施例中，所述控制器为MCU。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1示出根据本发明一实施例的模拟信号采样电路；

图2示出PWM波形的特征示意图；

图3示出根据本发明一实施例的信号变化示意图；

图4示出根据本发明一实施例的模拟信号采样电路；

图5示出根据本发明一实施例的信号变化示意图；

图6示出根据本发明一实施例的模拟信号采样电路；

图7示出根据本发明一实施例的信号变化示意图；

图8示出根据本发明一实施例的模拟信号采样电路；

图9示出根据本发明一实施例的信号变化示意图。

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

图1示出根据本发明一实施例的模拟信号采样电路。如图1所示，该模拟信号采样电路包括控制器101、低通滤波器102以及比较器103。控制器101被配置为生成PWM波形并采集比较器103的输出。低通滤波器102被配置成接收PWM波形并输出模拟电压参考信号V_ref。可选择地，控制器101还可采集模拟电压参考信号V_ref，用以校正和调整输出PWM的占空比及频率，可以达到闭环控制，提高模拟电压参考信号V_ref精度。比较器103被配置成将模拟电压参考信号V_ref与待采集的模拟信号V_sense进行比较，输出数字量信号V_Designal。使用比较器将V_ref与V_sense比较，意在寻找与V_sense最相近的V_ref值。

在一个实施例中，控制器101可以是MCU控制器。MCU控制器的输入输出口(IO)输出PWM波形，该信号经过低通滤波及放大后变成模拟电压参考信号V_ref，MCU控制器的模拟量采样端口(A/D)采集V_ref，用以调整输出PWM的占空比及频率，可以达到闭环控制，提高模拟电压参考信号V_ref精度。在一个实施例中，MCU控制器也可以不采集V_ref，使用开环的方式输出PWM。

在一个实施例中，本发明的模拟信号采样电路还可包括一处理单元(未示出)。该处理单元与控制器101通信，该处理单元可以根据控制器101所采集到的比较器的数字量信号输出V_Designal来判断V_ref与V_sense的大小关系，并计算出待采集的模拟信号V_sense。同时，该处理单元还可以调整输出PWM的占空比及频率，以控制模拟电压参考信号V_ref的变化。在一个实施例中，该处理单元可以由软件实现。

PWM的特征如图2所示，MCU输出的PWM通过设计的低通滤波器后，得到的V_ref电压值为：

其中，V_PWMH是预先设置的，表示PWM波的最高电压，A为低通滤波器102设计时设定的放大比例系数，通过调节输出PWM的占空比D或者频率f，便可控制电压参考信号V_ref的变化。在一个实施例中，该调节可以由处理单元(例如：软件)实现。通过比较器103，将模拟电压参考信号V_ref与待采集的模拟信号V_sense进行比较，输出数字量信号V_Designal，MCU通过I/O口采集V_Designal信号。根据V_Designal信号即可知道信号V_ref与信号V_sense的数值大小关系。

在一个实施例中，假定应用场景的V_sense采样范围为V_refa～V_refb，则通过软件调节PWM的输出，让电压值V_ref在一个检测周期t_a～t_b内，从V_refa单向变化到V_refb，如图3所示。t₁和t₂为调节V_ref过程中相邻的两个时刻，在t₁时刻，V_ref为V_{ref_1}，在t₂时刻，V_ref为V_{ref_2}。在t₁到t₂的时间内，MCU检测到数字信号V_Designal电平发生翻转。如将V_ref信号接在比较器“-”端，将V_sense信号接在比较器“+”端，则V_Designal信号由高电平V_DesignalH变为低电平V_DesignalL；如将V_ref信号接在比较器“+”端，将V_sense信号接在比较器“-”端，则V_Designal信号由低电平V_DesignalL变为高电平V_DesignalH，如图3所示；即可判定待采样的模拟信号V_sense处于V_{ref_1}和V_{ref_2}之间，通过处理单元(例如：软件)运算取V_{ref_1}和V_{ref_2}的平均值，则可以得到模拟信号V_sense的值。

图4示出根据本发明又一实施例的模拟信号采样电路。如图4所示，此方案通过输出两路PWM，各自经过对应的低通滤波器得到模拟电压参考信号V_ref1和V_ref2，V_ref1和V_ref2同样可以选择闭环控制或者开环控制来调节。

具体而言，该模拟信号采样电路包括控制器401、第一低通滤波器402、第一比较器403、第二低通滤波器404、第二比较器405。控制器401被配置成输出第一PWM信号(PWM1)至第一低通滤波器402并采集第一比较器403的输出。第一低通滤波器402被配置成接收第一PWM信号并输出第一模拟电压参考信号V_ref1。可选择地，控制器401还可采集第一模拟电压参考信号V_ref1，以进行闭环控制。第一比较器403被配置成将第一模拟电压参考信号V_ref1与待采集的模拟信号V_sense进行比较，输出第一数字量信号V_Designal1。控制器401还被配置成输出第二PWM信号(PWM2)至第二低通滤波器404并采集第二比较器405的输出。第二低通滤波器404被配置成接收第二PWM信号(PWM2)并输出第二模拟电压参考信号V_ref2。可选择地，控制器401还可采集第二模拟电压参考信号V_ref2，以进行闭环控制。第二比较器405被配置成将第二模拟电压参考信号V_ref2与待采集的模拟信号V_sense进行比较，输出第二数字量信号V_Designal2。在一个实施例中，该第一比较器403和该第二比较器405可以是独立的两个比较器，也可以是集成在一起的单个多路比较器。在一个实施例中，V_sense输入至两个比较器的端口可以是相同极性的，也可以是相反极性的。

在一个实施例中，控制器401可以是MCU控制器。MCU控制器的两个输入输出口(IO)分别输出第一PWM波形和第二PWM波形，两路PWM信号经过各自对应的低通滤波及放大后变成第一模拟电压参考信号V_ref1和第二模拟电压参考信号V_ref2。MCU控制器的两个模拟量采样端口(A/D)分别采集第一模拟电压参考信号V_ref1和第二模拟电压参考信号V_ref2，用以调整输出第一和第二PWM的占空比及频率，可以达到闭环控制，提高第一模拟电压参考信号V_ref1和第二模拟电压参考信号V_ref2精度。在一个实施例中，MCU控制器也可以不采集V_ref，使用开环的方式输出PWM。

在一个实施例中，本发明的模拟信号采样电路还可包括一处理单元(未示出)。该处理单元与控制器401通信，该处理单元可以根据控制器401所采集到的比较器的数字量信号输出来判断模拟电压参考信号与待采样的模拟信号的大小关系，并计算出待采集的模拟信号V_sense。同时，该处理单元还可以调整输出第一和第二PWM的占空比及频率，以控制第一和第二模拟电压参考信号的变化。该处理单元还能调节第一模拟电压参考信号与第二模拟电压参考信号之间的差值。在一个实施例中，该处理单元可以由软件实现。

具体而言，V_ref1、V_ref2与MCU输出PWM的关系为：

其中，V_PWM1H、V_PWM2H是预先设置的，V_PWM1H表示第一PWM波的最高电压，V_PWM2H表示第二PWM波的最高电压；A₁、A₂为低通滤波器设计时设定的放大比例系数，处理单元(例如：软件)通过调节输出PWM1、PWM2的占空比D₁、D₂或者频率f₁、f₂，便可控制电压参考信号V_ref1、V_ref2的变化。通过比较器，将电压信号V_ref1、V_ref2分别与待采集的模拟信号V_sense进行比较，输出两个数字量信号V_Designal1、V_Designal2，MCU通过I/O口采集V_Designal1、V_Designal2信号，即可知道信号V_ref1、V_ref2与信号V_sense的数值大小关系。

假定应用场景的V_sense采样范围为V_ref1a～V_ref2b，则通过软件调节PWM的输出，让电压值V_ref1、V_ref2在一个检测周期t_a～t_b内，V_ref1从V_ref1a单向变化到V_ref1b，V_ref2从V_ref2a单向变化到V_ref2b，如图5所示。并且，在整个调节检测的过程中，保持电压信号V_ref1、V_ref2的差值恒定为一个很小的值△V_ref：

ΔV_ref＝V_ref2a-V_ref1a＝V_ref2b-V_ref1b＝V_ref2-V_ref1

在将电压信号V_ref1、V_ref2从t_a调节到t_b过程中的某个时刻t₁，如果MCU检测到数字信号V_Designal1和V_Designal2中的某一个的电平发生了翻转，例如，如图5所示，V_Designal2先发生了翻转，则记录该时刻对应的模拟电压参考信号V_ref2，此时继续单向调节电压信号V_ref1、V_ref2，则当在某个时刻t₁’，MCU检测到数字信号V_Designal1发生了翻转，则再记录该时刻对应的模拟电压参考信号V_ref1。处理单元(例如：软件)根据Vref1和Vref2的值，计算出待采样模拟信号V_sense的值。在一个实施例中，可取这个时刻V_ref1、V_ref2的平均值作为待采样模拟信号V_sense的值(V_sense的值处于V_ref1、V_ref2之间)，即：

需要指出的是，在某些情况下，数字信号V_Designal1和V_Designal2也有可能同时进行翻转，此时t₁等于t₁’。

图6示出根据本发明又一实施例的模拟信号采样电路。本方案为如图1所示实施例的延伸，即采用图1的模式对多路模拟信号进行采集。具体而言，该模拟信号采样电路包括控制器601、低通滤波器602以及多路比较器603-1…603-N。控制器601被配置成输出PWM信号至低通滤波器602并采集各路比较器603-1…603-N的输出。在一个实施例中，多路比较器603-1…603-N可以是独立的N个比较器，也可以是集成在一起的单个多路比较器。该低通滤波器602被配置成接收PWM信号并输出模拟电压参考信号V_ref，发送至各路比较器603-1…603-N。各路比较器603-1…603-N中的每一个被配置成将该模拟电压参考信号V_ref与与该路比较器对应的待采集的模拟信号(V_{sense_1}…V_{sense_N})进行比较，输出数字量信号(V_Designal1…V_DesignalN)。可选择地，控制器601还可采集模拟电压参考信号V_ref，以进行闭环控制。

假定应用场景的多路V_sense采样范围并集为V_refa～V_refb，则通过处理单元(例如：软件)调节PWM的输出，让电压值V_ref在一个检测周期t_a～t_b内，从V_refa单向变化到V_refb，如图7所示。t₁和t₂、t₃和t₄、t₅和t₆、……、t_2N-1和t_2N为调节V_ref过程中相邻的两个时刻。t₁和t₂、t₃和t₄、t₅和t₆、……、t_2N-1和t_2N对应的V_ref分别为V_{ref_1}和V_{ref_2}、V_{ref_3}和V_{ref_4}、V_{ref_5}和V_{ref_6}、……、V_{ref_2N-1}和V_{ref_2N}。如在t₁～t₂、t₃～t₄、t₅～t₆、……、t_2N-1～t_2N这些过程中，MCU检测到对应的数字量信号V_Designal1、V_Designal2、V_Designal3、……、V_DesignalN相应发生翻转，则可以通过计算(例如，通过软件进行计算)，取对应相邻时刻电压信号V_ref的平均值来作为待采样模拟信号V_sense的值：

图8示出根据本发明又一实施例的模拟信号采样电路。本方案为如图3所示实施例的延伸，即采用图3的模式对多路模拟信号进行采集。具体而言，该模拟信号采样电路包括控制器801、第一低通滤波器802_1、第二低通滤波器802_2，第一组比较器(803_1，803_2)、第二组比较器(803_3，803_4)、…、第N组比较器(803_2N-1，803_2N)。每组比较器包括两个比较器：第一比较器和第二比较器。每组比较器对应一路待采集的模拟信号，即，同一组比较器中的第一比较器和第二比较器接收相同的待采集的模拟信号。不同组比较器接收不同的待采集的模拟信号，例如，第一组比较器接收的待采集的模拟信号为V_{sense_1}，第二组比较器接收的待采集的模拟信号为V_{sense_2}，…依此类推。

控制器801被配置成输出第一PWM信号(PWM1)至第一低通滤波器802_1、输出第二PWM信号(PWM2)至第二低通滤波器802_2、并采集每个比较器的输出。可选择地，控制器801的两个模拟量采样端口(A/D)还可分别采集第一和第二模拟电压参考信号(V_ref1，V_ref2)，以进行闭环控制。在一个实施例中，所有比较器可以是互相物理独立的比较器，也可以是集成在一起的单个多路比较器。第一低通滤波器802_1被配置成接收第一PWM信号并输出第一模拟电压参考信号V_ref1。每组比较器中的第一比较器被配置成将第一模拟电压参考信号V_ref1与该组对应的待采集的模拟信号进行比较，并输出一数字量信号。该数字量信号反应了第一模拟电压参考信号V_ref1与该组对应的待采集的模拟信号的大小关系。第二低通滤波器802_1被配置成接收第二PWM信号(PWM2)并输出第二模拟电压参考信号V_ref2。每组比较器中的第二比较器被配置成将第二模拟电压参考信号V_ref2与该组对应的待采集的模拟信号进行比较，并输出一数字量信号。该数字量信号反应了第二模拟电压参考信号V_ref2与该组对应的待采集的模拟信号的大小关系。在一个实施例中，同一个待采集的模拟信号输入至每组的第一比较器和第二比较器的端口的极性可以是相同的，也可以是相反的。

在一个实施例中，假定应用场景多路V_sense采样范围的并集为V_ref1a～V_ref2b，则通过处理单元(例如：软件)调节PWM的输出，让模拟电压参考值V_ref1、V_ref2在一个检测周期t_a～t_b内，V_ref1从V_ref1a单向变化到V_ref1b，V_ref2从V_ref2a单向变化到V_ref2b，如图9所示。并且，在整个调节检测的过程中，保持电压信号V_ref1、V_ref2的差值恒定为一个很小的值△V_ref：

ΔV_ref＝V_ref2a-V_ref1a＝V_ref2b-V_ref1b＝V_ref2-V_ref1

在一个检测周期内的某些时刻t₁、t₁’,MCU控制器的I/O口检测到得数字信号V_Designal1和V_Designal2的电平先后发生了翻转(即V_Designal1和V_Designal2中的一个在t₁时刻发生了翻转、另一个在t₁’时刻发生了翻转)或同时发生了翻转(同时的情况即t₁等于t₁’)、并在随后的某些时刻t₂、t₂’,MCU控制器的I/O口检测到得数字信号V_Designal3和V_Designal4的电平先后发生了翻转(即V_Designal3和V_Designal4中的一个在t₂时刻发生了翻转、另一个在t₂’时刻发生了翻转)或同时发生了翻转(同时的情况即t₂等于t₂’)、在随后的某些时刻t₃、t₃’,MCU控制器的I/O口检测到得数字信号V_Designal5和V_Designal5的电平先后发生了翻转(即V_Designal5和V_Designal6中的一个在t₃时刻发生了翻转、另一个在t₃’时刻发生了翻转)或同时发生了翻转(同时的情况即t₃等于t₃’)、并在随后的某些时刻t_N、t_N’,MCU控制器的I/O口检测到得数字信号V_Designal2N-1和V_Designal2N的电平先后发生了翻转(即V_Designal2N-1和V_Designal2N中的一个在t_N时刻发生了翻转、另一个在t_N’时刻发生了翻转)或同时发生了翻转(同时的情况即t_N等于t_N’)时，，则分别获取每一对时刻(t₁、、t₁’)、(t₂、t₂’)、(t₃、t₃’)……、(t_N、t_N’)所对应的(V_ref1、V_ref2)的值，如图9所示，并根据所对应的这些V_ref1、V_ref2值，可获得待采样模拟信号V_sense的值。在一个实施例中，可以通过处理单元(例如：软件)计算，取这些时刻V_ref1和V_ref2的平均值作为待采样模拟信号V_sense的值：

其中，t₁时刻对应的V_ref1和t₁’时刻对应的V_ref2为V_{ref1_1}和V_{ref2_1}；t₂时刻对应的V_ref1和t₂’时刻对应的V_ref2为V_{ref1_2}和V_{ref2_2}；…；t_N时刻对应的V_ref1和t_N’时刻对应的V_ref2为V_{ref1_N}和V_{ref2_N}。

本发明还提供了一种模拟信号采样方法，所述方法包括以下步骤：

利用一控制器的输入输出口产生PWM信号；

根据所述PWM信号产生模拟电压参考信号；

将所述模拟电路参考信号与各路待采集的模拟信号进行比较，比较结果作为输出被采集至所述控制器的输入输出口，其中，该输出为数字量信号；

单向调整所述模拟电压参考信号的大小，当在第一时刻和第二时刻之间，所述控制器所采集的某个比较器的输出电平发生了翻转时，则认为该路待采集的模拟信号与所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的值相关联。

在一个实施例中，该路模拟信号的大小为所述处理单元根据所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的平均值。

本发明还提供了又一种模拟信号采样方法，所述方法包括以下步骤：

利用一控制器的输入输出口产生第一PWM信号和第二PWM信号；

根据所述第一PWM信号产生第一模拟电压参考信号；

根据所述第二PWM信号产生第二模拟电压参考信号；

提供至少一组比较器，其中，所述至少一组比较器中的每一组比较器对应一路待采集的模拟信号，每一组比较器中包括第一比较器和第二比较器；

每一组比较器中的第一比较器将所述第一模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号，并被采集至所述控制器；

每一组比较器中的第二比较器将所述第二模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号，并被采集至所述控制器；

同时单向调整所述第一模拟电压参考信号和所述第二模拟电压参考信号的大小，当所述控制器检测到所采集的某组比较器中的第一和第二比较器的输出电平先后或同时发生了翻转时，则认为该组比较器所对应的该路待采集的模拟信号与发生翻转时所对应的所述第一和第二模拟电压参考信号的值相关联。

在一个实施例中，该路模拟信号的大小为发生翻转时所对应的第一模拟电压参考信号和第二模拟电压参考信号的平均值。

在一个实施例中，所述第一模拟电压参考信号与第二模拟电压参考信号的差值恒定，所述差值的大小为可调节的，且与所述待采集的模拟信号的精度有关。

本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。以下列举一些本发明可以进行的变型。

例如，产生连续可调电压信号V_ref的方式可以有多种，本发明中使用MCU产生通过特定低通滤波器只是其中一种。

例如，本发明中的每个比较器输入端的接法可以有多种，可以将V_ref信号接在输入“+”端，将V_sense信号接在输入“-”端；也可以将V_ref信号接在输入“-”端，将V_sense信号接在输入“+”端。

例如，本发明中提到的比较器可以使用多个单路比较器，也可以使用单个多路比较器，也可以是单路比较器和多路比较器组合使用。

例如，本发明中提到的软件设置的不同采样周期采样方式可以有多种。

对于基于图1－3的技术方案，在一个采样周期中，经过两个相邻的时刻t₁和t₂，使数字信号V_Designal发生翻转，求出此时的V_sense；接下来的采样周期可以重新将V_ref从V_refa连续调节到V_refb，也可以让V_ref在V_{ref_1}和V_{ref_2}两个数值之间跳变，如果数字信号V_Designal连续发生翻转，即可继续使用上一个周期采集的V_sense值，直到V_Designal信号某一次没有发生连续翻转，则重新调整V_ref使之在整个采样范围内连续变化。

对于基于图4-图5的技术方案，在一个采样周期中，发现某一个时刻t₁，使数字信号V_Designal1和V_Designal2同时发生翻转，求出此时的V_sense；接下来的采样周期可以将V_ref1从V_ref1a连续调节到V_ref1b，将V_ref2从V_ref2a连续调节到V_ref2b，也可以就此让V_ref1和V_ref2保持不变，如果V_Designal1和V_Designal2均不再发生电平翻转，即可继续使用上一个周期采集的V_sense值，直到V_Designal1和V_Designal2某一个发生电平翻转，则重新调整V_ref使之在整个采样范围内连续变化。

例如，本发明中提到的多路模拟量采样方案中，可以使用同一组V_ref，也可以使用多组不同的V_ref。

例如，对于上述任何一个实施例，V_ref电压信号值调控均可选择开环控制或者闭环控制。

本发明具有以下极为有益的技术效果。

本发明可以使用任何一种MCU控制器的IO信号及A/D端口，通过本发明所述的模拟信号采样电路及方法，采集单路或者多路模拟信号，不占据过多A/D端口，能够同时采集不同采样范围、任何数量的模拟信号；且采样范围、采样精度、采样频率等均可以通过软件实时调节，具有很强的通用性和灵活性。

例如，对于上述任何一个实施例，待采集的模拟信号的采样范围可以通过软件实时改变，能够满足不同应用场景。

例如，对于多路模拟信号采样而言，采样范围V_refa～V_refb、V_ref1a～V_ref2b指的是多路模拟信号采样范围的并集，并集的选择有多种方式，均可通过软件设计进行实时调节，满足多种应用场景。如V_sense1的采样范围为0～1V，V_sense2的采样范围为2～3V，则可以通过软件设置，使V_ref在一个采样周期中，从0V变化到3V；也可以使V_ref在一个采样周期中，从0V变化到1V，转而从2V变化到3V。

例如，对于上述任何一个实施例，在任何一个采样周期中，模拟电压参考信号V_ref在采样范围的单向逐步调节过程中，可以从最小值变化到最大值，也可以从最大值变化到最小值，且变化的过程不一定需要线性变化。

例如，对于多路模拟信号采样而言，在控制器(例如MCU)的I/O口足够的情况下，可以采集不同采样范围、任意数量的模拟信号值。

例如，可通过软件调节相邻时刻电压信号V_ref的差值△V_ref，可以调节采样精度。△V_ref越小，精度越高。

例如，可通过软件调节采样周期t_a～t_b，以调节采样频率。

这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

最后，应当理解的是，本申请中所述实施例仅用以说明本申请实施例的原则。其他的变形也可能属于本申请的范围。因此，作为示例而非限制，本申请实施例的替代配置可视为与本申请的教导一致。相应地，本申请的实施例不仅限于本申请明确介绍和描述的实施例。

Claims (27)

1.一种模拟信号采样电路，其特征在于，所述电路包括：

控制器、低通滤波器以及至少一个比较器；

其中：

所述控制器被配置成产生PWM信号，并采集各个比较器的输出；

所述低通滤波器被配置成接收所述PWM信号并输出模拟电压参考信号；

所述至少一个比较器中的每一个比较器对应一路待采集的模拟信号，所述每一个比较器被配置成将所述模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号；

其中，模拟电压参考信号为可调节的，可调节范围与所述待采集的模拟信号的采样范围相关联；所述模拟电压参考信号随着时间进行单向变化，当在第一时刻和第二时刻之间，所述控制器所采集的某个比较器的输出电平发生了翻转时，则该路待采集的模拟信号与所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的值相关联。

2.如权利要求1所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述电路还包括：

与所述控制器相通信的处理单元，所述处理单元被配置成在所述可调节范围内，单向调节所述模拟电压参考信号的大小，当在第一时刻和第二时刻之间，所述处理单元判断出所述控制器所采集的某个比较器的输出发生了翻转时，则所述处理单元根据所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的平均值确定出该路待采集的模拟信号的大小。

3.如权利要求1所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述处理单元通过调节所述控制器输出的PWM信号的占空比或者频率，来实现调节所述模拟电压参考信号。

4.如权利要求2所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述控制器还被配置成采集所述低通滤波器所输出的模拟电压参考信号，以供所述处理单元校正和调整输出PWM信号的占空比及频率。

5.如权利要求4所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述控制器为MCU，所述MCU的输入输出口输出所述PWM信号并采集各个比较器的输出，所述MCU的模拟量采样端口采集所述低通滤波器所输出的模拟电压参考信号。

6.如权利要求1所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述模拟电压参考信号的可调节范围为各路所述待采集的模拟信号的采样范围的并集。

7.如权利要求1所述的模拟信号采样电路，其特征在于，各个比较器集成在一个多路比较器模块中或者各个比较器在物理上各自独立。

8.一种模拟信号采样电路，其特征在于，所述电路包括：

控制器、第一低通滤波器、第二低通滤波器以及至少一组比较器；

其中：

所述至少一组比较器中的每一组比较器对应一路待采集的模拟信号，所述每一组比较器包括第一比较器和第二比较器；

所述控制器被配置成产生第一PWM信号和第二PWM信号，并采集各个比较器的输出；

所述第一低通滤波器被配置成接收所述第一PWM信号并输出第一模拟电压参考信号至所述第一比较器；

所述第二低通滤波器被配置成接收所述第二PWM信号并输出第二模拟电压参考信号至所述第二比较器；

所述第一比较器被配置成将所述第一模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号；

所述第二比较器被配置成将所述第二模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号；

其中，所述第一和第二模拟电压参考信号为可调节的，可调节范围与所述待采集的模拟信号的采样范围相关联；所述第一和第二模拟电压参考信号随着时间同时进行单向变化，当所述控制器检测到所采集的一组比较器中的第一和第二比较器的输出电平先后或同时发生了翻转时，则该组比较器所对应的该路待采集的模拟信号与发生翻转时所对应的所述第一和第二模拟电压参考信号的值相关联。

9.如权利要求8所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述电路还包括：

与所述控制器相通信的处理单元，所述处理单元被设置成在所述可调节范围内，同时单向调节所述第一和第二模拟电压参考信号的大小，当所述处理单元判断出所述控制器所采集的某组比较器的第一比较器和第二比较器的输出电平先后或同时发生了翻转时，则所述处理单元根据发生翻转时所对应的第一模拟电压参考信号和第二模拟电压参考信号的平均值确定出该路待采集的模拟信号的大小。

10.如权利要求9所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述第一模拟电压参考信号与第二模拟电压参考信号的差值恒定，所述差值的大小与所述待采集的模拟信号的精度有关，所述差值的大小由所述处理单元调整。

11.如权利要求8所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述处理单元通过调节所述控制器输出的PWM信号的占空比或者频率，来实现调节所述模拟电压参考信号的大小。

12.如权利要求9所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述控制器还被配置成采集所述低通滤波器所输出的模拟电压参考信号，以供所述处理单元校正和调整输出PWM信号的占空比及频率。

13.如权利要求12所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述控制器为MCU，所述MCU的输入输出口输出所述第一和第二PWM信号以及采集各个比较器的输出，所述MCU的模拟量采样端口采集所述低通滤波器所输出的第一和第二模拟电压参考信号。

14.如权利要求8所述的模拟信号采样电路，其特征在于，所述第一和第二模拟电压参考信号的可调节范围为各路所述待采集的模拟信号的采样范围的并集。

15.如权利要求8所述的模拟信号采样电路，其特征在于，各个比较器集成在一个多路比较器模块中或者各个比较器在物理上各自独立。

16.一种模拟信号采样方法，其特征在于，所述方法包括：

利用一控制器的输入输出口产生PWM信号；

根据所述PWM信号产生模拟电压参考信号；

将所述模拟电路参考信号与各路待采集的模拟信号进行比较，比较结果作为输出被采集至所述控制器的输入输出口，其中，该输出为数字量信号；

单向调整所述模拟电压参考信号的大小，当在第一时刻和第二时刻之间，所述控制器所采集的某个比较器的输出电平发生了翻转时，则认为该路待采集的模拟信号与所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的值相关联。

17.如权利要求16所述的模拟信号采样方法，其特征在于，所述方法还包括：计算该路待采集的模拟信号的大小，其中，该路模拟信号的大小为所述处理单元根据所述第一时刻和所述第二时刻所对应的所述模拟电压参考信号的平均值。

18.如权利要求16所述的模拟信号采样方法，其特征在于，单向调整所述模拟电压参考信号的大小包括：

通过调整PWM信号的占空比或者频率来调整所述模拟电压参考信号的大小。

19.如权利要求16所述的模拟信号采样方法，其特征在于，所述方法还包括：利用所述控制器的模拟量采样端口采集所述模拟电压参考信号，以用于校正和调整输出PWM信号的占空比及频率。

20.如权利要求16所述的模拟信号采样方法，其特征在于，所述控制器为MCU。

21.一种模拟信号采样方法，其特征在于，所述方法包括：

利用一控制器的输入输出口产生第一PWM信号和第二PWM信号；

根据所述第一PWM信号产生第一模拟电压参考信号；

根据所述第二PWM信号产生第二模拟电压参考信号；

提供至少一组比较器，其中，所述至少一组比较器中的每一组比较器对应一路待采集的模拟信号，每一组比较器中包括第一比较器和第二比较器；

每一组比较器中的第一比较器将所述第一模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号，并被采集至所述控制器；

每一组比较器中的第二比较器将所述第二模拟电压参考信号与对应的待采集的模拟信号进行比较，输出一数字量信号，并被采集至所述控制器；

同时单向调整所述第一模拟电压参考信号和所述第二模拟电压参考信号的大小，当所述控制器检测到所采集的某组比较器中的第一和第二比较器的输出电平先后或同时发生了翻转时，则认为该组比较器所对应的该路待采集的模拟信号与发生翻转时所对应的所述第一和第二模拟电压参考信号的值相关联。

22.如权利要求21所述的模拟信号采样方法，其特征在于，所述方法还包括：计算该路待采集的模拟信号的大小，其中，该路模拟信号的大小为发生翻转时所对应的第一模拟电压参考信号和第二模拟电压参考信号的平均值。

23.如权利要求21所述的模拟信号采样方法，其特征在于，所述第一模拟电压参考信号与第二模拟电压参考信号的差值恒定，所述差值的大小为可调节的，且与所述待采集的模拟信号的精度有关。

24.如权利要求21所述的模拟信号采样方法，其特征在于，所述第一和第二模拟电压参考信号的可调节范围为各路所述待采集的模拟信号的采样范围的并集。

25.如权利要求21所述的模拟信号采样方法，其特征在于，单向调整所述第一和第二模拟电压参考信号的大小包括：

通过调整第一和第二PWM信号的占空比或者频率来调整所述第一和第二模拟电压参考信号的大小。

26.如权利要求21所述的模拟信号采样方法，其特征在于，所述方法还包括：利用所述控制器的模拟量采样端口采集所述第一和第二模拟电压参考信号，以用于校正和调整输出所述第一和第二PWM信号的占空比及频率。

27.如权利要求21所述的模拟信号采样方法，其特征在于，所述控制器为MCU。

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