CN111579857A - 一种仪用数字补偿式电压采样电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仪用数字补偿式电压采样电路及方法，包括直流信号比例放大电路、数字补偿电路、交流信号比例放大电路和DSP芯片。直流信号比例放大电路的输入端接入直流信号与交流方波信号的叠加信号，直流信号比例放大电路的输出端连接DSP芯片的第一输入端，交流信号比例放大电路的输入端分别连接直流信号比例放大电路的输出端和数字补偿电路的输出端，交流信号比例放大电路的输出端连接DSP芯片的第二输入端，DSP芯片的输出端连接数字补偿电路的输入端。本发明解决传统隔直电容对交流方波信号衰减与偏移问题，并实现交流直流完全解耦。

Description

一种仪用数字补偿式电压采样电路及方法

技术领域

本发明属于仪器仪表领域，特别涉及了一种仪用电压采样电路及方法。

背景技术

在仪器仪表中，电压采样电路是最关键的部分之一。常见仪表工作原理可总结为，施加不同激励源在被测设备，由电压采样电路对返回的信号进行采样，从而计算得到被测量。因此电压采样电路的精确度与准确度直接关系到仪表性能表现。

交流方波信号与直流信号叠加是一种常见的仪表信号，在如接地电阻测试仪、绝缘阻抗分析仪等仪表中较为常见。传统仪用电压采样电路通过隔直电容解耦，分离交流方波信号与直流信号，实现对叠加信号的电压采样。但是这种电压采样电路存在以下几种问题：1、隔直电容对交流方波信号产生阻性分流作用，造成信号的衰减与偏移，严重时会直接滤除交流方波信号；2、隔直电容不能完全滤除直流信号，剩余直流信号将随交流方波信号同比例放大或衰减，造成交流直流解耦不彻底；3、当交流方波信号远小于直流信号时，隔直电容衰减作用、交流直流解耦不彻底等将导致电压采样电路失去对交流方波信号的采样能力。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种仪用数字补偿式电压采样电路及方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种仪用数字补偿式电压采样电路，包括直流信号比例放大电路、数字补偿电路、交流信号比例放大电路和DSP芯片；所述直流信号比例放大电路的输入端接入直流信号与交流方波信号的叠加信号，所述直流信号比例放大电路的输出端连接所述DSP芯片的第一输入端，所述交流信号比例放大电路的输入端分别连接所述直流信号比例放大电路的输出端和数字补偿电路的输出端，所述交流信号比例放大电路的输出端连接所述DSP芯片的第二输入端，所述DSP芯片的输出端连接所述数字补偿电路的输入端；DSP芯片通过第一输入端采集的信号计算直流信号幅值和补偿占空比，并将该补偿占空比通过DSP芯片的输出端输入数字补偿电路，DSP芯片根据第二输入端采集的信号交流方波信号的幅值。

进一步地，所述直流信号比例放大电路包括第一～第十二电阻、第一～第四运放、第一电容和第二电容；第一电阻的一端连接所述叠加信号的正极，第一电阻的另一端连接第一运放的正输入端，第二电阻的一端连接所述叠加信号的负极，第二电阻的另一端连接第二运放的正输入端，第一运放的正输入端经第三电阻与第二运放的正输入端连接，第一运放的负输入端经第五电阻与第二运放的负输入端连接，第一运放的输出端经第四电阻与第一运放的负输入端连接，第二运放的输出端经第六电阻与第二运放的负输入端连接，第一运放的输出端经第七电阻与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端连接第三运放的输出端，第一电容与第九电阻并联，第二运放的输出端经第八电阻与第十电阻的一端连接，第十电阻的另一端接地，第二电容与第十电阻并联，第三运放的负输入端连接第七电阻与第九电阻的公共端，第三运放的正输入端连接第八电阻与第十电阻的公共端，第三运放的输出端经第十一电阻与第四运放的负输入端连接，第四运放的正输入端接地，第四运放的输出端经第十二电阻与第四运放的负输入端连接，第四运放的输出端作为整个直流信号比例放大电路的输出端。

进一步地，所述数字补偿电路包括第十三～第十五电阻、第五运放和第三电容；第十三电阻的一端作为整个数字补偿电路的输入端，第十三电阻的另一端经第十四电阻与第五运放的负输入端连接，第十三电阻与第十四电阻的公共端经第三电容后接地，第五运放的正输入端接地，第五运放的输出端经第十五电阻与第五运放的负输入端连接，第五运放的输出端作为整个数字补偿电路的输出端。

进一步地，所述交流信号比例放大电路包括第十六～第十八电阻和第六运放；第六运放的负输入端经第十六电阻与直流信号比例放大电路的输出端连接，第六运放的负输入端经第十七电阻与数字补偿电路的输出端连接，第六运放的正输入端接地，第六运放的输出端经第十八电阻与第六运放的负输入端连接，第六运放的输出端作为交流信号比例放大电路的输出端。

基于上述仪用数字补偿式电压采样电路的电压采样方法，包括以下步骤：

(1)DSP芯片根据其第一输入端的采样电压，计算直流信号的幅值Vdc：

上式中，K1为直流信号比例放大电路的直流采样比例，Vtop_s和Vbottom_s分别为DSP芯片第一输入端采样电压的最大值和最小值；

(2)DSP芯片根据其第一输入端的采样电压，计算补偿占空比D：

上式中，K2为交流信号比例放大电路的交流采样比例；

(3)DSP芯片的输出端输出补偿占空比D，补偿占空比D经数字补偿电路与直流信号在交流信号比例放大电路处形成补偿并放大；

(4)DSP芯片根据其第二输入端的采样电压，计算交流方波信号的幅值Vac：

上式中，Vac_s为DSP芯片第二输入端的采样电压。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明采用运放高阻输入，解决隔直电容对交流方波信号衰减与偏移问题；本发明采用DSP输出PWM数字信号进行补偿，实现交流直流完全解耦；本发明直流信号与交流方波信号的采样比例独立，交流方波信号分辨力大大提高，并能实现同时对两种信号的测量。

附图说明

图1是本发明仪用数字补偿式电压采样电路图；

图2是本发明仪用数字补偿式电压采样电路波形图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明设计了一种仪用数字补偿式电压采样电路，如图1所示，包括直流信号比例放大电路1、数字补偿电路2、交流信号比例放大电路3和DSP芯片。

如图1所示，直流信号比例放大电路1包括第一～第十二电阻R1～R12、第一～第四运放OP1～OP4、第一电容C1和第二电容C2。第一电阻R1的一端连接所述叠加信号的正极，第一电阻R1的另一端连接第一运放OP1的正输入端，第二电阻R2的一端连接所述叠加信号的负极，第二电阻R2的另一端连接第二运放OP2的正输入端，第一运放OP1的正输入端经第三电阻R3与第二运放OP2的正输入端连接，第一运放OP1的负输入端经第五电阻R5与第二运放OP2的负输入端连接，第一运放OP1的输出端经第四电阻R4与第一运放OP1的负输入端连接，第二运放OP2的输出端经第六电阻R6与第二运放OP2的负输入端连接，第一运放OP1的输出端经第七电阻R7与第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端连接第三运放OP3的输出端，第一电容C1与第九电阻R9并联，第二运放OP2的输出端经第八电阻R8与第十电阻R10的一端连接，第十电阻R10的另一端接地，第二电容C2与第十电阻R10并联，第三运放OP3的负输入端连接第七电阻R7与第九电阻R9的公共端，第三运放OP3的正输入端连接第八电阻R8与第十电阻R10的公共端，第三运放OP3的输出端经第十一电阻R11与第四运放OP4的负输入端连接，第四运放OP4的正输入端接地，第四运放OP4的输出端经第十二电阻R12与第四运放OP4的负输入端连接，第四运放OP4的输出端作为整个直流信号比例放大电路1的输出端。

直流信号S1、交流方波信号S2产生的叠加信号，由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3分压，在第一运放OP1、第二运放OP2形成高阻差分输入，不会对信号产生衰减与偏移；第一运放OP1、第二运放OP2、第三运放OP3构成差分放大电路，第四运放OP4构成反向电路，共同形成直流信号比例放大功能。

在本实施例中，直流采样比例为K1，R1、R2阻值为(10/K1-5)kΩ，R3、R4、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12阻值为10kΩ，R5阻值为20kΩ，C1、C2容值为0.1uF，OP1、OP2、OP3、OP4型号为LM2902。

如图1所示，数字补偿电路2包括第十三～第十五电阻R13～R15、第五运放OP5和第三电容C3。第十三电阻R13的一端作为整个数字补偿电路2的输入端连接DSP芯片输出的PWM信号，第十三电阻R13的另一端经第十四电阻R14与第五运放OP5的负输入端连接，第十三电阻R13与第十四电阻R14的公共端经第三电容C3后接地，第五运放OP5的正输入端接地，第五运放OP5的输出端经第十五电阻R15与第五运放OP5的负输入端连接，第五运放OP5的输出端作为整个数字补偿电路2的输出端。

DSP芯片输出的PWM信号经第十三电阻R13、第三电容C3构成的RC滤波电路变成直流，经第五运放OP5构成的反向电路输入至交流比例放大电路，形成交流解耦的补偿信号。

在本实施例中，R13、R14、R15阻值为10kΩ，C3容值为10uF，OP5型号为LM2902。

如图1所示，交流信号比例放大电路3包括第十六～第十八电阻R16～R18和第六运放OP6。第六运放OP6的负输入端经第十六电阻R16与直流信号比例放大电路1的输出端连接，第六运放OP6的负输入端经第十七电阻R17与数字补偿电路2的输出端连接，第六运放OP6的正输入端接地，第六运放OP6的输出端经第十八电阻R18与第六运放OP6的负输入端连接，第六运放OP6的输出端作为交流信号比例放大电路3的输出端。

第十六电阻R16、第十七电阻R17构成加法器，实现直流信号补偿。第六运放OP6构成的反向比例放大电路，独立放大交流方波信号，实现交流解耦。

在本实施例中，交流采样比例为K2，R16、R17阻值为10kΩ，R18阻值为(10*K2/K1)kΩ，OP6型号为LM2902。

在本实施例中，DSP芯片的型号为TMS320F28335，DSP芯片的AD1引脚连接直流信号比例放大电路1的输出端，DSP芯片的AD2引脚连接交流信号比例放大电路3的输出端，DSP芯片的EPWM1A引脚连接数字补偿电路2。

本发明还设计了基于上述电压采样电路的方法，步骤如下：

步骤1：参阅图2，DSP芯片读取AD1引脚电压采样最大值为Vtop_s、最小值为Vbottom_s，则直流信号可由下式计算：

步骤2：参阅图2，根据AD1引脚电压采样值，DSP芯片计算补偿占空比D，由EPWM1引脚输出，补偿占空比D可由下式计算：

步骤3：补偿占空比D信号经数字补偿电路2与直流信号在交流信号比例放大电路3处形成补偿并放大；

步骤4：参阅图2，DSP芯片读取AD2引脚电压采样Vac-s，则交流方波幅值可由下式计算：

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种仪用数字补偿式电压采样电路，其特征在于：包括直流信号比例放大电路、数字补偿电路、交流信号比例放大电路和DSP芯片；所述直流信号比例放大电路的输入端接入直流信号与交流方波信号的叠加信号，所述直流信号比例放大电路的输出端连接所述DSP芯片的第一输入端，所述交流信号比例放大电路的输入端分别连接所述直流信号比例放大电路的输出端和数字补偿电路的输出端，所述交流信号比例放大电路的输出端连接所述DSP芯片的第二输入端，所述DSP芯片的输出端连接所述数字补偿电路的输入端；DSP芯片通过第一输入端采集的信号计算直流信号幅值和补偿占空比，并将该补偿占空比通过DSP芯片的输出端输入数字补偿电路，DSP芯片根据第二输入端采集的信号交流方波信号的幅值。

2.根据权利要求1所述仪用数字补偿式电压采样电路，其特征在于：所述直流信号比例放大电路包括第一～第十二电阻、第一～第四运放、第一电容和第二电容；第一电阻的一端连接所述叠加信号的正极，第一电阻的另一端连接第一运放的正输入端，第二电阻的一端连接所述叠加信号的负极，第二电阻的另一端连接第二运放的正输入端，第一运放的正输入端经第三电阻与第二运放的正输入端连接，第一运放的负输入端经第五电阻与第二运放的负输入端连接，第一运放的输出端经第四电阻与第一运放的负输入端连接，第二运放的输出端经第六电阻与第二运放的负输入端连接，第一运放的输出端经第七电阻与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端连接第三运放的输出端，第一电容与第九电阻并联，第二运放的输出端经第八电阻与第十电阻的一端连接，第十电阻的另一端接地，第二电容与第十电阻并联，第三运放的负输入端连接第七电阻与第九电阻的公共端，第三运放的正输入端连接第八电阻与第十电阻的公共端，第三运放的输出端经第十一电阻与第四运放的负输入端连接，第四运放的正输入端接地，第四运放的输出端经第十二电阻与第四运放的负输入端连接，第四运放的输出端作为整个直流信号比例放大电路的输出端。

3.根据权利要求1所述仪用数字补偿式电压采样电路，其特征在于：所述数字补偿电路包括第十三～第十五电阻、第五运放和第三电容；第十三电阻的一端作为整个数字补偿电路的输入端，第十三电阻的另一端经第十四电阻与第五运放的负输入端连接，第十三电阻与第十四电阻的公共端经第三电容后接地，第五运放的正输入端接地，第五运放的输出端经第十五电阻与第五运放的负输入端连接，第五运放的输出端作为整个数字补偿电路的输出端。

4.根据权利要求1所述仪用数字补偿式电压采样电路，其特征在于：所述交流信号比例放大电路包括第十六～第十八电阻和第六运放；第六运放的负输入端经第十六电阻与直流信号比例放大电路的输出端连接，第六运放的负输入端经第十七电阻与数字补偿电路的输出端连接，第六运放的正输入端接地，第六运放的输出端经第十八电阻与第六运放的负输入端连接，第六运放的输出端作为交流信号比例放大电路的输出端。

5.基于权利要求1所述仪用数字补偿式电压采样电路的电压采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)DSP芯片根据其第一输入端的采样电压，计算直流信号的幅值Vdc：

上式中，K1为直流信号比例放大电路的直流采样比例，Vtop_s和Vbottom_s分别为DSP芯片第一输入端采样电压的最大值和最小值；

(2)DSP芯片根据其第一输入端的采样电压，计算补偿占空比D：

上式中，K2为交流信号比例放大电路的交流采样比例；

(3)DSP芯片的输出端输出补偿占空比D，补偿占空比D经数字补偿电路与直流信号在交流信号比例放大电路处形成补偿并放大；

(4)DSP芯片根据其第二输入端的采样电压，计算交流方波信号的幅值Vac：

上式中，Vac_s为DSP芯片第二输入端的采样电压。

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