CN112462123A - 一种宽输入交直流电压隔离采集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽输入交直流电压隔离采集电路，包括信号缩放模块、信号调理模块以及信号隔离模块，输入信号经所述信号缩放模块缩放处理后传输至所述信号调理模块，所述信号调理模块对所述输入信号进行两级增益调节后经所述隔离模块输至后级系统。本发明的目的在于提供一种宽输入交直流电压隔离采集电路，采用两级增益同步切换实现宽输入检测，在放大信号的同时不降低信号带宽，满足采集精度要求，保证采集回路输入阻抗恒定。
Description
技术领域
本发明涉及电压采集技术领域，具体涉及一种宽输入交直流电压隔离采集电路。
背景技术
在电子电路中，对于大电压和大电流等的采集，通常需要做到采集电路和被采集电路之间电气隔离，现阶段多数方案是切换多级采样电阻实现，如图1所示，使用继电器或者开关切换不同的采样电阻实现对宽输入信号的采集，通过切换电阻实现对宽输入信号的采集会导致阻抗变化，影响前级系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽输入交直流电压隔离采集电路，采用两级增益同步切换实现宽输入检测，在放大信号的同时不降低信号带宽，满足采集精度要求，保证采集回路输入阻抗恒定。
本发明通过下述技术方案实现：
一种宽输入交直流电压隔离采集电路，包括信号缩放模块、信号调理模块以及信号隔离模块，输入信号经所述信号缩放模块缩放处理后传输至所述信号调理模块，所述信号调理模块对所述输入信号进行两级增益调节后经所述隔离模块输至后级系统
优选地，所述信号调理模块包括增益调节单元、第一增益单元和第二增益单元，所述增益调节单元用于调节所述第一增益单元和所述第二增益单元的增益；
其中，所述增益调节单元包括第一模拟开关芯片CD4052、第一增益调节支路以及第二增益调节支路，所述第一增益调节支路连接于所述第一模拟开关芯片CD4052和所述第一增益单元，所述第二增益调节单元连接于所述第一模拟开关芯片CD4052和所述第二增益单元。
优选地，所述第一增益调节支路包括多挡第一增益调节子支路，当所述增益调节单元对所述第一增益单元进行增益调节时，所述第一模拟开关芯片CD4052选择至少一档所述第一增益调节子支路与所述第一增益单元导通。
优选地，所述第二增益调节支路包括多挡第二增益调节子支路，当所述增益调节单元对所述第二增益单元进行增益调节时，所述第一模拟开关芯片CD4052选择至少一档所述第二增益调节子支路与所述第二增益单元导通。
优选地，所述第一增益单元包括仪表放大器AD8226和电阻R54；
所述仪表放大器AD8226的RG+管脚与所述第一模拟开关芯片CD4052的Y管脚连接，所述仪表放大器AD8226的RG-管脚与所述第一增益调节支路连接；
所述电阻R54的一端与所述仪表放大器AD8226的VO管脚连接，所述电阻R54的另一端与所述仪表放大器AD8226的REF管脚连接，且所述REF管脚接地，所述VO管脚与所述第二增益单元连接；
所述仪表放大器AD8226的IN+管脚和IN-管脚连接于所述信号缩放模块的输出端。
优选地，所述第二增益单元包括放大器N21A、电阻R52和电阻R57，
所述电阻R52的一端与所述放大器N21A的同相输入端连接，所述电阻R52的另一端与所述仪表放大器AD8226的VO管脚连接；
所述电阻R57的一端与所述放大器N21A的反相输入端连接，所述电阻57的另一端接地；
所述放大器N21A的反相输入端与所述第一模拟开关芯片CD4052的X管脚连接，所述放大器N21A的输出端与所述第二增益调节支路连接。
优选地，还包括用于实现采集电路自我诊断的选通模块；
所述选通模块包括第一选通支路和第二选通支路，所述第一选通支路用于采集标准信号，所述第二选通支路用于采集所述输入信号，当所述选通模块采集的所述标准电压信号大于所述输入信号时，所述采集电路故障。
优选地，所述选通模块包括第二模拟开关芯片CD4052、电容C84、电容C1和标准信号模块；
所述标准信号模块包括电压源、基准芯片N17以及基准芯片N2，所述电压源、所述基准芯片N2和所述基准芯片N17顺次连接；且所述基准芯片N2的基准输出脚与所述第二模拟开关芯片CD4052的Y0管脚连接，所述基准芯片N17的基准输出脚与所述第二模拟开关芯片CD4052的X0管脚连接；
所述电容C84和所述电容C1串接于所述第二模拟开关芯片CD4052的X0管脚和Y0管脚之间，且所述电容C8所述电容C1、所述基准芯片N17以及所述基准芯片N2均接地。
所述第二模拟开关芯片CD4052的X2管脚和Y2管脚连接于所述信号缩放模块的输出端；
所述第二模拟开关芯片CD4052的X管脚和Y管脚连接于所述信号调理模块的输入端；
当所述第二模拟开关芯片CD4052上的X0管脚和Y0管脚选通输入时，所述选通模块用于采集所述标准信号；
当所述第二模拟开关芯片CD4052上的X2管脚和Y2管脚选通输入，所述选通模块用于采集所述输入信号。
优选地，所述第二模拟开关芯片CD4052的Y3管脚和X3管脚接地，当所述第二模拟开关芯片CD4052上的X3管脚和Y3管脚选通输入时，所述选通模块用于检查所述采集电路的信号通道是否存在零点漂移。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、采用两级增益同步切换实现宽输入检测，在放大信号的同时不降低信号带宽，满足采集精度要求，保证采集回路输入阻抗恒定；
2、采用光电隔离采集实现前级系统和后端采集相对独立，不互相影响；
3、设置有选通模块，实现采集电路自我诊断和检查。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为通过切换多级采样电阻进行宽输入信号采集的电路结构示意图；
图2为本发明信号缩放模块的电路结构示意图；
图3为本发明信号调理模块的部分电路结构示意图；
图4为本发明信号调理模块的部分电路结构示意图；
图5为本发明电源模块的电路结构示意图；
图6为本发明选通模块的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种宽输入交直流电压隔离采集电路，如图2-5所示，包括信号缩放模块、信号调理模块、信号隔离模块以及电源模块，电源模块用于给信号缩放模块、信号调理模块以及信号隔离模块供电。输入信号经信号缩放模块缩放处理后传输至信号调理模块，信号调理模块对输入信号进行两级增益调节后经隔离模块输至后级系统。其中，本实施例中所说的后级系统包括单片机和模数转换器，用于实现对输入信号的采集。
在本实施例中，信号缩放模块设置为电阻网络，如图2所示。信号调理模块包括增益调节单元、第一增益单元和第二增益单元，通过控制增益调节单元来调节第一增益单元和第二增益单元的增益。
具体地，如图3和图4所示，增益调节单元包括第一模拟开关芯片CD4052、电阻R58、电阻60、电阻61、电阻62、电阻63、电阻64、电阻65以及电阻66；第一增益单元包括仪表放大器AD8226和电阻R54；第二增益单元包括放大器N21A、电阻R52和电阻R57。
其中，电阻R58、电阻60、电阻61和电阻62构成第一增益单元，且四个电阻分别构成第一增益单元的4个增益调节子支路，4个增益调节子支路的一端分别连接于第一模拟开关芯片CD4052上的Y0管脚、Y1管脚、Y2管脚以及Y3管脚，4个增益调节子支路的另一端均与仪表放大器AD8226的RG-管脚连接，且第一模拟开关芯片CD4052的Y管脚与仪表放大器AD8226的RG+管脚连接。当需要调节第一增益单元的增益时，第一模拟开关芯片CD4052选择其中的至少一路增益调节子支路与第一增益单元导通即可。
电阻63、电阻64、电阻65和电阻66构成第二增益单元，且四个电阻分别构成第二增益单元的4个增益调节子支路，4个增益调节子支路的一端分别连接于第一模拟开关芯片CD4052上的X0管脚、X1管脚、X2管脚以及X3管脚，4个增益调节子支路的另一端均与放大器N21A的输出端连接，且第一模拟开关芯片CD4052的X管脚与放大器N21A的反相输入端连接。当需要调节第二增益单元的增益时，第一模拟开关芯片CD4052选择其中的至少一路增益调节子支路与第二增益单元导通即可。
仪表放大器AD8226的IN+管脚和IN-管脚连接于信号缩放模块的输出端；电阻R54的一端与仪表放大器AD8226的VO管脚连接，电阻R54的另一端与仪表放大器AD8226的REF管脚连接，且REF管脚接地，VO管脚与电阻R52的一端连接，电阻R52的另一端与放大器N21A的同相输入端连接，放大器N21A的反相输入端与电阻R57的一端连接，电阻R57的另一端接地；且放大器N21A的输出端与信号隔离模块连接。
宽输入的交直流电压信号，具有幅值范围大(0-1000V)，频率带宽宽(0-3Khz)的特点，因此，在对其进行采集时，需要对输入信号的输入范围进行检测，传统的采集电路对宽输入信号进行采集时，包括以下两种采集方法：
(1)通过切换多级采样电阻，或使用继电器或者开关切换不同的采样电阻实现对宽输入信号的采集，但是切换电阻会导致阻抗变化，从而影响前级系统；
(2)采用运算放大器进行采集，运算放大器只有一定的增益带宽积，放大倍率过大会导致信号频率带宽变窄，从而影响信号的频率特性。
而在本方案中，是采用两级增益同步切换实现宽输入检测，在放大输入信号的同时不降低输入信号的带宽，满足采集精度要求；同时由于在对输入信号的采集过程中，不会对采集电路的电阻进行切换，从而保证采集回路输入阻抗的恒定，避免因切换电阻导致采集回来的阻抗变化，从而影响前级系统的问题。
实施例2
为了对采集电路是否故障进行判断，本实施例在实施例1的基础上还设置有选通模块，通过选通回路实现输入信号和标准信号的切换，从而判断采集电路是否故障。
一般采集电路都是串行模式，不能有效地检测自身电路是否已经失效，本专利通过切换标准信号和检测信号，实现采集电路的自我诊断和检查。例如，标准信号和输入信号均设置为5V，当选通回路采集5V的标准信号时，后级系统产生的响应信号记为A；当选通回路采集5V的输入信号时，后级系统产生的响应信号记为B；采集电路正常情况下，B与A应相同，或者在允许的误差范围内；如果B与A相差太多，则说明采集电路出现故障。
具体地，如图6所示，在本实施例中，选通模块包括第二模拟开关芯片CD4052、电容C84、电容C1和标准信号模块；
其中，标准信号模块包括电压源、基准芯片N17以及基准芯片N2，电压源、基准芯片N2和基准芯片N17顺次连接；且基准芯片N2的基准输出脚与第二模拟开关芯片CD4052的Y0管脚连接，基准芯片N17的基准输出脚与第二模拟开关芯片CD4052的X0管脚连接；
电容C84和电容C1串接于第二模拟开关芯片CD4052的X0管脚和Y0管脚之间，且电容C8、电容C1、基准芯片N17以及基准芯片N2均接地。
第二模拟开关芯片CD4052的X2管脚和Y2管脚连接于信号缩放模块的输出端；
第二模拟开关芯片CD4052的X管脚与仪表放大器AD8226的IN+管脚连接，第二模拟开关芯片CD4052的Y管脚与仪表放大器AD8226的IN-管脚连接；
当第二模拟开关芯片CD4052上的X0管脚和Y0管脚选通输入时，选通模块用于采集标准信号；
当第二模拟开关芯片CD4052上的X2管脚和Y2管脚选通输入，选通模块用于采集输入信号。
进一步地，在本方案中，第二模拟开关芯片CD4052的Y3管脚和X3管脚接地，当第二模拟开关芯片CD4052上的X3管脚和Y3管脚选通输入时，此时将输入0V电压信号，选通模块可用于检查采集电路的信号通道是否存在零点漂移。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种宽输入交直流电压隔离采集电路，其特征在于，包括信号缩放模块、信号调理模块以及信号隔离模块，输入信号经所述信号缩放模块缩放处理后传输至所述信号调理模块，所述信号调理模块对所述输入信号进行两级增益调节后经所述隔离模块输至后级系统。
2.根据权利要求1所述的一种宽输入交直流电压隔离采集电路，其特征在于，所述信号调理模块包括增益调节单元、第一增益单元和第二增益单元，所述增益调节单元用于调节所述第一增益单元和所述第二增益单元的增益；
其中，所述增益调节单元包括第一模拟开关芯片CD4052、第一增益调节支路以及第二增益调节支路，所述第一增益调节支路连接于所述第一模拟开关芯片CD4052和所述第一增益单元，所述第二增益调节单元连接于所述第一模拟开关芯片CD4052和所述第二增益单元。
3.根据权利要求2所述的一种宽输入交直流电压隔离采集电路，其特征在于，所述第一增益调节支路包括多挡第一增益调节子支路，当所述增益调节单元对所述第一增益单元进行增益调节时，所述第一模拟开关芯片CD4052选择至少一档所述第一增益调节子支路与所述第一增益单元导通。
4.根据权利要求2所述的一种宽输入交直流电压隔离采集电路，其特征在于，所述第二增益调节支路包括多挡第二增益调节子支路，当所述增益调节单元对所述第二增益单元进行增益调节时，所述第一模拟开关芯片CD4052选择至少一档所述第二增益调节子支路与所述第二增益单元导通。
5.根据权利要求2所述的一种宽输入交直流电压隔离采集电路，其特征在于，所述第一增益单元包括仪表放大器AD8226和电阻R54；
所述仪表放大器AD8226的RG+管脚与所述第一模拟开关芯片CD4052的Y管脚连接，所述仪表放大器AD8226的RG-管脚与所述第一增益调节支路连接；
所述电阻R54的一端与所述仪表放大器AD8226的VO管脚连接，所述电阻R54的另一端与所述仪表放大器AD8226的REF管脚连接，且所述REF管脚接地，所述VO管脚与所述第二增益单元连接；
所述仪表放大器AD8226的IN+管脚和IN-管脚连接于所述信号缩放模块的输出端。
6.根据权利要求5所述的一种宽输入交直流电压隔离采集电路，其特征在于，所述第二增益单元包括放大器N21A、电阻R52和电阻R57，
所述电阻R52的一端与所述放大器N21A的同相输入端连接，所述电阻R52的另一端与所述仪表放大器AD8226的VO管脚连接；
所述电阻R57的一端与所述放大器N21A的反相输入端连接，所述电阻57的另一端接地；
所述放大器N21A的反相输入端与所述第一模拟开关芯片CD4052的X管脚连接，所述放大器N21A的输出端与所述第二增益调节支路连接。
7.根据权利要求1所述的一种宽输入交直流电压隔离采集电路，其特征在于，还包括用于实现采集电路自我诊断的选通模块；
所述选通模块包括第一选通支路和第二选通支路，所述第一选通支路用于采集标准信号，所述第二选通支路用于采集所述输入信号，当所述选通模块采集的所述标准电压信号大于所述输入信号时，所述采集电路故障。
8.根据权利要求7所述的一种宽输入交直流电压隔离采集电路，其特征在于，所述选通模块包括第二模拟开关芯片CD4052、电容C84、电容C1和标准信号模块；
所述标准信号模块包括电压源、基准芯片N17以及基准芯片N2，所述电压源、所述基准芯片N2和所述基准芯片N17顺次连接；且所述基准芯片N2的基准输出脚与所述第二模拟开关芯片CD4052的Y0管脚连接，所述基准芯片N17的基准输出脚与所述第二模拟开关芯片CD4052的X0管脚连接；
所述电容C84和所述电容C1串接于所述第二模拟开关芯片CD4052的X0管脚和Y0管脚之间，且所述电容C8、所述电容C1、所述基准芯片N17以及所述基准芯片N2均接地；
所述第二模拟开关芯片CD4052的X2管脚和Y2管脚连接于所述信号缩放模块的输出端；
所述第二模拟开关芯片CD4052的X管脚和Y管脚连接于所述信号调理模块的输入端；
当所述第二模拟开关芯片CD4052上的X0管脚和Y0管脚选通输入时，所述选通模块用于采集所述标准信号；
当所述第二模拟开关芯片CD4052上的X2管脚和Y2管脚选通输入，所述选通模块用于采集所述输入信号。
9.根据权利要求8所述的一种宽输入交直流电压隔离采集电路，其特征在于，所述第二模拟开关芯片CD4052的Y3管脚和X3管脚接地，当所述第二模拟开关芯片CD4052上的X3管脚和Y3管脚选通输入时，所述选通模块用于检查所述采集电路的信号通道是否存在零点漂移。
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