CN112730970B - 一种隔离式高精度宽范围电压测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离式高精度宽范围电压测量系统，包括主电路单元和控制电路单元，主电路单元包括电阻切换电路、数据隔离采样电路以及模数转换电路，电阻切换电路用以通过分压方式进行待测电压的测量，数据隔离采样电路用以实现主电路单元与控制电路单元实现电气隔离，电阻切换电路的输出端数据隔离采样电路的输入端，数据隔离采样电路的输出端接模数转换电路的输入端，控制电路单元包括连接在数字信号处理器上的隔离控制电路，本发明通过实时改变采样电路的电压变比，来获得更高的测量精度。

Description

一种隔离式高精度宽范围电压测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种电压测量系统，特别涉及一种电压测量系统及测量方法。

背景技术

电压采样电路在开关电源控制中至关重要。在进行恒压恒流以及恒功率控制中，都需要进行电气量的采集。一般而言，都会把被测量转化为一定范围内的电压信号进行传输与测量。在三相开关电源中，母线电压通常在500V以上，而数字控制器的AD转换单元通常只能承受0～3.3V的直流电压。因此，为实现既定控制目标，需要构建一个大变比的分压电路，但是这又会使控制精度下降，控制效果不理想。

目前，解决这种大范围精确采样测量的方法主要是使用更高精度的ADC转换模块。例如使用10位精度的ADC采样模块，当输入电压上限为3.3V时精度可以达到0.0032V(3.2mV)，若对应被测信号最高为537V，则最小可分辨电压为0.5V。当然这是基于理想情况的分析，在实际中，我们的测量电路会加入余量，比如变比扩大。同时因为开关而引起的电压脉动也会让测量电路的余量进一步扩大。此时，为保证控制效果不变，就会选用精度更高的AD转换模块。

发明内容

本发明的目的是提供一种隔离式高精度宽范围电压测量系统及测量方法，使得在不提高AD转换精度的前提下，通过实时改变采样电路的电压变比，来获得更高的测量精度。

本发明的目的是这样实现的：一种隔离式高精度宽范围电压测量系统，包括主电路单元和控制电路单元，所述主电路单元包括电阻切换电路、数据隔离采样电路以及模数转换电路，所述电阻切换电路用以通过分压方式进行待测电压的测量，所述数据隔离采样电路用以实现主电路单元与控制电路单元实现电气隔离、并对主电路的高频干扰与噪声信号进行抑制，所述电阻切换电路的输出端数据隔离采样电路的输入端，所述数据隔离采样电路的输出端接模数转换电路的输入端；

所述电阻切换电路包括串联的预置分压电阻Ra、Rb、分压变比调节电阻R1～Rn以及MOSFET调节开关Q1～Qn，所述分压变比调节电阻R1-Rn与MOSFET调节开关Q1～Qn对应串联后并联在预置分压电阻Rb的两端，所述预置分压电阻Ra、Rb串联后两端作为电压采样端，所述电阻Rb的两端作为采样电压输出端；所述数据隔离采样电路包括线性光耦和运放放大器，线性光耦由一个发光二极管D1和两个光电二极管D2、D3构成，与运算放大器相配合可以组成一负反馈电路；

所述控制电路单元包括连接在数字信号处理器上的隔离控制电路，所述隔离控制电路用以控制MOSFET调节开关工作，包括连接在所述数字信号处理器输出端的n组MOSFET隔离驱动电路；隔离驱动电路包括光电耦合器和晶体管放大电路。

作为本发明的进一步限定，所述数据隔离采样电路具体包括放大器A1、放大器A2、放大器A3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2、发光二极管D1、光电二极管D2、光电二极管D3，放大器A1的输入正极接电阻R5后作为数据隔离采样电路的输入正极，放大器A1的输入负极与其输出端之间经电阻R6相连，放大器A1的输出端经电阻R7接光电二极管D2的负极、放大器A2的输入负极，光电二极管的正极接地、且作为数据隔离采样电路的输入负极，放大器A2的输入正极接地，放大器A2的输入负极与其输出端之间经电容C1相连，放大器A2的输出端经电阻R8接发光二极管D1的负极，发光二极管D1的正极接地；光电二极管D3的正极接地、且作为数据隔离采样电路的输出负极，光电二极管D3的负极接电阻R9后作为数据隔离采样电路的输出正极，放大器A3的输入负极接光电二极管D3的负极，放大器A3的输入正极接地，放大器A3的输入负极与其输出端之间经电容C2相连，放大器A3的输出端接数据隔离采样电路的输出正极。

作为本发明的进一步限定，n组所述隔离控制电路结构相同，包括三极管T1、三极管T2、发光二极管D4、光电二极管D5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，三极管T1的极接经电阻R10接数字信号处理器，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极接发光二极管D4的负极，发光二极管D4的正极经电阻R11接电源，三极管T2的基极接光电二极管D5的负极，光电二极管D5的正极接电源，且三极管T2的正极与三极管T2的集电极经电阻R12相连，三极管T2的集电极还经电阻R13接MOSFET调节开关，三极管T2的发射极接地。

一种隔离式高精度宽范围电压测量方法，采用上述电压测量电路，包括以下三个阶段：

步骤a)量程辨识阶段：当电压测量电路开始工作时，控制MOSFET调节开关Q1～Qn的开关状态，使得当前的分压系数最大，可接受的输入电压最大，随后数字信号处理器采样本电压测量电路的输出电压，得到一个量程辨识数字量；

步骤b)量程切换阶段：在设计本电压测量电路时，根据采样的变比范围对各电阻的阻值进行设置，随后编制映射表格，在映射表格中具体列出各个分压变比对应的输入范围，以及相应变比下的MOSFET调节开关信号矩阵，根据第一阶段得到的辨识数字量，确定合适的分压变比，操作MOSFET调节开关完成变比切换；

步骤c)精确测量阶段：在量程切换之后，再次通过数字控制器进行ADC采样，得到被测量的精确采样值，随后通过选定的分压变比，将精确采样值还原为真实值，完成信号的精确采样与控制。

作为本发明的进一步限定，步骤b)中当前分段的选择与首次ADC试采样(变比为K₁)的值满足下表的关系：

其中，m为控制器ADC的位数，K_i为各段的变比，p为分段采样段数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

经济性，无需选用过高精度的AD采样模块，使用较低精度的采样模块配合本发明中的可变分压比采样调理电路就可以获得较高控制精度；

高精度，通过变比调节，实现不同范围内被测电压量都均匀分布到AD采样模块的可接受范围内，AD模块的采样范围被充分利用，提高测量精准度；

可靠性，归根结底，本电路拓扑依然基于传统的分压电路，当电阻的阻值与功率均仔细选择后，拥有极高的可靠性。

附图说明

图1为本发明中电阻切换电路原理图。

图2为本发明中数据隔离采样电路原理图。

图3为本发明中隔离控制电路原理图。

图4为本发明使用状态示意图。

图5为本发明测量流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，该实施例以采用四组分压单元为例。

如图1-4所示的一种隔离式高精度宽范围电压测量系统，包括主电路单元和控制电路单元，主电路单元包括电阻切换电路、数据隔离采样电路以及模数转换电路，电阻切换电路用以通过分压方式进行待测电压的测量，数据隔离采样电路用以实现主电路单元与控制电路单元实现电气隔离、并对主电路的高频干扰与噪声信号进行抑制，电阻切换电路的输出端数据隔离采样电路的输入端，数据隔离采样电路的输出端接模数转换电路的输入端；

电阻切换电路包括串联的预置分压电阻Ra、Rb、分压变比调节电阻R1～Rn以及MOSFET调节开关Q1～Qn，分压变比调节电阻R1-Rn与MOSFET调节开关Q1～Qn对应串联后并联在预置分压电阻Rb的两端，预置分压电阻Ra、Rb串联后两端作为电压采样端，电阻Rb的两端作为采样电压输出端；数据隔离采样电路包括线性光耦和运放放大器，线性光耦由一个发光二极管D1和两个光电二极管D2、D3构成，与运算放大器相配合可以组成一负反馈电路；

数据隔离采样电路具体包括放大器A1、放大器A2、放大器A3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2、发光二极管D1、光电二极管D2、光电二极管D3，放大器A1的输入正极接电阻R5后作为数据隔离采样电路的输入正极，放大器A1的输入负极与其输出端之间经电阻R6相连，放大器A1的输出端经电阻R7接光电二极管D2的负极、放大器A2的输入负极，光电二极管的正极接地、且作为数据隔离采样电路的输入负极，放大器A2的输入正极接地，放大器A2的输入负极与其输出端之间经电容C1相连，放大器A2的输出端经电阻R8接发光二极管D1的负极，发光二极管D1的正极接地；光电二极管D3的正极接地、且作为数据隔离采样电路的输出负极，光电二极管D3的负极接电阻R9后作为数据隔离采样电路的输出正极，放大器A3的输入负极接光电二极管D3的负极，放大器A3的输入正极接地，放大器A3的输入负极与其输出端之间经电容C2相连，放大器A3的输出端接数据隔离采样电路的输出正极；

控制电路单元包括连接在数字信号处理器上的隔离控制电路，隔离控制电路用以控制MOSFET调节开关工作，包括连接在数字信号处理器输出端的4组MOSFET隔离驱动电路；隔离驱动电路包括光电耦合器和晶体管放大电路，4组隔离控制电路结构相同，包括三极管T1、三极管T2、发光二极管D4、光电二极管D5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，三极管T1的极接经电阻R10接数字信号处理器，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极接发光二极管D4的负极，发光二极管D4的正极经电阻R11接电源，三极管T2的基极接光电二极管D5的负极，光电二极管D5的正极接电源，且三极管T2的正极与三极管T2的集电极经电阻R12相连，三极管T2的集电极还经电阻R13接MOSFET调节开关，三极管T2的发射极接地。

如图5所示的一种隔离式高精度宽范围电压测量方法，采用如权利要求1-3中任一项所述电压测量电路，包括以下三个阶段：

步骤a)量程辨识阶段：当电压测量电路开始工作时，控制MOSFET调节开关Q1～Qn的开关状态，使得当前的分压系数最大，可接受的输入电压最大，随后数字信号处理器采样本电压测量电路的输出电压，得到一个量程辨识数字量；

步骤b)量程切换阶段：在设计本电压测量电路时，根据采样的变比范围对各电阻的阻值进行设置，随后编制映射表格，在映射表格中具体列出各个分压变比对应的输入范围，以及相应变比下的MOSFET调节开关信号矩阵，根据第一阶段得到的辨识数字量，确定合适的分压变比，操作MOSFET调节开关完成变比切换，当前分段的选择与首次ADC试采样(变比为K₁)的值满足下表的关系：

其中，m为控制器ADC的位数，K_i为各段的变比，p为分段采样段数；

步骤c)精确测量阶段：在量程切换之后，再次通过数字控制器进行ADC采样，得到被测量的精确采样值，随后通过选定的分压变比，将精确采样值还原为真实值，完成信号的精确采样与控制。

下面结合本发明原理对本发明做进一步说明。

本发明采用一种电阻切换电路的设计思路，假设系统需要测量的最高电压为U_m，余量为ΔV，则采样输入U_imax＝U_m+ΔV。假设共分P段进行分段采样，则每段的电压上限为对应每组的采样值量程都为U_senser，则各段的变比可以表示为可见，第一段的变比K₁最大，最后一段的变比K_p最小。据此，可以设计R_a与R_b的取值，在设计时应保证/>同时根据功耗情况计算具体的取值。在设计其他的变比时，可以综合考量，使用多电阻并联结构进行配置。由电阻分压变比计算公式可知/>结合本电路拓扑，可知R_上＝R_a；/>因此，/>一般情况下，先使用j＝1进行配置，因为通过K_pre已完成R_a与R_b的取值，再进行设计时R₁(泛指第1个电阻)就可以完成匹配。随后，若需要多电阻组合配置变比，可使m＝2～4的任意值进行配置。

同时本发明还编制了一种新型电阻切换网络的控制方法。在本方案中，电阻切换网络拥有四个电阻。通过对电阻值的合理配置，可以实现最多16种变比之间切换。使用矩阵可表示为：其中，Q为MOSFET驱动信号；S为1*16列向量，共有16个：S₁＝[1 0 0 … 0]^T；S₂＝[0 1 0 … 0]^T…S₁₆＝[0 0 0 … 1]^T。S₁～S₁₆的选取与每个变比选择的电阻值分配有关，综合实时的变比需求与电阻网络配置进行选取。假设控制器ADC的位数是n，分段采样段数为P，则当前分段的选择与首次ADC试采样(变比为K₁)的值满足下表的关系：

至此，电阻切换网络将顺畅工作。不过，在测量脉动较小的大电压直流信号时，还有改进空间：我们可以把变比在参考值改变的时候就进行确定，同时对每一段的电压范围只设置上限而没有下限。这样在每次测量时不需要频繁切换，提高稳定性。在这种模式下可以减少开关次数，提升采样电路的稳定性。此时变比切换满足下表关系：

因此，真实值就可以从精确采样值以及对应的修正变比进行计算，完成采样值的还原。另外在运算中，如果变比在设定处就确定，则可以在控制中完全使用精确采样的数字量，只有在需要输出时进行转换。

最后通过试验数据对本发明做进一步说明。在测量400V母线电压时，使用10位ADC进行采样，ADC最高输入电压为3.3V，共分十段进行测量。

在具体运行时，首先调整变比，使测量范围最大，即量程为0～400V，此时可以得到一个转换而来的数字量。通过与下表中的数据进行对比：

随后可以进行第二阶段的量程切换，让电阻切换网络的变比改成对应量程下的值。当变比切换到位后，就可以进行精确测量了。

当然，如果运行中测量数据给定值已经确定，并且在系统运行中被测量保持相对稳定(仅在小范围内波动)，那么我们可以基于给定值直接确定变比，就不需要每次测量时候都进行试采样了。同时，为简化控制逻辑，每一个采样范围均只设置上限而没有下限(或者说下限都是0)。基于上面的例子，可以给出在本情况下的变比选择表如下：

由此实现电压信号在0～400V上的精确采样。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种隔离式高精度宽范围电压测量系统，其特征在于，包括主电路单元和控制电路单元，所述主电路单元包括电阻切换电路、数据隔离采样电路以及模数转换电路，所述电阻切换电路用以通过分压方式进行待测电压的测量，所述数据隔离采样电路用以实现主电路单元与控制电路单元实现电气隔离、并对主电路的高频干扰与噪声信号进行抑制，所述电阻切换电路的输出端数据隔离采样电路的输入端，所述数据隔离采样电路的输出端接模数转换电路的输入端；

所述电阻切换电路包括串联的预置分压电阻Ra、Rb、分压变比调节电阻R1~Rn以及MOSFET调节开关Q1~Qn，所述分压变比调节电阻R1-Rn与MOSFET调节开关Q1~Qn对应串联后并联在预置分压电阻Rb的两端，所述预置分压电阻Ra、Rb串联后两端作为电压采样端，所述电阻Rb的两端作为采样电压输出端；所述数据隔离采样电路包括线性光耦和运放放大器，线性光耦由一个发光二极管D1和两个光电二极管D2、D3构成，与运算放大器相配合可以组成一负反馈电路；

所述控制电路单元包括连接在数字信号处理器上的隔离控制电路，所述隔离控制电路用以控制MOSFET调节开关工作，包括连接在所述数字信号处理器输出端的n组MOSFET隔离驱动电路；隔离驱动电路包括光电耦合器和晶体管放大电路。

2.根据权利要求1所述的一种隔离式高精度宽范围电压测量系统，其特征在于，所述数据隔离采样电路具体包括放大器A1、放大器A2、放大器A3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2、发光二极管D1、光电二极管D2、光电二极管D3，放大器A1的输入正极接电阻R5后作为数据隔离采样电路的输入正极，放大器A1的输入负极与其输出端之间经电阻R6相连，放大器A1的输出端经电阻R7接光电二极管D2的负极、放大器A2的输入负极，光电二极管的正极接地、且作为数据隔离采样电路的输入负极，放大器A2的输入正极接地，放大器A2的输入负极与其输出端之间经电容C1相连，放大器A2的输出端经电阻R8接发光二极管D1的负极，发光二极管D1的正极接地；光电二极管D3的正极接地、且作为数据隔离采样电路的输出负极，光电二极管D3的负极接电阻R9后作为数据隔离采样电路的输出正极，放大器A3的输入负极接光电二极管D3的负极，放大器A3的输入正极接地，放大器A3的输入负极与其输出端之间经电容C2相连，放大器A3的输出端接数据隔离采样电路的输出正极。

3.根据权利要求1或2所述的一种隔离式高精度宽范围电压测量系统，其特征在于，n组所述隔离控制电路结构相同，包括三极管T1、三极管T2、发光二极管D4、光电二极管D5、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，三极管T1的极接经电阻R10接数字信号处理器，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极接发光二极管D4的负极，发光二极管D4的正极经电阻R11接电源，三极管T2的基极接光电二极管D5的负极，光电二极管D5的正极接电源，且三极管T2的正极与三极管T2的集电极经电阻R12相连，三极管T2的集电极还经电阻R13接MOSFET调节开关，三极管T2的发射极接地。

4.一种隔离式高精度宽范围电压测量方法，采用如权利要求1-3中任一项所述电压测量系统，其特征在于，包括以下三个阶段：

步骤a）量程辨识阶段：当电压测量电路开始工作时，控制MOSFET调节开关Q1~Qn的开关状态，使得当前的分压系数最大，可接受的输入电压最大，随后数字信号处理器采样本电压测量电路的输出电压，得到一个量程辨识数字量；

步骤b) 量程切换阶段：在设计本电压测量电路时，根据采样的变比范围对各电阻的阻值进行设置，随后编制映射表格，在映射表格中具体列出各个分压变比对应的输入范围，以及相应变比下的MOSFET调节开关信号矩阵，根据第一阶段得到的辨识数字量，确定合适的分压变比，操作MOSFET调节开关完成变比切换；

步骤c) 精确测量阶段：在量程切换之后，再次通过数字控制器进行ADC采样，得到被测量的精确采样值，随后通过选定的分压变比，将精确采样值还原为真实值，完成信号的精确采样与控制。

5.根据权利要求4所述的一种隔离式高精度宽范围电压测量方法，其特征在于，步骤b）中当前分段的选择与首次ADC试采样的值满足下表的关系：

其中，m为控制器ADC的位数，K _i 为各段的变比，p为分段采样段数。