CN114646798A - 一种应用于中压载波的电流采样电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明应用于信号处理领域，提供了一种应用于中压载波的电流采样电路及方法，通过采样电阻采集、运算放大器增益、低通滤波滤波、模拟开关切换、ADC驱动、ADC采集、FPGA控制、信号发送电路、信号接收电路实现适配0‑2MHz频率范围，使采样电压更准确。适配ADC输入电压范围采样，采样电阻两端的电势差为电流等效电压；通过运放对采样信号增益及衰减，进行信号滤波，经过模拟开关切换，实现不同通道同时接入ADC，由FPGA控制通道切换，通过ADC驱动实现不同输入方式ADC的差分信号与单端信号转换；同时进行信号增益衰减的二次处理，输入ADC后模拟信号与数字信号的转化，实现FPGA对电流采样信号的采集。

Description

一种应用于中压载波的电流采样电路及方法
技术领域
本方案涉及信号处理领域，具体涉及一种应用于中压载波的电流采样电路及方法。
背景技术
经过大量使用案例调研，电流采样电路被频繁的使用在需要阈值判断来实现硬件切换的电路中，大多数电流采样基于单片机控制，通过采样电阻两端的电压差进行电流与电压的转换，通过将差分信号进行处理，进入单片机中，通过软件程序实现不同的阈值区分。
当前电流采样处理的相关领域内还没有具体对0-2MHz频率范围内的信号处理的电路，且单片机的功能简单，单片机内大部分没有内置的采样ADC（Analog-to-digitalconverter，模拟数字转换器），即使有也会存在精度与采样率小的情况出现，导致采样精度不高，采样准确率低的情况发生。
发明内容
为解决以上问题，本发明主要提供一种应用于中压载波的电流采样电路及方法，通过运放、模拟开关、滤波的配合，解决0-2MHz以外噪声的滤除，并可以根据不同的ADC输入要求，调节信号电压峰峰值，最终实现了适配0-2MHz频率范围，使采样电压更准确，适配ADC的输入电压范围。
为实现上述目的，本发明提出了一种应用于中压载波的电流采样电路，包含采样电阻、运算放大器、低通滤波器、模拟开关、ADC驱动模块、ADC采样模块、FPGA（FieldProgrammable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）模块、信号发生模块和信号接收电路，采样流程为由采样电阻采集电压信息，后经过运算放大器、低通滤波器、模拟开关、ADC驱动模块进行信号处理，再由ADC采样模块进行ADC接收，最后由FPGA对接收信号进行处理；
所述采样电阻为适用功率封装电阻，电阻的输入输出端电势差为电流采样值，将电流信号转换为电压信号输入信号链，发送给运算放大器进行信号处理；
所述运算放大器，用于反向增益，通过更改反馈电阻调整采集信号的幅值大小，适用于0-2MHz频率范围，通过更换不同增益带宽积的运放控制增益及衰减的上下限，满足采样电路的信号链要求；
所述低通滤波器为无源低通滤波器，选取不同的截止频率，用于优化通带外噪声；
所述模拟开关为程控开关，通过FPGA输入控制信号选取不同通道，用于区分不同信号的通断，防止采样信号与接收信号出现干涉；
所述ADC驱动模块为ADC前级，由于运放的输出电流有限，需要ADC驱动电路为ADC提供合适的电流和电压，防止前级运放因为输出电流超过额定输出电流造成损坏或由于输出电流大造成输出电压畸变的问题；
所述ADC采样模块为模拟转数字芯片，将ADC所采集的模拟信号转换为数字信号提供给FPGA模块。
进一步地，所述采样信号包括单端信号输入、差分信号输入，ADC驱动模块根据不同的ADC输入信号形式要求，通过ADC驱动实现单端信号与差分信号的转换，完成采样。
进一步地，所述模拟开关为四选一模拟开关，通过CMOS（Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）进行不同通路控制，实现多种通路同时使用ADC驱动时，使用模拟开关进行某一通路的单独连接。
进一步地，所述ADC驱动模块为运放型式，由于不同信号的ADC对于所接收的信号有电压峰值大小的要求，根据信号的增益及衰减需求，调整ADC驱动模块的输入及反馈电阻，实现增益或衰减信号，满足ADC的输入电压要求。
本发明还提出了一种应用于中压载波的电流采样方法，具体包含以下内容：
采集差分电压信号，并由运算放大器进行增益及衰减；
低通滤波，以使0-2MHz以内的信号0增益输出，对低通通带外信号进行衰减，对放大后的信号进行处理；
控制模拟开关通道进行切换；
ADC驱动信号调节；
ADC模块模拟信号与数字信号转换；
FPGA采取最终处理。
进一步的，所述采集差分电压信号包括：发送功率期间根据连接的采样电阻阻抗及电流差异，在采样电阻两端进行采样，所得电势差为采集的电压值，即差分电压信号；
进一步的，所述控制模拟开关通道进行切换包括：通过FPGA模块输出控制信号，以使模拟开关切换通道，满足多通道同时使用需求，最终由ADC进行接收，使得采样信号与接收信号互不干扰。
本发明有益效果：因为电流采样信号在采样信号链的传输过程中，由于在大部分使用中，均采用电流采样后直接进入MCU，通过MCU进行下一步处理，这就要通过电流采样的范围值选取合适两成的MCU，忽略了采样信号在未进入MCU时的处理，电流采样信号在采样后没有经过滤波、增益衰减等信号处理，使信号质量差、MCU的选择受限等问题。通过本方案处理后，实现信号滤波与增益衰减，结果使采样电路的MCU不受输入电压范围限制，采样信号噪声少。
附图说明
图1为本发明应用于中压载波的电流采样电路的系统框图。
图2为本发明应用于中压载波的电流采样方法的的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本方案做进一步说明，以具体阐述系统方案。以下实施例仅用于更清楚地说明本方案，而不能以此来限制本方案的保护范围。
本发明提出了一种应用于中压载波的电流采样电路，如图1所示，系统整体包括四个部分，分别为电流采样、信号处理、ADC接收、FPGA处理。采样流程为由采样电阻采集电压信息，后经过运算放大器、低通滤波器、模拟开关、ADC驱动模块进行信号处理，再由ADC采样模块进行ADC接收，最后由FPGA对接收信号进行处理。
本发明提出了一种应用于中压载波的电流采样电路，如图2所示，包含采样电阻、运算放大器、低通滤波器、模拟开关、ADC（模拟数字转换器）驱动模块、ADC采样模块、FPGA（现场可编程逻辑门阵列）模块、信号发生模块和信号接收电路，采样流程为由采样电阻采集电压信息，后经过运算放大器、低通滤波器、模拟开关、ADC驱动模块进行信号处理，再由ADC采样模块进行ADC接收，最后由FPGA对接收信号进行处理；
采样电阻为适用功率封装电阻，电阻的输入输出端电势差为电流采样值，将电流信号转换为电压信号输入信号链，发送给运算放大器进行信号处理；
运算放大器，用于反向增益，通过更改反馈电阻调整采集信号的幅值大小，适用于0-2MHz频率范围，通过更换不同增益带宽积的运放控制增益及衰减的上下限，满足采样电路的信号链要求；
低通滤波器为RC无源低通滤波器，选取不同的截止频率，用于优化通带外噪声；
模拟开关为程控开关，通过FPGA输入控制信号选取不同通道，用于区分不同信号的通断，防止采样信号与接收信号出现干涉；
ADC驱动模块为ADC前级，由于运放的输出电流有限，需要ADC驱动电路为ADC提供合适的电流和电压，防止前级运放因为输出电流超过额定输出电流造成损坏或由于输出电流大造成输出电压畸变的问题；
ADC采样模块为模拟转数字芯片，将ADC所采集的模拟信号转换为数字信号提供给FPGA模块。
ADC驱动模块还根据不同的ADC输入信号形式要求，有的为单端信号输入有的为差分信号输入，通过ADC驱动实现单端信号与差分信号的转换，完成采样。
所述模拟开关为四选一模拟开关，通过CMOS进行不同通路控制，实现多种通路同时使用ADC驱动时，也可以使用模拟开关进行某一通路的单独连接。
所述ADC驱动模块为运放型式，由于不同信号的ADC对于所接收的信号有电压峰值大小的要求，根据信号的增益及衰减需求，进一步优化信号链，满足ADC的输入电压要求。
本发明还提出了一种应用于中压载波的电流采样方法，具体包含以下内容：
采集差分电压信号，并由运算放大器进行增益及衰减；
低通滤波，以使0-2MHz以内的信号0增益输出，对低通通带外信号进行衰减，对放大后的信号进行处理；
控制模拟开关通道进行切换；
ADC驱动信号调节；
ADC模块模拟信号与数字信号转换；
FPGA采取最终处理。
进一步的，所述采集差分电压信号包括：
发送功率期间根据连接的采样电阻阻抗及电流差异，在采样电阻两端进行采样，所得电势差为采集的电压值，即差分电压信号；
进一步的，所述控制模拟开关通道进行切换包括：
通过FPGA模块输出控制信号，以使模拟开关切换通道，满足多通道同时使用需求，最终由ADC进行接收，使得采样信号与接收信号互不干扰。
如图2所述一种应用于中压载波的电流采样方法，具体包含以下步骤：
步骤1：所述采样电阻通过电流流过，造成电阻两端产生电势差，在采样电阻两端进行采样，所得电势差为采集的电压值，即差分电压信号；
步骤2：运算放大器反向增益，通过更改反馈电阻调整采集信号的幅值大小，适用于0-2MHz频率范围，通过更换不同增益带宽积的运放控制增益及衰减的上下限，满足采样电路的信号链要求；
步骤3：低通滤波器选取不同的截止频率，优化通带外噪声，减少噪声带来的相位叠加问题；
步骤4：控制模拟开关通道进行切换，模拟开关为四选一模拟开关，通过CMOS进行不同通路控制，实现多种通路同时使用ADC驱动时，并且能够使用模拟开关进行某一通路的单独连接；
步骤5：通过ADC驱动进行信号调节，ADC驱动模块为运放型式，由于不同信号的ADC对于所接收的信号有电压峰值大小的要求，根据信号的增益及衰减需求，调整ADC驱动模块的输入及反馈电阻，实现增益或衰减信号，满足ADC的输入电压要求；
步骤6：通过ADC采样模块实现模拟信号与数字信号的转换；
步骤7：FPGA处理单元接收数字信号进行信息处理，识别采样信号。
步骤8：ADC驱动模块根据不同的ADC输入信号形式要求，单端信号输入或差分信号输入，实现单端信号与差分信号的转换，完成采样。
以上实施例是对本方案的具体实施方式的说明，而非对本方案的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本方案的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本方案的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种应用于中压载波的电流采样电路，其特征在于：包含采样电阻、运算放大器、低通滤波器、模拟开关、ADC驱动模块、ADC采样模块、FPGA模块、信号发生模块和信号接收电路，采样流程为由采样电阻采集电压信息，后经过运算放大器、低通滤波器、模拟开关、ADC驱动模块进行信号处理，再由ADC采样模块进行ADC接收，最后由FPGA对接收信号进行处理；
所述采样电阻为适用功率封装电阻，电阻的输入输出端电势差为电流采样值，将电流信号转换为电压信号输入信号链，发送给运算放大器进行信号处理；
所述运算放大器，用于反向增益，通过更改反馈电阻调整采集信号的幅值大小，适用于0-2MHz频率范围，通过更换不同增益带宽积的运放控制增益及衰减的上下限，满足采样电路的信号链要求；
所述低通滤波器为无源低通滤波器，选取不同的截止频率，用于优化通带外噪声；
所述模拟开关为程控开关，通过FPGA输入控制信号选取不同通道，用于区分不同信号的通断；
所述ADC驱动模块为ADC前级，ADC驱动电路用于为ADC提供合适的电流和电压；
所述ADC采样模块为模拟转数字芯片，将ADC所采集的模拟信号转换为数字信号提供给FPGA模块。
2.根据权利要求1所述的一种应用于中压载波的电流采样电路，其特征在于，所述采样信号包括单端信号输入、差分信号输入，ADC驱动模块根据不同的ADC输入信号形式要求，通过ADC驱动实现单端信号与差分信号的转换，完成采样。
3.根据权利要求1所述的一种应用于中压载波的电流采样电路，其特征在于，所述模拟开关为四选一模拟开关，通过CMOS进行不同通路控制，实现多种通路同时使用ADC驱动时，使用模拟开关进行某一通路的单独连接。
4.根据权利要求1所述的一种应用于中压载波的电流采样电路，其特征在于，所述ADC驱动模块为运放型式，根据信号的增益及衰减需求，调整ADC驱动模块的输入及反馈电阻。
5.一种应用于中压载波的电流采样方法，其特征在于，包括：
采集差分电压信号，并由运算放大器进行增益及衰减；
低通滤波，以使0-2MHz以内的信号0增益输出，对低通通带外信号进行衰减，对放大后的信号进行处理；
控制模拟开关通道进行切换；
ADC驱动信号调节；
ADC模块模拟信号与数字信号转换；
FPGA采取最终处理。
6.根据权利要求5所述的一种应用于中压载波的电流采样方法，其特征在于，所述采集差分电压信号包括：发送功率期间根据连接的采样电阻阻抗及电流差异，在采样电阻两端进行采样，所得电势差为采集的电压值，即差分电压信号。
7.根据权利要求5所述的一种应用于中压载波的电流采样方法，其特征在于，所述控制模拟开关通道进行切换包括：通过FPGA模块输出控制信号，以使模拟开关切换通道，满足多通道同时使用需求，最终由ADC进行接收，使得采样信号与接收信号互不干扰。
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