CN115097177A - 一种高精度多路小信号产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种高精度多路小信号产生电路。解决现有技术中测试仪无法直接用于采用小信号的一二次融合系统，采用中转盒存在体积大笨重，不方便现场使用，无法确保小信号幅值精度和相位精度的问题。电路包括MCU单元、数模转换单元、模数转换单元、量程控制单元，MCU单元分别与数模转换单元、模数转换单元相连，数模转换单元包括多个输出通道，每个通道分别连接量程控制单元后连接到信号输出端，量程控制单元控制端连接到MCU单元，模数转换单元包括多个输入端分别对应连接到信号输出端上。本发明能直接产生一二次融合配电终端系统小信号，且输出波形信号满足幅值精度和相位精度要求，以此电路设计出的配电终端测试仪小巧轻便，方便现场应用。

Description

一种高精度多路小信号产生电路

技术领域

本发明涉及电网调试设备技术领域，尤其是涉及一种高精度多路小信号产生电路。

背景技术

在配电自动化终端生产调试及现场测试环节，需要可控的电压和电流信号，输入到配电自动化终端，判断其功能和性能是否正常。这个需求目前主要通过继电保护测试仪或配电终端测试仪来满足。

随着智能电网建设提速，电网投资向配电网环节倾斜，一二次融合设备是大势所趋，近年来一二次融合成套柱上断路器招标数量持续提升。这就要求其对应的测试设备快速跟进。然而，现有的测试仪是基于传统的电磁式互感器终端系统而设计的，输出的是大信号（电流0~5A、电压0~120V），无法直接用于采用小信号（电流0~20V，电压0~3.25V）的一二次融合系统。

目前也有发明人设计了中转盒，传统测试仪连接中转盒后将测试仪的大信号转换成小信号使用，该方法确实可用，但中转盒体积大且笨重，接线又多，现场使用非常不便，且中转盒工作于开环状态，无法确保小信号的幅值精度和相位精度。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中测试仪无法直接用于采用小信号的一二次融合系统的问题，提供了一种高精度多路小信号产生电路。

本发明还解决了现有采用中转盒将测试仪的大信号转换成小信号使用，存在中转盒体积大笨重，不方便现场使用，且无法确保小信号幅值精度和相位精度的问题，提供了一种高精度多路小信号产生电路。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种高精度多路小信号产生电路，包括MCU单元、数模转换单元、模数转换单元、量程控制单元，MCU单元分别与数模转换单元、模数转换单元相连，数模转换单元包括多个输出通道，每个通道分别连接量程控制单元后连接到相应的信号输出端，量程控制单元控制端连接到MCU单元，模数转换单元包括多个输入端分别对应连接到信号输出端上。

本发明MCU单元根据上游界面参数，生产各个通道的波形数据，依次发送给数模转换单元。数模转换单元用于数模转换，同时将接收的波形数据建立起来。量程控制单元对数模转换单元输出信号进行可控衰减，当需要输出小值信号时，启动衰减开关，形成衰减电路对数模转换单元输出信号进行衰减，衰减成1/N，提高了数模转换的输出，降低了数模转换的量化误差对输出信号的影响；当需要输出大值信号时，断开衰减开关，数模转换单元输出信号原封不动地传送出去，信号输出端具有多个对应多个输出通道，每个输出通道连接一个信号输出端。模数转换单元将输出信号进行回采，发送给MCU单元，用以确定输出信号是否达到预期要求，若达不到幅值精度和相位精度要求，通过微调数模转换单元的输入数据，使最终输出波形信号满足幅值精度和相位精度要求，这样就排除了输出信号意外误差，如中间故障导致无输出、或是由于后端过载导致输出幅值不够，提高了设备的输出可信度。同时，信号精度以模数转换单元的采样为准，降低了输出信号通道上的精密元器件要求。本发明能够直接产生一二次融合配电终端系统的小信号，且保障了小信号幅值精度和相位精度，以此电路设计出的配电终端测试仪小巧轻便，方便现场应用。

作为一种优选方案，所述量程控制单元包括第一电阻、第二电阻、第一开关，第一电阻一端连接数模转换单元输出通道，第一电阻另一端连接至信号输出端，第二电阻一端连接在第一电阻另一端，第二电阻另一端连接第一开关一端，第一开关另一端接地，第一开关的控制端连接至MCU单元。本方案中量程控制单元连接在每个输出通道上，对数模转换单元输出信号进行可控衰减，当需要输出小值信号时，控制闭合第一开关，数模转换单元输出信号衰减成1/N，提高了数模转换的输出，降低了数模转换的量化误差对输出信号的影响；当需要输出大值信号时，控制断开第一开关，数模转换单元输出信号原封不动地传送出去。

作为一种优选方案，在量程控制单元与信号输出端之间还依次连接有低通滤波单元、高电压放大器单元。低通滤波单元对量程控制单元输出的信号进行滤波处理，消除数模转换产生信号上的阶梯，使波形变得平滑。经过滤波处理后平滑的波形信号进入高压放大器单元，被放大到最终需要的幅值。

作为一种优选方案，所述数模转换单元和模数转换单元为具有同步启动控制的转换单元。由于数据传送给数模转换单元，存在先后顺序，具有同步启动控制，可以保证波形同步输出。模数转换单元轮流方式采样输出信号，通道之间会有相位差，具有同步启动控制功能，可以保证波形同步采样。

作为一种优选方案，所述数模转换单元和模数转换单元都具有并行接口，数模转换单元和模数转换单元分别通过并行接口与MCU单元并行总线相连。数模转换单元和模数转换单元具有并行接口，提高了数据传输速度，使得一个波形之内的样点数比较多，波形的锯齿效应变小，波形变平滑。并且具有16位分辨率，也是提高了波形精度。

作为一种优选方案，还包括参考电压单元，参考电压单元与数模转换单元连接。参考电压单元输出参考电压给数模转换单元提供参考，精度要求优于0.025%、温漂低于2.5ppm/℃。以该参考电压为参考，产生的波形稳定度增高。

作为一种优选方案，还包括高电压电源单元，高电压电源单元包括多个不同电压输出端，高电压电源单元分别与MCU单元、数模转换单元、模数转换单元、高压放大器单元连接。高电压电源通过推挽电路将输入电源Vin产生5V、正负15V、正负30V。高电压电源为各单元提供电能。

作为一种优选方案，所述模数转换单元输入端与信号输出端之间连接有采样控制单元，采样控制单元包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二开关、放大器，放大器正极输入端分别连接第五电阻一端、第六电阻一端，第五电阻另一端连接信号输出端，第六电阻另一端接地，放大器负极输入端分别连接第三电阻一端、第四电阻一端，第三电阻另一端连接放大器输出端，第四电阻另一端连接第二开关一端，第二开关另一端接地，放大器输出端连接模数转换单元输入端，第二开关控制端与MCU单元相连。MCU单元通控制第二开关开闭来控制采样控制单元工作，从而控制输入的采样信号。

因此，本发明的优点是：

1.通过MCU单元、数模转换单元、模数转换单元、量程控制单元组成小信号产生电路，能直接产生一二次融合配电终端系统小信号；

2.对信号输出端信号进行回采，以确定输出信号是否达到预期要求，若达不到幅值精度和相位精度要求，通过微调数模转换单元的输入数据，使最终输出波形信号满足幅值精度和相位精度要求，也排除了输出信号意外误差；

3. 以此电路设计出的配电终端测试仪小巧轻便，方便现场应用。

附图说明

图1是本发明的一种电路结构示意图。

1-MCU单元 2-数模转换单元 3-量程控制单元 4-模数转换单元 5-低通滤波单元6-高电压放大器单元 7-参考电压单元 8-高电压电源单元 9-采样控制单元。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种高精度多路小信号产生电路，如图1所示，包括MCU单元1、数模转换单元2、模数转换单元4、量程控制单元3、低通滤波单元5、高电压放大器单元6、参考电压单元7和高电压电源单元8、采样控制单元9。MCU单元分别与数模转换单元、模数转换单元相连，数模转换单元包括多个输出通道，每个通道分别依次连接量程控制单元、低通滤波单元、高电压放大器单元、输出开关后连接到一个信号输出端上。量程控制单元控制端连接到MCU单元，模数转换单元包括多个输入端，输入端通过连接采样控制单元后分别对应连接到一个信号输出端上。参考电压单元与数模转换单元相连接。

MCU单元具有外部并行总线，数模转换单元和模数转换单元为具有同步启动控制的转换单元，数模转换单元和模数转换单元都具有并行接口，分辨率在16位及以上，数模转换单元和模数转换单元分别通过并行接口与MCU单元并行总线相连。参考电压单元为数模转换单元提供参考，要求精度优于0.025%，温漂低于2.5ppm/℃。MCU单元根据上游界面参数，生产各个通道的波形数据，依次发送给数模转换单元。数据传送给数模转换单元，存在先后顺序，具有同步启动控制，可以保证波形同步输出。模数转换单元轮流方式采样输出信号，通道之间会有相位差，具有同步启动控制功能，可以保证波形同步采样。数模转换单元和模数转换单元具有并行接口，提高了数据传输速度，使得一个波形之内的样点数比较多，波形的锯齿效应变小，波形变平滑。并且具有16位分辨率，也是提高了波形精度。以上述要求的参考电压为参考，产生的波形稳定度增高。

数模转换单元开始工作后进行初始化，分别设定4个通道的数据，然后启动数模转换，返回继续设定4个通道的数据，进行数模转换如此重复进行。模数转换单元将输出信号进行回采，启动模数转换后发送给MCU单元，用以确定输出信号是否达到预期要求，若达不到幅值精度和相位精度要求，通过微调数模转换单元的输入数据，使最终输出波形信号满足幅值精度和相位精度要求，这样就排除了输出信号意外误差，如中间故障导致无输出、或是由于后端过载导致输出幅值不够，提高了设备的输出可信度。同时，信号精度以模数转换单元的采样为准，降低了输出信号通道上的精密元器件要求。本发明能够直接产生一二次融合配电终端系统的小信号，且保障了小信号幅值精度和相位精度

量程控制单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一开关K1，第一电阻R1一端连接数模转换单元输出通道，第一电阻R1另一端连接至信号输出端，第二电阻R2一端连接在第一电阻另一端，第二电阻R2另一端连接第一开关K1一端，第一开关K2另一端接地，第一开关K1的控制端连接至MCU单元。量程控制单元对数模转换单元输出信号进行可控衰减，当需要输出小值信号时，控制闭合第一开关，数模转换单元输出信号衰减成1/N，提高了数模转换的输出，降低了数模转换的量化误差对输出信号的影响；当需要输出大值信号时，控制断开第一开关，数模转换单元输出信号原封不动地传送出去。

采样控制单元包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第二开关K2、放大器，放大器正极输入端分别连接第五电阻R5一端、第六电阻R6一端，第五电阻R5另一端连接信号输出端，第六电阻R6另一端接地，放大器负极输入端分别连接第三电阻R3一端、第四电阻R4一端，第三电阻R3另一端连接放大器输出端，第四电阻R4另一端连接第二开关K2一端，第二开关K2另一端接地，放大器输出端连接模数转换单元输入端，第二开关K2控制端与MCU单元相连。

高电压电源单元包括多个不同电压输出端，高电压电源单元分别与MCU单元、数模转换单元、模数转换单元、高压放大器单元连接。高电压电源通过推挽电路将输入电源Vin产生5V、正负15V、正负30V。其中高电压放大器单元需要输出高达20V的交流信号，考虑到高电压放大器有1.5V压降，其供应电源高电压电源单元应不低于30V，高电压电源单元30V端连接至高电压放大器。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了MCU单元、数模转换单元、量程控制单元、模数转换单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种高精度多路小信号产生电路，其特征在于：包括MCU单元、数模转换单元、模数转换单元、量程控制单元，MCU单元分别与数模转换单元、模数转换单元相连，数模转换单元包括多个输出通道，每个通道分别连接量程控制单元后连接到相应的信号输出端，量程控制单元控制端连接到MCU单元，模数转换单元包括多个输入端分别对应连接到信号输出端上。

2.根据权利要求1所述的一种高精度多路小信号产生电路，其特征是所述量程控制单元包括第一电阻、第二电阻、第一开关，第一电阻一端连接数模转换单元输出通道，第一电阻另一端连接至信号输出端，第二电阻一端连接在第一电阻另一端，第二电阻另一端连接第一开关一端，第一开关另一端接地，第一开关的控制端连接至MCU单元。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度多路小信号产生电路，其特征是在量程控制单元与信号输出端之间还依次连接有低通滤波单元、高电压放大器单元。

4.根据权利要求1或2所述的一种高精度多路小信号产生电路，其特征是所述数模转换单元和模数转换单元为具有同步启动控制的转换单元。

5.根据权利要求1或2所述的一种高精度多路小信号产生电路，其特征是所述数模转换单元和模数转换单元都具有并行接口，数模转换单元和模数转换单元分别通过并行接口与MCU单元并行总线相连。

6.根据权利要求3所述的一种高精度多路小信号产生电路，其特征是还包括参考电压单元，参考电压单元与数模转换单元连接。

7.根据权利要求6所述的一种高精度多路小信号产生电路，其特征是还包括高电压电源单元，高电压电源单元包括多个不同电压输出端，高电压电源单元分别与MCU单元、数模转换单元、模数转换单元、高压放大器单元连接。

8.根据权利要求1或2所述的一种高精度多路小信号产生电路，其特征是所述模数转换单元输入端与信号输出端之间连接有采样控制单元，采样控制单元包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二开关、放大器，放大器正极输入端分别连接第五电阻一端、第六电阻一端，第五电阻另一端连接信号输出端，第六电阻另一端接地，放大器负极输入端分别连接第三电阻一端、第四电阻一端，第三电阻另一端连接放大器输出端，第四电阻另一端连接第二开关一端，第二开关另一端接地，放大器输出端连接模数转换单元输入端，第二开关控制端与MCU单元相连。

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