CN115420940B - 一种多用途的直流信号检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多用途的直流信号检测系统，属于测量技术领域，包括电源模块、中央处理模块、直流电压测量模块、直流电流测量模块、恒流激励信号模块、模数转换模块和辅助测量模块，电源模块为各个模块提供电源，中央处理模块连接有直流电压测量模块、直流电流测量模块、恒流激励信号模块、模数转换模块和辅助测量模块，辅助测量模块用于采集电阻信号，模数转换模块连接有直流电压测量模块、直流电流测量模块和辅助测量模块，本系统不仅能同时检测电压、电流和电阻，而且还具有和上位机进行远传和通信的功能，节约了直流信号的检测成本，并且解决了远程通信的问题。

Description

一种多用途的直流信号检测系统

技术领域

本发明是一种多用途的直流信号检测系统，属于测量技术领域。

背景技术

电路的测量包括电路电压、电流和电阻的测量，人们常根据测得的一些参数作为衡量电路工作的依据，也用于为一些其他用途作为数据标准，比如电流的测量结果，可以间接知道用电量的大小，电压测量的结果可以衡量对人体是否有危险，因此能够精准的测量电路中的电压、电流和电阻的数值也显得尤为重要，现有的一些测量直流电路经常单独测量电路某一种物理量，要测量其中另外的一个物理量，需要增加额外的电路或其他的装置，因此发明一种能同时测量直流电压、电流和电阻的电路图是有必要的。

例如在2012年9月5日公开了一项公开号为CN202421296U的一种用于直流回路的信号测量电路，包括串联于待测直流主回路的分流器，此分流器的两个信号输出端分别连接到滤波电路单元的两个输入端，此滤波电路单元连接到信号放大电路单元 ；所述分流器一个信号输出端与滤波电路单元的一个输入端之间设有 PTC 热敏电阻， 所述分流器另一个信号输出端与滤波电路单元另一个输入端之间也设有PTC 热敏电阻，作保护用的二极管跨接在所述信号放大电路单元的两个输入端之间，本测量电路能承受大电流冲击，有效地保护后级电路，从而维持测量电路的正常使用，上述电路虽能实现对直流电路中电流的测量，但仍具有以下缺点：

1、该电路仅能测试直流电路中的直流电流物理量，不能对电路中的电压和电阻进行测量。

2、上述电路无法将测得的数据进行与别的仪表或上位机进行传输，功能太过单一，不太适应现在日益网络化和信息共享化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种多用途的直流信号检测系统，本系统是一个多功能直流信号电路测量单元模块，可以测量直流电压、直流电流、电阻，三种信号，全档位模式下可以提供2,000,000读数的测量分辨率，并通过隔离的串口通讯将数据传递给工控机或者显示器。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种多用途的直流信号检测系统，包括电源模块、中央处理模块、直流电压测量模块、直流电流测量模块、恒流激励信号模块、模数转换模块和辅助测量模块，电源模块为各个模块提供电源，中央处理模块连接直流电压测量模块、直流电流测量模块、恒流激励信号模块、模数转换模块和辅助测量模块，辅助测量模块用于采集电阻信号，模数转换模块连接直流电压测量模块、直流电流测量模块和辅助测量模块；所述直流电压测量模块用于采集电压的信号，直流电流测量模块用于采集电流的信号，辅助测量模块用于采集电阻信号，模数转换模块用于将采集电流信号、电压信号、电阻信号进行模数转换，并将信号传送到中央处理模块进行处理，恒流激励信号模块用于为电压、电流和电阻的测量提供辅助，中央处理模块是本系统的核心，是本系统的信号接受与数据处理的中心，同时能够与上位机进行通讯，将检测到的电流、电压、电阻值上传到上位机。

进一步，所述中央处理模块包括芯片U24，芯片U24的型号为HC32F030J8TA，芯片U24的1脚连接电容C35一端，电容C35另一端接地，芯片U24的7脚连接电阻R49一端，电阻R49的另一端连接继电器U25的2脚，继电器U25的3脚连接+3V3电源线和电容C41的一端，电容C41的另一端接地，芯片U24的14脚连接电阻R50的一端，电阻R50的另一端连接二极管12的一端，二极管D12的另一端连接+3V3电源，芯片U24的15脚连接电阻R51的一端，电阻R51的一端和三极管Q8的3脚，电阻R51的另一端接地，三极管Q8的1脚连接蜂鸣器B2的一端，蜂鸣器B2的另一端连接+3V3电源线，三极管Q8的2脚连接接地，芯片U24的18脚连接芯片U10的7脚，芯片U24的19脚连接芯片U10的6脚，芯片U24的20脚连接芯片U10的5脚，芯片U24的21脚连接芯片U10的4脚，芯片U24的22脚连接芯片U10的3脚，芯片U24的23脚连接芯片U10的2脚，芯片U24的25脚连接芯片U10的1脚，芯片U24的26脚连接芯片U16的23脚信号线，芯片U24的27脚连接芯片U16的22脚，芯片U24的28脚连接芯片U16的23脚，芯片U24的29脚连接芯片U16的21脚，芯片U24的30脚连接芯片U16的20脚，芯片U24的31脚连接芯片U16的19脚信号线，芯片U24的47脚接地，芯片U24的9脚、24脚和48脚接+3V3电源。

进一步，所述电源模块包括芯片U22，芯片U22的型号为LM27313XQMF，芯片U22的GND脚接地，芯片U22的VIN脚与EN脚均连接电容C32一端、电感L1一端和+5V0电源，电容C32另一端接地，电感L1另一端连接芯片U22的SW脚和二极管D11一端，二极管D11另一端连接电阻R43一端、电容C34一端，并连接+15V电源，电阻R43另一端与电容C34另一端连接电阻R44一端和芯片U22的FB脚，电阻R44另一端接地；

所述电源模块还包括端子P6，端子P6的1脚连接电容C10一端、继电器U23的VI脚和+5V0电源，电容C10另一端和端子P6的2脚接地，继电器U23的VO脚连接电容C9一端和+3V3电源，继电器U23的GND脚接地，端子P6的3脚连接芯片U15的GND2脚和电容C11一端，芯片U15的型号为ADUM1201，电容C11另一端连接芯片U15的VDD2脚和端子P6的6脚，芯片U15的VOB脚连接端子P6的4脚，芯片U15的VIA脚连接端子P6的5脚，芯片U15的GND1脚接地，芯片U15的VIB脚连接芯片U24的13脚,芯片U15的VOA脚连接芯片U24的12脚，芯片U15的VDD1脚连接电容C12一端和+3V3电源，电容C12另一端接地。

进一步，所述直流电压测量模块还包括继电器U1,继电器U1的5脚接+5V0D电源，继电器U1的6脚连接芯片U10的16脚，继电器U1的2脚连接连接测量端口P1；

所述直流电压测量模块还包括运算器U4A，运算器U4A的1脚连接二极管D1一端和排阻R34的3脚，二极管D1另一端连接运算器U4A的4脚，运算器U4A的3脚接+5V0电源，运算器U4A的2脚接地，运算器U4A的5脚连接运算器U4A的1脚，运算器U4A的4脚还连接继电器U2的1脚和3脚、继电器U3的1脚和继电器U5的1脚、继电器U2的5脚接+5V0D电源，继电器U2的6脚连接芯片U16的15脚，继电器U2的2脚和4脚连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接电阻R2一端，电阻R2另一端连接测量端口P1,所述继电器U3的5脚接+5V0D电源，继电器U3的6脚连接芯片U16的14脚，继电器U3的2脚连接电阻R3一端和电阻R12一端，电阻R12另一端连接电阻R13一端和继电器U5的2脚，电阻R13另一端连接继电器U5的4脚，继电器U5的5脚连接+5V0D电源，继电器U5的6脚连接芯片U16的13脚，所述电阻R3另一端连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接电阻R5一端，电阻R5另一端连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接电阻R7一端，电阻R7另一端连接电阻R8一端，电阻R8另一端连接电阻R9一端，电阻R9另一端连接电阻R10一端，电阻R10另一端连接电阻R11一端，电阻R11另一端连接测量端口P1，测量端口P1用于外接电压测量端，继电器U3的3脚和继电器U5的3脚连接LO电源。

进一步，所述直流电流测量模块包括运算器U4B，运算器U4B的型号为LMC662AIM，运算器U4B的1脚连接排阻R34的2脚，运算器U4B的2脚连接R18一端，电阻R18另一端连接继电器U8的1脚和电阻R17一端，继电器U8的3脚接+5V0D电源，继电器U8的4脚连接芯片U10的10脚，电阻R17另一端连接继电器U7的1脚和电阻R16一端，继电器U7的3脚接+5V0D电源，继电器U7的4脚连接芯片U10的11脚，电阻R16另一端连接电阻R15一端和继电器U6的1脚，电阻R15另一端连接排阻R34的1脚，继电器U6的3脚连接接+5V0D电源，继电器U6的4脚连接芯片U10的12脚，所述继电器U6的2脚、继电器U7的2脚和继电器U8的2脚连接保险丝FU1一端，保险丝FU1另一端连接测量端口P3，所述继电器U6的2脚、继电器U7的2脚和继电器U8的2脚还连接二极管D4一端和二极管D5一端，二极管D4另一端和二极管D5另一端连接运算器U4B的1脚、二极管D2一端和二极管D3一端，二极管D2另一端和二极管D3另一端连接电阻R14一端、电阻R15另一端、测量端口P2和LO电源，电阻R14另一端连接芯片U16的5脚，测量端口P2和测量端口P3用于外接电流测量端。

进一步，所述恒流激励信号模块包括芯片U13，芯片U13的型号为dac8830，芯片U13的VCC脚连接3V3电源，芯片U13的DGND脚和AGND脚接地，芯片U13的SDI脚连接芯片U24的44脚，芯片U13的SCLK脚连接芯片U24的46脚，芯片U13的CS脚连接芯片U24的45脚，芯片U13的VREF脚连接电容C33一端和EF_2V5电源，电容C33另一端接地，芯片U13的VOUT脚连接电阻R29一端，电阻R29另一端连接运算器U14A的1脚，运算器U14A的型号为AD2188，运算器U14A的4脚接+15V电源，运算器U14A的5脚接地，运算器U14A的3脚连接电阻R30一端，电阻R30另一端连接MOS管Q1的3脚，MOS管Q1的2脚连接电阻R33一端和运算器U14A的2脚，电阻R33另一端接地，MOS管Q1的1脚连接电阻R23一端和电阻R28一端，电阻R23另一端连接芯片U11的VO脚，电阻R28另一端连接运算器U14B的1脚，运算器U14B的3脚连接电阻R32一端和电阻R27一端，电阻R27另一端连接芯片U12的YO脚，电阻R32另一端连接电容C7一端，电容C7另一端连接运算器U14B的2脚和电阻R31一端，电阻R31另一端MOS管Q2的3脚，MOS管Q2的1脚连接芯片U12的XO脚，MOS管Q2的2脚连接电容C8一端和三极管Q4的1脚，电容C8另一端接地，三极管Q4的2脚连接JFET管Q5的1脚、JFET管Q5的2脚和电阻R42一端,JFET管Q5的3脚连接芯片U16的5脚，三极管Q4的3脚连接二极管D8一端，二极管D8另一端连接电阻R42另一端和继电器U5的1脚。

进一步，所述恒流激励信号模块还包括芯片U12，芯片U12的型号为CD4052，芯片U12的Y0脚和X0脚连接电阻R24一端，电阻R24另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的Y1脚和X1脚连接电阻R25一端，电阻R25另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的Y2脚和芯片U12的X2脚连接电阻R26一端，电阻R26另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的Y2脚和X2脚连接电阻R26一端，电阻R26另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的VDD脚接+15V电源，芯片U12的VEE脚、INH脚和VSS脚接地，芯片U12的A脚连接芯片U12的10脚，芯片U12的B脚连接芯片U12的9脚；

所述恒流激励信号模块还包括芯片U11，芯片U11的型号为78M12，芯片U11的VI脚还连接电容C3一端和+15V电源，电容C3另一端接地，芯片U11的GND脚接地，芯片U11的VO脚连接电容C4一端和电容C5一端，电容C4另一端和电容C5另一端接地；

所述恒流激励信号模块还包括MOS管Q6，MOS管Q6的3脚连接电阻R47一端和芯片U24的43脚，电阻R47另一端接地,MOS管Q6的2脚接地，MOS管Q6的1脚连接电阻R45一端和芯片U12的10脚，电阻R45另一端连接+15V电源线；

所述恒流激励信号模块还包括MOS管Q7，MOS管Q7的3脚连接电阻R48一端和芯片U24的42脚，电阻R48另一端接地,MOS管Q7的2脚接地，MOS管Q7的1脚连接电阻R46一端和芯片U12的9脚，电阻R46另一端连接+15V电源线。

进一步，所述模数转换模块包括芯片U16，芯片U16的型号为ADS1256，芯片U16的1脚接+5V电源，芯片U16的2脚和芯片U16的3脚接地，芯片U16的4脚连接REF_2V5电源，芯片U16的6脚连接排阻R34的8脚，芯片U16的7脚连接排阻R34的7脚，芯片U16的8脚连接排阻R34的6脚，排阻R34的5脚连接芯片U16的9脚，排阻R35的6脚芯片连接U16的12脚，排阻R35的3脚连接端子P7的2脚，排阻R35的5脚连接芯片U16的13脚，排阻R35的4脚连接端子P7的3脚，芯片U16的14脚接+3V3电源，芯片U16的15脚与16脚连接电容C15一端，并接+3V3电源，电容C15另一端接地，芯片U16的17脚接地。

进一步，所述模数转换模块还包括芯片U19，芯片U19的型号为REF5025，芯片U19的2脚连接电容C19一端和+5V电源，电容C19另一端接地，芯片U19的4脚接地，芯片U19的6脚连接电容C20一端和运算器U18的4脚和并接REF_2V5电源，电容C20另一端接地，运算器U18的5脚连接运算器U18的1脚和芯片U16的5脚，运算器U18的3脚连接+5V电源线，运算器U18的2脚接地。

进一步，所述辅助测量模块包括运算器U9A，运算器U9A的3脚连接MUX_HS信号输入端和二极管D6一端，二极管D6另一端运算器U9A的1脚，运算器U9A的4脚接+5V电源，运算器U9A的5脚接地，运算器U9A的2脚连接运算器U9A的3脚，运算器U9A的1脚还连接电阻R19一端，电阻R19另一端连接电阻R20一端，电阻R20另一端连接测量端口P4；

所述辅助测量模块还包括运算器U9B，运算器U9B的3脚连接排阻R35的1脚、二极管D7一端和MUX_LS信号输入端，二极管D7另一端运算器U9B的1脚，运算器U9A的2脚连接运算器U9A的3脚，运算器U9A的1脚还连接电阻R20一端，电阻R20另一端连接电阻R21一端，电阻R21另一端连接测量端口P5。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

1、本电路中同时设有电压、电流和电阻测量电路，本电路中还设有模数转换模块，能将测量的模拟量数据转换成单片机和计算机能够识别的数字信号，无需增加其他设备和额外的电路就可同时实现对电路中的电压、电流和电阻的测量，节约了测量的成本。

2、本电路设有芯片处理器，芯片处理器可通过通讯端口实现与其他仪器仪表和计算机上位机通讯，可将本电路测得的数据进行网络通讯，实现了数据的共享和网络互通。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例与方位绘制。

图1为本发明本发明中的中央处理模块电路原理图；

图2为本发明中电源模块电路原理图；

图3为本发明中直流电压测量模块电路原理图；

图4为本发明中直流电流测量模块电路原理图；

图5为本发明中恒流激励信号模块电路原理图；

图6为本发明中模数转换模块电路原理图；

图7为本发明中辅助测量模块电路原理图。

具体实施方式

一种多用途的直流信号检测系统，包括电源模块、中央处理模块、直流电压测量模块、直流电流测量模块、恒流激励信号模块、模数转换模块和辅助测量模块，电源模块为各个模块提供电源，中央处理模块连接直流电压测量模块、直流电流测量模块、恒流激励信号模块、模数转换模块和辅助测量模块，辅助测量模块用于采集电阻信号，模数转换模块连接直流电压测量模块、直流电流测量模块和辅助测量模块。

所述直流电压测量模块用于采集电压的信号，直流电流测量模块用于采集电流的信号，辅助测量模块用于采集电阻信号，模数转换模块用于将采集电流信号、电压信号和电阻信号进行模数转换，并将信号传送到中央处理模块进行处理，恒流激励信号模块用于为电压、电流和电阻的测量提供辅助，中央处理模块是本系统的核心，是本系统的信号接受与数据处理的中心，同时能够与上位机进行通讯，将检测到的电流、电压和电阻值上传到上位机。

如图1所示，所述中央处理模块包括芯片U24，芯片U24的型号为HC32F030J8TA，芯片U24的1脚连接电容C35一端，电容C35另一端接地，芯片U24的7脚连接电阻R49一端，电阻R49的另一端连接继电器U25的2脚，继电器U25的3脚连接+3V3电源线和电容C41的一端，电容C41的另一端接地，芯片U24的14脚连接电阻R50的一端，电阻R50的另一端连接二极管12的一端，二极管D12的另一端连接+3V3电源，芯片U24的15脚连接电阻R51的一端，电阻R51的一端和三极管Q8的3脚，电阻R51的另一端接地，三极管Q8的1脚连接蜂鸣器B2的一端，蜂鸣器B2的另一端连接+3V3电源线，三极管Q8的2脚连接接地，芯片U24的18脚连接芯片U10的7脚，芯片U24的19脚连接芯片U10的6脚，芯片U24的20脚连接芯片U10的5脚，芯片U24的21脚连接芯片U10的4脚，芯片U24的22脚连接芯片U10的3脚，芯片U24的23脚连接芯片U10的2脚，芯片U24的25脚连接芯片U10的1脚，芯片U24的26脚连接芯片U16的23脚信号线，芯片U24的27脚连接芯片U16的22脚，芯片U24的28脚连接芯片U16的23脚，芯片U24的29脚连接芯片U16的21脚，芯片U24的30脚连接芯片U16的20脚，芯片U24的31脚连接芯片U16的19脚，芯片U24的47脚接地，芯片U24的9脚、24脚和48脚接+3V3电源。

综上所述，中央处理模块是信息接收和发出的指挥中心，也是整个控制系统的核心部分，也是和外部的通讯中心。

如图2所示，所述电源模块包括芯片U22，芯片U22的型号为LM27313XQMF，芯片U22的GND脚接地，芯片U22的VIN脚与EN脚均连接电容C32一端、电感L1一端和+5V0电源，电容C32另一端接地，电感L1另一端连接芯片U22的SW脚和二极管D11一端，二极管D11另一端连接电阻R43一端、电容C34一端，并连接+15V电源，电阻R43另一端与电容C34另一端连接电阻R44一端和芯片U22的FB脚，电阻R44另一端接地。

所述电源模块还包括端子P6，端子P6的1脚连接电容C10一端、继电器U23的VI脚和+5V0电源，电容C10另一端和端子P6的2脚接地，继电器U23的VO脚连接电容C9一端和+3V3电源，继电器U23的GND脚接地，端子P6的3脚连接芯片U15的GND2脚和电容C11一端，芯片U15的型号为ADUM1201，电容C11另一端连接芯片U15的VDD2脚和端子P6的6脚，芯片U15的VOB脚连接端子P6的4脚，芯片U15的VIA脚连接端子P6的5脚，芯片U15的GND1脚接地，芯片U15的VIB脚连接芯片U24的13脚,芯片U15的VOA脚连接芯片U24的12脚，芯片U15的VDD1脚连接电容C12一端和+3V3电源，电容C12另一端接地。

如图3所示，所述直流电压测量模块还包括继电器U1,继电器U1的5脚接+5V0D电源，继电器U1的6脚连接芯片U10的16脚，继电器U1的2脚连接连接测量端口P1。

所述直流电压测量模块还包括运算器U4A，运算器U4A的1脚连接二极管D1一端和排阻R34的3脚，二极管D1另一端连接运算器U4A的4脚，运算器U4A的3脚接+5V0电源，运算器U4A的2脚接地，运算器U4A的5脚连接运算器U4A的1脚，运算器U4A的4脚还连接继电器U2的1脚和3脚、继电器U3的1脚和继电器U5的1脚、继电器U2的5脚接+5V0D电源，继电器U2的6脚连接芯片U16的15脚，继电器U2的2脚和4脚连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接电阻R2一端，电阻R2另一端连接测量端口P1,所述继电器U3的5脚接+5V0D电源，继电器U3的6脚连接芯片U16的14脚，继电器U3的2脚连接电阻R3一端和电阻R12一端，电阻R12另一端连接电阻R13一端和继电器U5的2脚，电阻R13另一端连接继电器U5的4脚，继电器U5的5脚连接+5V0D电源，继电器U5的6脚连接芯片U16的13脚，所述电阻R3另一端连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接电阻R5一端，电阻R5另一端连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接电阻R7一端，电阻R7另一端连接电阻R8一端，电阻R8另一端连接电阻R9一端，电阻R9另一端连接电阻R10一端，电阻R10另一端连接电阻R11一端，电阻R11另一端连接测量端口P1，测量端口P1用于外接电压测量端，继电器U3的3脚和继电器U5的3脚连接LO电源。

综上所述，直流电压测量模块，具有四个信号量程，200mV、2V、20V、200V，为了降低检测设备对信号的影响，直流电压测量功能采用高阻抗输入，其中200mV和2V量程输入阻抗＞1TΩ，20V和200V档位输入阻抗为10MΩ，档位切换采用继电器U2、继电器U3和继电器U5三个干簧继电器，使用继电器作为档位切换元件，设备断电时，内部电路处于完全断开状态，输入端过量程信号接入时，由于二极管D1的存在，使得信号经过电阻输入到运算器U4A时，被限制在电源轨的±0.7V以内，输入电阻最小的档位为2V量程，钳位电流为1mA时，输入端口HI的电压为200V，可以满足全量程范围内，任何信号接入不损坏后级电路，该钳位方式的优点在于正常信号输入时钳位二极管保护端电压等于输入电压，不会对待测信号产生任何影响。

如图4所示，所述直流电流测量模块包括运算器U4B，运算器U4B的型号为LMC662AIM，运算器U4B的1脚连接排阻R34的2脚，运算器U4B的2脚连接R18一端，电阻R18另一端连接继电器U8的1脚和电阻R17一端，继电器U8的3脚接+5V0D电源，继电器U8的4脚连接芯片U10的10脚，电阻R17另一端连接继电器U7的1脚和电阻R16一端，继电器U7的3脚接+5V0D电源，继电器U7的4脚连接芯片U10的11脚，电阻R16另一端连接电阻R15一端和继电器U6的1脚，电阻R15另一端连接排阻R34的1脚，继电器U6的3脚连接接+5V0D电源，继电器U6的4脚连接芯片U10的12脚，所述继电器U6的2脚、继电器U7的2脚和继电器U8的2脚连接保险丝FU1一端，保险丝FU1另一端连接测量端口P3，所述继电器U6的2脚、继电器U7的2脚和继电器U8的2脚还连接二极管D4一端和二极管D5一端，二极管D4另一端和二极管D5另一端连接运算器U4B的1脚、二极管D2一端和二极管D3一端，二极管D2另一端和二极管D3另一端连接电阻R14一端、电阻R15另一端、测量端口P2和LO电源，电阻R14另一端连接芯片U16的5脚，测量端口P2和测量端口P3用于外接电流测量端。

综上所述，直流电流测量模块包括个档位，20mA、200mA、2A，档位切换使用继电器U6、继电器U7和继电器U8进行切换，此处使用继电器的目的在于小电流测量时，若是采用MOS管会存在漏电流，漏电流会随着管芯温度变化，使用继电器则完全不存在该情况，可以提高测量结果的准确性，电流测量的方法使用了串联电阻法，将待测电流信号转换为电压信号进行测量，为了简化电路设计，测量的电阻使用了串联方式，通过继电器选择输入节点，这样电路板在设计时仅需要从电阻串两个端口进行测量就可以，电路保护使用二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5，当LO_GND和MUX_AMP+两个信号源端口电压大于1.4V时，电流将从其中的两个二极管流过，以达到保护检流电阻的目的，由于二极管本身会存在一个漏电流，所以保护二极管中间抽头引入一个和MUX_AMP+端口相等的偏执电压，这样在测量过程中如果信号未超量程，则测量结果没有漏电流影响。

如图5所示，所述恒流激励信号模块包括芯片U13，芯片U13的型号为dac8830，芯片U13的VCC脚连接3V3电源，芯片U13的DGND脚和AGND脚接地，芯片U13的SDI脚连接芯片U24的44脚，芯片U13的SCLK脚连接芯片U24的46脚，芯片U13的CS脚连接芯片U24的45脚，芯片U13的VREF脚连接电容C33一端和EF_2V5电源，电容C33另一端接地，芯片U13的VOUT脚连接电阻R29一端，电阻R29另一端连接运算器U14A的1脚，运算器U14A的型号为AD2188，运算器U14A的4脚接+15V电源，运算器U14A的5脚接地，运算器U14A的3脚连接电阻R30一端，电阻R30另一端连接MOS管Q1的3脚，MOS管Q1的2脚连接电阻R33一端和运算器U14A的2脚，电阻R33另一端接地，MOS管Q1的1脚连接电阻R23一端和电阻R28一端，电阻R23另一端连接芯片U11的VO脚，电阻R28另一端连接运算器U14B的1脚，运算器U14B的3脚连接电阻R32一端和电阻R27一端，电阻R27另一端连接芯片U12的YO脚，电阻R32另一端连接电容C7一端，电容C7另一端连接运算器U14B的2脚和电阻R31一端，电阻R31另一端MOS管Q2的3脚，MOS管Q2的1脚连接芯片U12的XO脚，MOS管Q2的2脚连接电容C8一端和三极管Q4的1脚，电容C8另一端接地，三极管Q4的2脚连接JFET管Q5的1脚、JFET管Q5的2脚和电阻R42一端,JFET管Q5的3脚连接芯片U16的5脚，三极管Q4的3脚连接二极管D8一端，二极管D8另一端连接电阻R42另一端和继电器U5的1脚。

所述恒流激励信号模块还包括芯片U12，芯片U12的型号为CD4052，芯片U12的Y0脚和X0脚连接电阻R24一端，电阻R24另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的Y1脚和X1脚连接电阻R25一端，电阻R25另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的Y2脚和芯片U12的X2脚连接电阻R26一端，电阻R26另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的Y2脚和X2脚连接电阻R26一端，电阻R26另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的VDD脚接+15V电源，芯片U12的VEE脚、INH脚和VSS脚接地，芯片U12的A脚连接芯片U12的10脚，芯片U12的B脚连接芯片U12的9脚。

所述恒流激励信号模块还包括芯片U11，芯片U11的型号为78M12，芯片U11的VI脚还连接电容C3一端和+15V电源，电容C3另一端接地，芯片U11的GND脚接地，芯片U11的VO脚连接电容C4一端和电容C5一端，电容C4另一端和电容C5另一端接地。

所述恒流激励信号模块还包括MOS管Q6，MOS管Q6的3脚连接电阻R47一端和芯片U24的43脚，电阻R47另一端接地,MOS管Q6的2脚接地，MOS管Q6的1脚连接电阻R45一端和芯片U12的10脚，电阻R45另一端连接+15V电源线。

所述恒流激励信号模块还包括MOS管Q7，MOS管Q7的3脚连接电阻R48一端和芯片U24的42脚，电阻R48另一端接地,MOS管Q7的2脚接地，MOS管Q7的1脚连接电阻R46一端和芯片U12的9脚，电阻R46另一端连接+15V电源线。

综上所述，在测量信号时，有时需要对待测信号施加电流偏置，才能检测，主板设计了一个多量程的恒流激励源，考虑到通用性，恒流源设计为程控可调模式，大档位分为10mA、1mA、10uA三个，每个档位又可以分为65535个步进档，芯片U13为16位数模转换器，用来给恒流源设置输出电流的细分值，芯片U12为模拟开关，用来设置输出电流的档位。该恒流源采用高边输出模式，所以芯片U13给定的设置信号通过电阻R33和电阻R23两个精密电阻，将给定信号镜像到电源高边，然后再通过运算器U14B控制MOS管Q2，输出一个恒定电流，三极管Q4、二极管D8、电阻R42、JFET管Q5四个器件组成一个输出保护电路，由于场效应三极管的栅极低漏电特性，正常工作方式下，输出的电流仅会从SOURCE_OHM信号端流出，当流出端外部施加一个对于LO_GND信号的负偏压时，电路将增大阻抗，保证MOS管Q2的压差不会过大而造成电路损坏。

如图6所示，所述模数转换模块包括芯片U16，芯片U16的型号为ADS1256，芯片U16的1脚接+5V电源，芯片U16的2脚和芯片U16的3脚接地，芯片U16的4脚连接REF_2V5电源，芯片U16的6脚连接排阻R34的8脚，芯片U16的7脚连接排阻R34的7脚，芯片U16的8脚连接排阻R34的6脚，排阻R34的5脚连接芯片U16的9脚，排阻R35的6脚芯片连接U16的12脚，排阻R35的3脚连接端子P7的2脚，排阻R35的5脚连接芯片U16的13脚，排阻R35的4脚连接端子P7的3脚，芯片U16的14脚接+3V3电源，芯片U16的15脚与16脚连接电容C15一端，并接+3V3电源，电容C15另一端接地，芯片U16的17脚接地。

所述模数转换模块还包括芯片U19，芯片U19的型号为REF5025，芯片U19的2脚连接电容C19一端和+5V电源，电容C19另一端接地，芯片U19的4脚接地，芯片U19的6脚连接电容C20一端和运算器U18的4脚和并接REF_2V5电源，电容C20另一端接地，运算器U18的5脚连接运算器U18的1脚和芯片U16的5脚，运算器U18的3脚连接+5V电源线，运算器U18的2脚接地。

综上所述，芯片U16使用了一片24位的模数转换芯片作为模数转换器，由于前级电路的已经对信号进行预处理，可以直接输入模数转换芯片U16的测量端口，使用芯片内置的模数转换电路即可完成信号的切换测量。

为了降低测量噪声，芯片U19采用无恒温的商用基准芯片REF5025，该芯片可以提供3uVpp/V的噪声水平以及3ppm/℃的温漂特性，可提供5位数据和6位数据两种测量模式，在6位数据模式下，由于测量结果要求比较高，需要通过外接一个外置参考基准，外置参考基准有两个作用，一是给待测信号提供更加准确的参考标准，二是对模数转换芯片U16的内置模数转换电路偏差进行校正。

如图7所示，所述辅助测量模块包括运算器U9A，运算器U9A的3脚连接MUX_HS信号输入端和二极管D6一端，二极管D6另一端运算器U9A的1脚，运算器U9A的4脚接+5V电源，运算器U9A的5脚接地，运算器U9A的2脚连接运算器U9A的3脚，运算器U9A的1脚还连接电阻R19一端，电阻R19另一端连接电阻R20一端，电阻R20另一端连接测量端口P4。

所述辅助测量模块还包括运算器U9B，运算器U9B的3脚连接排阻R35的1脚、二极管D7一端和MUX_LS信号输入端，二极管D7另一端运算器U9B的1脚，运算器U9A的2脚连接运算器U9A的3脚，运算器U9A的1脚还连接电阻R20一端，电阻R20另一端连接电阻R21一端，电阻R21另一端连接测量端口P5。

辅助测量模块用于电阻信号测量，在电阻信号测量中，小电阻信号测量时(例如PT100)，由于待测电阻会受到导线电阻的干扰，往往需要进行四线制测量，即激励信号源两个端口，测量信号两个端口。所以主板增加两个高阻抗的辅助测量端口MUX_HS信号端和MUX_LS信号端，上述两个电路完全相同，通过电阻R19和电阻R20保护电阻，直接使用运放将信号输入阻抗变为1TΩ，同时通过二极管D6对输入端进行钳位保护。

本发明的描述是为了示例与描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改与变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择与描述实施例是为了更好的说明本发明的原理与实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.一种多用途的直流信号检测系统，其特征在于：包括电源模块、中央处理模块、直流电压测量模块、直流电流测量模块、恒流激励信号模块、模数转换模块和辅助测量模块，电源模块为各个模块提供电源，中央处理模块连接直流电压测量模块、直流电流测量模块、恒流激励信号模块、模数转换模块和辅助测量模块，辅助测量模块用于采集电阻信号，模数转换模块连接直流电压测量模块、直流电流测量模块和辅助测量模块；

所述直流电压测量模块用于采集电压的信号，直流电流测量模块用于采集电流的信号，辅助测量模块用于采集电阻信号，模数转换模块用于将采集电流信号、电压信号、电阻信号进行模数转换，并将信号传送到中央处理模块进行处理，恒流激励信号模块用于为电压、电流和电阻的测量提供辅助，中央处理模块是本系统的核心，是本系统的信号接受与数据处理的中心，同时能够与上位机进行通讯，将检测到的电流、电压、电阻值上传到上位机；

所述直流电压测量模块包括继电器U1,继电器U1的5脚接+5V0D电源，继电器U1的6脚连接芯片U10的16脚，继电器U1的2脚连接测量端口P1；

所述直流电压测量模块还包括运算器U4A，运算器U4A的1脚连接二极管D1一端和排阻R34的3脚，二极管D1另一端连接运算器U4A的4脚，运算器U4A的3脚接+5V0电源，运算器U4A的2脚接地，运算器U4A的5脚连接运算器U4A的1脚，运算器U4A的4脚还连接继电器U2的1脚和3脚、继电器U3的1脚和继电器U5的1脚、继电器U2的5脚接+5V0D电源，继电器U2的6脚连接芯片U16的15脚，继电器U2的2脚和4脚连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接电阻R2一端，电阻R2另一端连接测量端口P1,所述继电器U3的5脚接+5V0D电源，继电器U3的6脚连接芯片U16的14脚，继电器U3的2脚连接电阻R3一端和电阻R12一端，电阻R12另一端连接电阻R13一端和继电器U5的2脚，电阻R13另一端连接继电器U5的4脚，继电器U5的5脚连接+5V0D电源，继电器U5的6脚连接芯片U16的13脚，所述电阻R3另一端连接电阻R4一端，电阻R4另一端连接电阻R5一端，电阻R5另一端连接电阻R6一端，电阻R6另一端连接电阻R7一端，电阻R7另一端连接电阻R8一端，电阻R8另一端连接电阻R9一端，电阻R9另一端连接电阻R10一端，电阻R10另一端连接电阻R11一端，电阻R11另一端连接测量端口P1，测量端口P1用于外接电压测量端，继电器U3的3脚和继电器U5的3脚连接LO电源。

2.如权利要求1所述的一种多用途的直流信号检测系统，其特征在于：所述中央处理模块包括芯片U24，芯片U24的型号为HC32F030J8TA，芯片U24的1脚连接电容C35一端，电容C35另一端接地，芯片U24的7脚连接电阻R49一端，电阻R49的另一端连接继电器U25的2脚，继电器U25的3脚连接+3V3电源线和电容C41的一端，电容C41的另一端接地，芯片U24的14脚连接电阻R50的一端，电阻R50的另一端连接二极管12的一端，二极管D12的另一端连接+3V3电源，芯片U24的15脚连接电阻R51的一端，电阻R51的一端和三极管Q8的3脚，电阻R51的另一端接地，三极管Q8的1脚连接蜂鸣器B2的一端，蜂鸣器B2的另一端连接+3V3电源线，三极管Q8的2脚连接接地，芯片U24的18脚连接芯片U10的7脚，芯片U24的19脚连接芯片U10的6脚，芯片U24的20脚连接芯片U10的5脚，芯片U24的21脚连接芯片U10的4脚，芯片U24的22脚连接芯片U10的3脚，芯片U24的23脚连接芯片U10的2脚，芯片U24的25脚连接芯片U10的1脚，芯片U24的26脚连接芯片U16的23脚信号线，芯片U24的27脚连接芯片U16的22脚，芯片U24的28脚连接芯片U16的23脚，芯片U24的29脚连接芯片U16的21脚，芯片U24的30脚连接芯片U16的20脚，芯片U24的31脚连接芯片U16的19脚信号线，芯片U24的47脚接地，芯片U24的9脚、24脚和48脚接+3V3电源。

3.如权利要求1所述的一种多用途的直流信号检测系统，其特征在于：所述电源模块包括芯片U22，芯片U22的型号为LM27313XQMF，芯片U22的GND脚接地，芯片U22的VIN脚与EN脚均连接电容C32一端、电感L1一端和+5V0电源，电容C32另一端接地，电感L1另一端连接芯片U22的SW脚和二极管D11一端，二极管D11另一端连接电阻R43一端、电容C34一端，并连接+15V电源，电阻R43另一端与电容C34另一端连接电阻R44一端和芯片U22的FB脚，电阻R44另一端接地；

所述电源模块还包括端子P6，端子P6的1脚连接电容C10一端、继电器U23的VI脚和+5V0电源，电容C10另一端和端子P6的2脚接地，继电器U23的VO脚连接电容C9一端和+3V3电源，继电器U23的GND脚接地，端子P6的3脚连接芯片U15的GND2脚和电容C11一端，芯片U15的型号为ADUM1201，电容C11另一端连接芯片U15的VDD2脚和端子P6的6脚，芯片U15的VOB脚连接端子P6的4脚，芯片U15的VIA脚连接端子P6的5脚，芯片U15的GND1脚接地，芯片U15的VIB脚连接芯片U24的13脚,芯片U15的VOA脚连接芯片U24的12脚，芯片U15的VDD1脚连接电容C12一端和+3V3电源，电容C12另一端接地。

4.如权利要求1所述的一种多用途的直流信号检测系统，其特征在于：所述直流电流测量模块包括运算器U4B，运算器U4B的型号为LMC662AIM，运算器U4B的1脚连接排阻R34的2脚，运算器U4B的2脚连接R18一端，电阻R18另一端连接继电器U8的1脚和电阻R17一端，继电器U8的3脚接+5V0D电源，继电器U8的4脚连接芯片U10的10脚，电阻R17另一端连接继电器U7的1脚和电阻R16一端，继电器U7的3脚接+5V0D电源，继电器U7的4脚连接芯片U10的11脚，电阻R16另一端连接电阻R15一端和继电器U6的1脚，电阻R15另一端连接排阻R34的1脚，继电器U6的3脚连接接+5V0D电源，继电器U6的4脚连接芯片U10的12脚，所述继电器U6的2脚、继电器U7的2脚和继电器U8的2脚连接保险丝FU1一端，保险丝FU1另一端连接测量端口P3，所述继电器U6的2脚、继电器U7的2脚和继电器U8的2脚还连接二极管D4一端和二极管D5一端，二极管D4另一端和二极管D5另一端连接运算器U4B的1脚、二极管D2一端和二极管D3一端，二极管D2另一端和二极管D3另一端连接电阻R14一端、电阻R15另一端、测量端口P2和LO电源，电阻R14另一端连接芯片U16的5脚，测量端口P2和测量端口P3用于外接电流测量端。

5.如权利要求1所述的一种多用途的直流信号检测系统，其特征在于：所述恒流激励信号模块包括芯片U13，芯片U13的型号为dac8830，芯片U13的VCC脚连接3V3电源，芯片U13的DGND脚和AGND脚接地，芯片U13的SDI脚连接芯片U24的44脚，芯片U13的SCLK脚连接芯片U24的46脚，芯片U13的CS脚连接芯片U24的45脚，芯片U13的VREF脚连接电容C33一端和EF_2V5电源，电容C33另一端接地，芯片U13的VOUT脚连接电阻R29一端，电阻R29另一端连接运算器U14A的1脚，运算器U14A的型号为AD2188，运算器U14A的4脚接+15V电源，运算器U14A的5脚接地，运算器U14A的3脚连接电阻R30一端，电阻R30另一端连接MOS管Q1的3脚，MOS管Q1的2脚连接电阻R33一端和运算器U14A的2脚，电阻R33另一端接地，MOS管Q1的1脚连接电阻R23一端和电阻R28一端，电阻R23另一端连接芯片U11的VO脚，电阻R28另一端连接运算器U14B的1脚，运算器U14B的3脚连接电阻R32一端和电阻R27一端，电阻R27另一端连接芯片U12的YO脚，电阻R32另一端连接电容C7一端，电容C7另一端连接运算器U14B的2脚和电阻R31一端，电阻R31另一端MOS管Q2的3脚，MOS管Q2的1脚连接芯片U12的XO脚，MOS管Q2的2脚连接电容C8一端和三极管Q4的1脚，电容C8另一端接地，三极管Q4的2脚连接JFET管Q5的1脚、JFET管Q5的2脚和电阻R42一端,JFET管Q5的3脚连接芯片U16的5脚，三极管Q4的3脚连接二极管D8一端，二极管D8另一端连接电阻R42另一端和继电器U5的1脚。

6.如权利要求5所述的一种多用途的直流信号检测系统，其特征在于：所述恒流激励信号模块还包括芯片U12，芯片U12的型号为CD4052，芯片U12的Y0脚和X0脚连接电阻R24一端，电阻R24另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的Y1脚和X1脚连接电阻R25一端，电阻R25另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的Y2脚和芯片U12的X2脚连接电阻R26一端，电阻R26另一端连接芯片U11的VO脚，芯片U12的VDD脚接+15V电源，芯片U12的VEE脚、INH脚和VSS脚接地，芯片U12的A脚连接芯片U12的10脚，芯片U12的B脚连接芯片U12的9脚；

所述恒流激励信号模块还包括芯片U11，芯片U11的型号为78M12，芯片U11的VI脚还连接电容C3一端和+15V电源，电容C3另一端接地，芯片U11的GND脚接地，芯片U11的VO脚连接电容C4一端和电容C5一端，电容C4另一端和电容C5另一端接地；

所述恒流激励信号模块还包括MOS管Q6，MOS管Q6的3脚连接电阻R47一端和芯片U24的43脚，电阻R47另一端接地,MOS管Q6的2脚接地，MOS管Q6的1脚连接电阻R45一端和芯片U12的10脚，电阻R45另一端连接+15V电源线；

所述恒流激励信号模块还包括MOS管Q7，MOS管Q7的3脚连接电阻R48一端和芯片U24的42脚，电阻R48另一端接地,MOS管Q7的2脚接地，MOS管Q7的1脚连接电阻R46一端和芯片U12的9脚，电阻R46另一端连接+15V电源线。

7.如权利要求1所述的一种多用途的直流信号检测系统，其特征在于：所述模数转换模块包括芯片U16，芯片U16的型号为ADS1256，芯片U16的1脚接+5V电源，芯片U16的2脚和芯片U16的3脚接地，芯片U16的4脚连接REF_2V5电源，芯片U16的6脚连接排阻R34的8脚，芯片U16的7脚连接排阻R34的7脚，芯片U16的8脚连接排阻R34的6脚，排阻R34的5脚连接芯片U16的9脚，排阻R35的6脚芯片连接U16的12脚，排阻R35的3脚连接端子P7的2脚，排阻R35的5脚连接芯片U16的13脚，排阻R35的4脚连接端子P7的3脚，芯片U16的14脚接+3V3电源，芯片U16的15脚与16脚连接电容C15一端，并接+3V3电源，电容C15另一端接地，芯片U16的17脚接地。

8.如权利要求7所述的一种多用途的直流信号检测系统，其特征在于：所述模数转换模块还包括芯片U19，芯片U19的型号为REF5025，芯片U19的2脚连接电容C19一端和+5V电源，电容C19另一端接地，芯片U19的4脚接地，芯片U19的6脚连接电容C20一端和运算器U18的4脚和并接REF_2V5电源，电容C20另一端接地，运算器U18的5脚连接运算器U18的1脚和芯片U16的5脚，运算器U18的3脚连接+5V电源线，运算器U18的2脚接地。

9.如权利要求1所述的一种多用途的直流信号检测系统，其特征在于：所述辅助测量模块包括运算器U9A，运算器U9A的3脚连接MUX_HS信号输入端和二极管D6一端，二极管D6另一端运算器U9A的1脚，运算器U9A的4脚接+5V电源，运算器U9A的5脚接地，运算器U9A的2脚连接运算器U9A的3脚，运算器U9A的1脚还连接电阻R19一端，电阻R19另一端连接电阻R20一端，电阻R20另一端连接测量端口P4；

所述辅助测量模块还包括运算器U9B，运算器U9B的3脚连接排阻R35的1脚、二极管D7一端和MUX_LS信号输入端，二极管D7另一端运算器U9B的1脚，运算器U9A的2脚连接运算器U9A的3脚，运算器U9A的1脚还连接电阻R20一端，电阻R20另一端连接电阻R21一端，电阻R21另一端连接测量端口P5。

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