CN115733492A - 用于数字功率计的采样单元偏置保护电路及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于数字功率计的采样单元偏置保护电路及保护方法，包括电源模块、测量输入信号、基准电源输入电路、信号叠加调理钳位保护电路及信号调理跟随电路，通过一个电路解决了ADC采样单元应用中的两种需求，一方面可以将ADC输入信号正向偏置到一个合适范围，避免对输入信号的有用成分截取，造成测量不准现象，同时合适的偏置保证ADC转换单元最大满度转换能力；另一方面实现对ADC输入信号的负向保护，钳位所有输入的负向信号在零位以上，保证数字信号处理器能够实现输入信号的稳定、准确转换，同时在一定程度上节省额外的电路开销。

Description

用于数字功率计的采样单元偏置保护电路及保护方法

技术领域：

本发明涉及电子测量技术领域，尤其涉及一种用于数字功率计的采样单元偏置保护电路及用于该保护电路的保护方法，主要用于数字功率计测量及其它需要对集成ADC的输入进行钳位保护，从而实现对输入信号的稳定、准确转换测量。

背景技术：

现代电力电子行业的飞速发展，电源类、负载类产品越来越多，大部分电力电子系统都离不开电源、负载，由于电源的转换效率、负载功耗等相关问题直接影响相关产品的性能，这就需要用专用的测量仪器检测这些系统的能耗使用情况，因此对于家电制造厂商使用数字功率计对电源产品、家电产品的检测的需求加大；随着半导体技术的不断发展更新，与之相关的产品也在不断升级换代，比如以DSP为代表的数字信号处理器、单片机为代表的微控制器(MCU)等，这些DSP、MCU单元的内部架构、内部所集成的功能模块也变得越来越多、越来越完善，例如ADC模块、DAC模块、定时器模块等，ADC模块是微控制单元的重要模块之一，作为从模拟信号到数字信号的转换媒介，其具有广泛的应用，数字功率计是一种将模拟电压、电流信号采样转换为数字信号，并对数字值进行运算的仪器，这就需要具有ADC模块单元，因此数字信号处理器、微控制器都广泛应用于数字功率计中。相对于独立的ADC采样模块，集成于微控制器内部的ADC模块具有特殊优势：第一，集成ADC减少使用独立ADC模块所带来的额外开销、节约成本、且易控制操作；第二，集成ADC模块的时钟与MCU的主时钟相关，相对独立ADC模块具有较高的采样率，更快的转换速度；一般集成ADC模块的输入信号需满足大于0，例如本文所举例的数字信号处理器TMS320F2808，这是一款集成16路ADC单元的处理器，并且ADC的输入范围为0-3V，当超过此ADC模块的正常输入范围，将使ADC转换模块产生无法预知的错误现象。

因此，如何实现对ADC模块输入部分的合理保护是是否能够正确使用集成ADC模块的关键，以下例举几种传统保护方法，第一种是调整采样调理电路，将信号调整到ADC输入的合理范围，其弊端是无法避免特殊状况的发生，无法起到真正的ADC输入端的保护作用；第二种是在输入端接入一个反向二极管到地，此时保护输入信号的最小值为负的二极管管压降，无法保护到零位以上，负的输入信号将使ADC转换单元工作异常。

发明内容：

数字功率计需要同时采样整周期内输入电压、电流信号的瞬时值，利用数值计算公式通过整周期的采样瞬时值计算输入电压、电流的有效值、峰值、功率及功率因数等其它数值，最终通过计算值定性分析被测件的性能指标，因此对于既具有超高运算能力，同时又具有多路集成ADC模块的DSP处理器而言，这是一个不错的选择。

本发明提供的一种用于数字功率计的采样单元偏置保护电路及其方法，能够有效、便捷的保护采样端的输入信号，保证数字信号处理器能够实现输入信号的稳定、准确转换，进一步提高仪器的工作性能，同时节约电路成本。

为了解决上述问题，本发明提出一种用于数字功率计的采样单元偏置保护电路及保护方法，通过采用一个基准电压源电路、一个正负信号叠加电路及一个保护单元，将正负信号叠加电路单元的输出端与反向输入端通过一个保护二极管单元进行钳位，一方面可以将ADC输入信号正向偏置到一个合适范围，最大化满足ADC的满度转换能力；另一方面实现对ADC转换单元输入信号的负向保护，钳位所有输入的负向信号于零位以上，保证数字信号处理器能够实现对输入信号的稳定、准确转换。

本发明提供一种用于数字功率计的采样单元偏置保护电路，包括

电源模块、测量输入信号、基准电源输入电路、信号叠加调理钳位保护电路、信号调理跟随电路。

电源模块为基准电源输入电路部分，信号叠加调理钳位保护电路部分，信号调理跟随电路部分，后级保护电路部分提供电源；测量输入信号连接信号叠加调理钳位保护电路部分的反向输入端；基准电源输入电路的输出信号连接信号叠加调理钳位保护电路部分的正向输入端；信号调理跟随电路部分的输入端连接信号叠加调理钳位保护电路部分的输出端，信号调理跟随电路部分的输出端连接DSP单元的ADC采样输入端，作为最终的采样输入信号。

基准电源输入电路部分负责产生一个用于信号叠加调理钳位保护电路部分所需要叠加的电源电压信号，包括电源+5V、第一电容、第一电源调整芯片、第二电容、第一运放、第三电容、第四电容、第五电容；第一电容的一端连接电源+5V，第一电容的一端同时连接第一电源调整芯片的第一端，第一电容的另一端连接信号地GND，第一电源调整芯片的第三端连接信号地GND，第一电源调整芯片的输出端连接第二电容的一端，同时第一电源调整芯片的输出端连接第一运放的正向输入端，第二电容的另一端连接信号地GND，第一运放的反向输入端连接第一运放的输出端，同时第一运放的输出端连接第四电容的一端、第五电容的一端，第四电容的另一端连接信号地GND，第五电容的另一端连接信号地GND，第三电容的一端连接电源+5V，第三电容的另一端连接信号地GND。

信号叠加调理钳位保护电路部分负责将测量输入信号与基准电源输入电路部分的输出信号相互叠加运算，将测量输入信号偏置于一个合适直流值，保证采样信号的正负完整性而不至于被衰减，包括电源+5V、第一电阻、第二电阻、第一保护二级管、第三电阻、第六电容、第四电阻、第七电容、第八电容、第三运放、第五电阻、第四运放、第九电容、第二保护二极管；第一电阻的一端连接测量输入信号，第一电阻的另一端连接第三运放的反向输入端，同时第一电阻的另一端连接第二电阻的一端、连接第一保护二极管的一端，第三运放的输出端连接第二电阻的另一端，同时第三运放的输出端连接第一保护二极管的另一端，连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接第四运放的正向输入端，第六电容的一端连接电源+5V，同时第六电容的一端连接第三电阻的一端，第六电容的另一端连接信号地GND，第三电阻的另一端连接第四电阻的一端，同时第三电阻的另一端连接第三运放的正向输入端，第四电阻的另一端连接信号地GND，第四运放的反向输入端连接第四运放的输出端，同时第四运放的输出端连接第二保护二极管的一端，并作为ADC模块的采样输入端，第二保护二极管的另一端连接第九电容的一端，同时第二保护二极管的另一端连接基准电源输入电路的输出端，第九电容的另一端连接信号地GND。

电源+5V经过第一电容进行滤波，接入第一电源调整芯片输入端，第一电源调整芯片的输出端产生一个稳定输出电压Vgg1,第二电容对Vgg1信号进行滤波处理，第二运放、第三电容、第四电容、第五电容组成信号跟随滤波电容，对Vgg1信号进一步稳压滤波处理送至信号叠加调理钳位保护电路部分，作为基准电压。

基准电压信号Vgg1通过第六电容进行滤波处理，第三电阻与第四电阻组成分压网络，对Vgg1电压信号分压得到Vgg2电压信号送至第三运放同向输入端，第一电阻、第二电阻、第三运放、第七电容、第八电容组成同向、反向比例放大电路，对测量输入信号反向比例放大与Vgg2信号同向比例放大后的信号共同作用于第三运放输出端输出Vgg3信号，第一保护二极管连接第三运放的反向输入端与输出端，使第三运放的输出端信号值Vgg3受控于反相输入端信号大小及第一保护二极管限制，严格限制于一定范围以内；第五电阻、第四运放组成跟随电路，对输入的Vgg3信号跟随输出Vgg4信号；第九电容、Vgg1信号、第二保护二极管组成正向保护电路，对Vgg4信号进行正向钳位保护，当Vgg4信号高于一定值，将对其钳位保护在正常范围，Vgg4信号作为最终的ADC采样信号输入ADC采样单元，可以实现高效、稳定转换。

本发明的有益效果是：本发明提出一种用于数字功率计的采样单元偏置保护电路及保护方法，解决了背景技术中存在的不足，一个电路解决了ADC采样单元应用中的两种需求，一方面可以将ADC输入信号正向偏置到一个合适范围，避免对输入信号的有用成分截取，造成测量不准现象，同时合适的偏置保证ADC转换单元最大满度转换能力；另一方面实现对ADC输入信号的负向保护，钳位所有输入的负向信号在零位以上，保证数字信号处理器能够实现输入信号的稳定、准确转换，同时在一定程度上节省额外的电路开销。

附图说明：

图1为本发明的用于数字功率计的采样单元偏置保护电路的原理框图；

图2为本发明的用于数字功率计的采样单元偏置保护电路的电路原理图；

图3为本发明的测量输入信号的波形图；

图4为本发明的测量输入信号叠加1.5V偏置后信号的波形图；

图5为本发明的负向钳位保护信号的波形图；

图6为本发明的正向钳位保护信号的波形图；

图7为本发明的正向偏置大于1.5V(2V偏置)时的波形图；

图8为本发明的正向偏置小于1.5V(1V偏置)时的波形图；

图9为传统钳位电路的电路原理图；

图10为传统钳位电路负向保护信号的波形图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示为一种用于数字功率计的采样单元偏置保护电路，包括电源模块、测量输入信号、基准电源输入电路、信号叠加调理钳位保护电路、信号调理跟随电路。

电路图如图2所示：

基准电源输入电路基于一个电源调整芯片、一个运算放大器及若干电容，将电源+5V转换产生一个基准电压信号Vgg1作为一个稳定的基准信号送至信号叠加调理钳位保护电路；信号叠加调理钳位保护电路首先采用一个前级运算放大器及若干电阻组成一个正反比例叠加电路，将测量输入信号叠加一个直流分量后偏置于合适的ADC输入范围，保证正常测量输入信号的不失真采样，采用一个保护二极管跨接前级运算放大器的反向输入端与输出端之间，完成对前级运算放大器的输出信号的负向钳位保护，将异常情况下的负向电压保护在零位以上，从而使数字信号处理器的ADC采样单元对输入信号的稳定、准确转换，信号叠加调理钳位保护电路采用一个后级运算放大器及电阻组成一个信号跟随电路，对前级输出的Vgg3信号跟随输出Vgg4信号，Vgg4信号作为最终的输出信号送至数字信号处理器的ADC采样单元进行采样，后级运算放大器输出端的一个保护二极管及电源电压信号组成一个对输出信号的正向保护电路，将异常情况下的正向电压保护在允许范围内。

如图2所示，U1是电源调整芯片REF3025，U2是集成运算放大器芯片型号为LM2904，U3是集成运算放大器芯片型号为LF353，U4是集成运算放大器芯片型号为LF353，C1至C9是电容，C1至C17是电容，D1是保护二极管型号是4148，D2是保护二极管对型号是BAV99，R1至R5是电阻。

本发明的工作原理如下：

U1电源调整芯片、C1、C2组成一个电源转换电路，将输入的+5V信号转换成+2.5V信号输出，U2、C3、C4、C5组成一个电压跟随电路，对+2.5V信号跟随输出，基于跟随电路的特性，得到一个更加稳定的输出信号Vgg1(Vgg1＝2.5V)，输出信号Vgg1作为信号叠加调理钳位保护电路的基准输入信号；R3、R4组成一个分压网络，对输入信号Vgg1分压，输出Vgg2信号,输出信号与输入信号的运算关系为：

由U3运算放大器、R1、R2组成同向与反向比例叠加电路，则输入信号Vsign、Vgg2与输出信号Vgg3之间的运算关系为：

为了便于讨论分析，举例如下：

本例的数字信号处理器DSP以TI公司的TMS320F2808为例，TMS320F2808集成一个12位的高采样ADC模块单元，其转换电压范围为0-3V(大部分微控制器所集成的ADC单元都在此范围)，因此在数字功率计的应用中，测量输入信号是经过信号调理过的交流电压或者交流电流信号，波形如图3所示，由于交流信号存在正(零位以上)负(零位以下)，对于ADC采样单元无法对负信号正确采样，需要将正负交流信号进行正向偏置于合适范围，保证交流信号全部位于零位以上且不超过ADC上限范围3V，如图4所示，由公式(2)可以看出，交流输入测量信号被正向偏置1.56V，约位于ADC采样范围的中心值1.5V处，此正向偏置值实现ADC采样范围最大化，当正向偏置高于1.5V，为保证偏置以上输入信号采样的完整性及不失真，则在一定程度上需要整体缩小信号峰峰值来满足此要求，从而损失ADC的满度转换性能，如图7所示，ADC满度为3V，此时整体采样范围只有2V(3V-1V＝2V)；同理，当正向偏置低于1.5V，为保证偏置以上输入信号采样的完整性及不失真，同样需要整体缩小信号峰峰值来满足此要求，如图8所示此时整体采样范围只有2V(2V-0V＝2V)。

D1作为一个保护二极管，在此起到关键性作用，D1连接U3运放的反向输入端与输出端之间，使U3运放的输出端信号Vgg3受U3运放的反向输入端信号Vgg5及保护二极管的管压降限制，在此D1保护管4148的钳位电压约为0.7V，由公式(1)可知Vgg5电压固定约为0.78V；由二极管的导通特性可知，若二极管需要导通，则需满足二极管两侧的压差大于管压降0.7V，有如下关系式：

Vgg5-Vgg3≥0.7 (3)

则Vgg3≤Vgg5-0.7＝0.78-0.7＝0.08V

当U3运放的输出信号Vgg3大于0.08V时，Vgg5与Vgg3之间的压差小于0.7V，保护二极管不导通，此时Vgg3信号为U3运放的实际输出电压；当U3运放的输出信号Vgg3小于0.08V时，Vgg5与Vgg3之间的压差大于0.7V，保护二极管导通，此时Vgg5与Vgg3将会被强制在二极管的导通电压上，U3运放的输出信号Vgg3被强制为Vgg5-Vgg3＝0.08V，使小于0.08V的电压信号都被钳位在0.08V左右，如图5所示，从而保证ADC采样单元的最小输入信号为正，保障ADC采样单元的正常转换。

U4运放及R5组成的电压跟随电路，对输入的Vgg3信号起到缓冲作用，U4运放跟随输出信号Vgg4作为最终进入ADC采样单元的输入信号。

电压Vgg1与D2保护管组成输出信号Vgg4的正向钳位保护电路，在此Vgg1为2.5V，当输出信号Vgg4满足Vgg4≥2.5+0.7＝3.2V时，D2保护管导通，此时较高的正向输出信号Vgg4都将被钳位在3.2V左右，当正向输出信号Vgg4低于3.2V时D2保护电路不起作用，正常输出实际值，如图6所示。

作为对比，如图9为一种传统的钳位保护电路，相对本发明所提出的保护方法，主要在于传统方法利用保护二极管D3实现对输入信号的负向保护，由二极管特性可知，此时所能保护的最小电压为钳位二极管的管压降-0.7V，低于零位以下，如图10所示，对于一些数字信号处理器的集成ADC转换单元，负电压将影响ADC单元本通道及其它通道的转换过程。

通过本发明所提出的电路，一方面可以将测量输入信号偏置于ADC的最佳采样转换范围，最大化满足ADC满度转换能力；另一方面完成对ADC输入信号的正负向保护，使ADC的输入信号值在正常范围之内，保证ADC转换单元能够实现快速、稳定转换工作；相对其他的保护方法，此方法在一定程度上节省了额外的电路开销。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (4)

1.一种用于数字功率计的采样单元偏置保护电路，其特征在于：包括电源模块、测量输入信号、基准电源输入电路、信号叠加调理钳位保护电路及信号调理跟随电路；

电源模块为基准电源输入电路、信号叠加调理钳位保护电路、信号调理跟随电路以及后级保护电路提供电源；

测量输入信号连接信号叠加调理钳位保护电路的反向输入端；

基准电源输入电路的输出信号连接信号叠加调理钳位保护电路的正向输入端；

信号调理跟随电路的输入端连接信号叠加调理钳位保护电路的输出端，信号调理跟随电路的输出端连接DSP单元的ADC采样输入端，作为最终的采样输入信号。

2.根据权利要求1所述的用于数字功率计的采样单元偏置保护电路，其特征在于：所述基准电源输入电路包括电源+5V、第一电容、第一电源调整芯片、第二电容、第一运放、第三电容、第四电容、第五电容；

第一电容的一端连接电源+5V，第一电容的一端同时连接第一电源调整芯片的第一端，第一电容的另一端连接信号地GND，第一电源调整芯片的第三端连接信号地GND，第一电源调整芯片的输出端连接第二电容的一端，同时第一电源调整芯片的输出端连接第一运放的正向输入端，第二电容的另一端连接信号地GND，第一运放的反向输入端连接第一运放的输出端，同时第一运放的输出端连接第四电容的一端、第五电容的一端，第四电容的另一端连接信号地GND，第五电容的另一端连接信号地GND，第三电容的一端连接电源+5V，第三电容的另一端连接信号地GND。

3.根据权利要求2所述的用于数字功率计的采样单元偏置保护电路，其特征在于：所述信号叠加调理钳位保护电路包括电源+5V、第一电阻、第二电阻、第一保护二级管、第三电阻、第六电容、第四电阻、第七电容、第八电容、第三运放、第五电阻、第四运放、第九电容、第二保护二极管；

第一电阻的一端连接测量输入信号，第一电阻的另一端连接第三运放的反向输入端，同时第一电阻的另一端连接第二电阻的一端、连接第一保护二极管的一端，第三运放的输出端连接第二电阻的另一端，同时第三运放的输出端连接第一保护二极管的另一端，连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接第四运放的正向输入端，第六电容的一端连接电源+5V，同时第六电容的一端连接第三电阻的一端，第六电容的另一端连接信号地GND，第三电阻的另一端连接第四电阻的一端，同时第三电阻的另一端连接第三运放的正向输入端，第四电阻的另一端连接信号地GND，第四运放的反向输入端连接第四运放的输出端，同时第四运放的输出端连接第二保护二极管的一端，并作为ADC模块的采样输入端，第二保护二极管的另一端连接第九电容的一端，同时第二保护二极管的另一端连接基准电源输入电路的输出端，第九电容的另一端连接信号地GND。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的用于数字功率计的采样单元偏置保护电路的保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基准电源输入电路负责产生一个用于信号叠加调理钳位保护电路所需要叠加的电源电压信号；

(2)基准电源输入电路的电源+5V经过第一电容滤波，接入第一电源调整芯片输入端，第一电源调整芯片的输出端产生一个稳定输出电压Vgg1,第二电容对Vgg1信号进行滤波处理，第二运放、第三电容、第四电容、第五电容组成信号跟随滤波电容，对Vgg1信号进一步稳压滤波处理送至信号叠加调理钳位保护电路部分，作为基准电压；

(3)信号叠加调理钳位保护电路负责将测量输入信号与基准电源输入电路部分的输出信号相互叠加运算，将测量输入信号偏置于一个合适直流值，保证采样信号的正负完整性而不至于被衰减；

(4)基准电压信号Vgg1通过第六电容进行滤波处理，第三电阻与第四电阻组成分压网络，对Vgg1电压信号分压得到Vgg2电压信号送至第三运放同向输入端，第一电阻、第二电阻、第三运放、第七电容、第八电容组成同向、反向比例放大电路，对测量输入信号反向比例放大与Vgg2信号同向比例放大后的信号共同作用于第三运放输出端输出Vgg3信号，第一保护二极管连接第三运放的反向输入端与输出端，使第三运放的输出端信号值Vgg3受控于反相输入端信号大小及第一保护二极管限制；第五电阻、第四运放组成跟随电路，对输入的Vgg3信号跟随输出Vgg4信号；第九电容、Vgg1信号、第二保护二极管组成正向保护电路，对Vgg4信号进行正向钳位保护，当Vgg4信号高于一定值，将对其钳位保护在正常范围，Vgg4信号作为最终的ADC采样信号输入ADC采样单元，实现高效、稳定转换。

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