CN116718814B - 切换电路及应用该切换电路进行电流电压电阻测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切换电路及应用该切换电路进行电流电压电阻测量的方法，属于电子测量技术领域。所述切换电路包括恒流源电路，用于输出检测直流电流；开关电路，与所述恒流源电路连接，所述开关电路至少具有一路电流检测通路、一路电压检测通路以及一路电阻检测通路；主控端，与所述开关电路相连接，用于控制开关电路在各路检测通路之间进行选通控制。本发明通过使用低成本的电子模拟开关，用恒流源控制相应测量电路，显著降低了设备型号种类，减少了生产管理成本。

Description

切换电路及应用该切换电路进行电流电压电阻测量的方法

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，更具体地说，涉及一种切换电路及应用该切换电路进行电流电压电阻测量的方法。

背景技术

工业自动化中需要测量各种状态，就要用到传感器或变送器，有些传感器就是一个可变电阻，输出电阻信号，变送器是能输出标准信号的传感器，有电压输出型变送器，电流输出型变送器。在自动化系统设计完成之前对于需要测量所使用的传感器或变送器型号未确定之时输出类型未知。

在工业自动化中有时需要测量一路信号为电压、电流、电阻中的一种，生产设备时需要分别生产不同的型号，在使用时如果改变了测量信号的种类则需要更换设备，操作十分繁琐。本专利设计了一种无机械式开关的低成本的可用软件来配置测量信号类型的电子线路，显著降低了设备型号种类，减少生产管理成本。同时使用时允许更改测量类型，避免重复订货降低使用成本。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种切换电路及应用该切换电路进行电流电压电阻测量的方法，通过使用低成本的电子模拟开关，用恒流源控制相应测量电路，显著降低了设备型号种类，减少了生产管理成本；同时使用时允许更改测量类型，避免重复订货降低使用成本。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

切换电路，包括：

恒流源电路，用于输出检测直流电流；

开关电路，与所述恒流源电路连接，所述开关电路至少具有一路电流检测通路、一路电压检测通路以及一路电阻检测通路；

主控端，与所述开关电路相连接，用于控制开关电路在各路检测通路之间进行选通控制。

优选的，所述主控端通过输出切换信号至所述开关电路，以控制所述开关电路进行工作，实现所述开关电路在各路检测通路之间的选通控制；

所述切换信号包括第一切换信号、第二切换信号及第三切换信号；所述开关电路包括多选一模拟开关；

所述多选一模拟开关具有至少三组输入端，三组输入端分别连接电流检测通路、电压检测通路以及电阻检测通路；

所述多选一模拟开关具有输出端，所述输出端与主控端连接，用于将选通的检测通路的检测结果输出给所述主控端；

所述多选一模拟开关具有受控端，所述受控端与主控端连接，所述受控端接收主控端的切换信号，根据不同切换信号的指令，控制恒流源电路输出的直流电流流经电流检测电路、电压检测电路或电阻检测电路，实现对电流检测电路、电压检测电路以及电阻检测电路的选通控制。

优选的，所述多选一模拟开关采用4选1双通道开关CD4052实现；

所述4选1双通道开关CD4052具有四个地址输入端，所述电流检测通路、电压检测通路、以及电阻检测通路分别与其中一个地址输入端相连接；所述开关电路还具有一路电阻标准通路，所述电阻标准通路与余下的一个地址输入端相连接；

所述4选1双通道开关CD4052具有一输出端，所述输出端连接主控端的模数转换器ADC。

优选的，所述电压检测通路包括串联的电阻R2和电阻R4；其中，所述电阻R2和电阻R4的公共端连接4选1双通道开关CD4052的输入端X2，所述电阻R2的非公共端接入输入测量信号，所述电阻R4的非公共端接地；

所述电流检测通路包括场效应管Q1、电阻R3、电阻R5；其中，所述电阻R5的一端分别连接场效应管Q1的栅极以及4选1双通道开关CD4052的电流通道Y1，所述电阻R5的另一端连接于场效应管Q1的漏极并接地，所述电阻R3的其中一端连接于场效应管Q1的源极，所述电阻R3的另一端连接接入输入测量信号，并同时与4选1双通道开关CD4052的输入端X1相连接；

所述4选1双通道开关CD4052的输入端X0直接接入输入测量信号，以构成所述电阻检测通路；

所述电阻标准通路包括电阻R6，所述电阻R6其中一端接地，另一端分别连接4选1双通道开关CD4052的电流通道Y3以及输入端X3；

所述4选1双通道开关CD4052的电流通道Y0直接接入输入测量信号，电流通道Y与恒流源电路相连接，输出端X与主控端的模数转换器ADC相连接。

优选的，所述恒流源电路输出的检测直流电流为2mA。

本申请还提供了一种电路切换方法，应用于主控端，用于使用如上所述的切换电路进行电流电压电阻的测量，所述方法包括：

根据输入测量信号的类型，输出不同切换信号至开关电路，以控制开关电路在各路检测通路之间进行选通控制，使得恒流源电路输出的检测直流电流只流向部分检测通路，以测量对应类型的输入测量信号；

所述输入测量信号的类型为电流、电压或电阻中的一种；

所述检测通路至少包括电流检测通路、电压检测通路以及电阻检测通路。

优选的，其具体包括：

若所述输入测量信号为电流量，所述主控端通过输出第一切换信号至所述开关电路，以分别接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y1、输出端X、以及输入端X1；

若所述输入测量信号为电压量，所述主控端通过输出第二切换信号至所述开关电路，以分别接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y2、输出端X、以及输入端X2；

若所述输入测量信号为电阻量，所述主控端通过输出第三切换信号至所述开关电路，首先接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y3、输出端X、以及输入端X3，再接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y0、输出端X、以及输入端X0。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明使用低成本的模拟开关来控制恒流源电流流过不同的电路部分来测量不同的信号输入类型，电流部分和电阻部分通过选控可以完全起效和关闭，相互独立，电压部分输入阻抗大，不影响其他部分测量精度，相较于现有技术，本申请中的一种切换电路及应用该切换电路进行电流电压电阻测量的方法，显著降低了设备型号种类，减少了生产管理成本；同时使用时允许更改测量类型，避免重复订货降低使用成本。

附图说明

图1为本申请其中一具体实施方式中的一种切换电路电路图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

如图1所示， 作为本申请其中一个实施例，提供一种切换电路，所述切换电路包括恒流源电路、开关电路以及主控端。

所述恒流源电路主要用于输出检测直流电流。本实施例中，所述恒流源电路包括：集成芯片U1、电阻R1。其中，集成芯片U1具有电源输入端V+、电源输出端V-、电流设定端RSET；实际使用时，电源输入端V+连接电源，电源输出端V-连接信号传输线；电流设定端RSET和电源输出端V-之间连接电阻R1。在另一个实施例中，集成芯片U1的型号为LM334M。LM334M为单片集成芯片，该集成芯片LM334用于提供恒流源电。

一个实施例中，所述恒流源电路输出的检测直流电流为2mA。

所述开关电路与所述恒流源电路连接，所述开关电路至少具有一路电流检测通路、一路电压检测通路以及一路电阻检测通路。

所述主控端与所述开关电路相连接，所述主控端用于控制开关电路在各路检测通路之间进行选通控制。

一个实施例中，所述主控端通过输出切换信号至所述开关电路，以控制所述开关电路进行工作，实现所述开关电路在各路检测通路之间的选通控制，所述切换信号包括第一切换信号、第二切换信号及第三切换信号。

对开关电路而言，所述开关电路包括多选一模拟开关，其中，所述多选一模拟开关具有至少三组输入端，三组输入端分别连接电流检测通路、电压检测通路以及电阻检测通路；所述多选一模拟开关具有输出端，所述输出端与主控端连接，用于将选通的检测通路的检测结果输出给所述主控端；所述多选一模拟开关具有受控端，所述受控端与主控端连接，所述受控端接收主控端的切换信号，根据不同切换信号的指令，控制恒流源电路输出的直流电流流经电流检测电路、电压检测电路或电阻检测电路，实现对电流检测电路、电压检测电路以及电阻检测电路的选通控制。

更具体的实施例中，所述多选一模拟开关采用4选1双通道开关CD4052实现。所述4选1双通道开关CD4052具有四个地址输入端，所述电流检测通路、电压检测通路、以及电阻检测通路分别与其中一个地址输入端相连接；所述开关电路还具有一路电阻标准通路，所述电阻标准通路与余下的一个地址输入端相连接；所述4选1双通道开关CD4052具有一输出端，所述输出端连接主控端的模数转换器ADC。

一个具体的实施例中，所述电压检测通路包括串联的电阻R2和电阻R4；所述电阻R2的阻值为1MΩ，所述电阻R4的阻值为200KΩ，以保证较大输入阻抗。其中，所述电阻R2和电阻R4的公共端连接4选1双通道开关CD4052的输入端X2，所述电阻R2的非公共端接入输入测量信号，所述电阻R4的非公共端接地。

所述电流检测通路包括场效应管Q1、电阻R3、电阻R5；其中，所述电阻R5的一端分别连接场效应管Q1的栅极以及4选1双通道开关CD4052的电流通道Y1，所述电阻R5的另一端连接于场效应管Q1的漏极并接地，所述电阻R3的其中一端连接于场效应管Q1的源极，所述电阻R3的另一端连接接入输入测量信号，并同时与4选1双通道开关CD4052的输入端X1相连接。

所述4选1双通道开关CD4052的输入端X0直接接入输入测量信号，以构成所述电阻检测通路。

所述电阻标准通路包括电阻R6，所述电阻R6其中一端接地，另一端分别连接4选1双通道开关CD4052的电流通道Y3以及输入端X3。值得说明的是，如果恒流源电流I是已知且稳定不变,那么可以不需要设置电阻标准通路,R=V0/I；若恒流源电流I未知且不稳定，直接用理论数值不满足测量精度要求，且有温漂。因此本申请中设置电阻标准通路，用比例法测电阻，相同电流流过不同的电阻产生不同电压，电压之比等于电阻之比，R= R6 * V0/V3,R6是参考标准，这样可以把恒流源的误差，温漂排除掉。

所述4选1双通道开关CD4052的电流通道Y0直接接入输入测量信号，电流通道Y与恒流源电路相连接，输出端X与主控端的模数转换器ADC相连接。

一个实施例中，提供了一种电路切换方法，应用于主控端，用于使用如上所述的切换电路进行电流电压电阻的测量，所述方法包括：

根据输入测量信号的类型，输出不同切换信号至开关电路，以控制开关电路在各路检测通路之间进行选通控制，使得恒流源电路输出的检测直流电流只流向部分检测通路，以测量对应类型的输入测量信号；

所述输入测量信号的类型为电流、电压或电阻中的一种；

所述检测通路至少包括电流检测通路、电压检测通路以及电阻检测通路。

一个更具体的实施例中，若所述输入测量信号为电流量，所述主控端通过输出第一切换信号至所述开关电路，以分别接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y1、输出端X、以及输入端X1。

此时，恒流经电流通道Y1流过电阻R5，并在电阻R5上产生一个电压使场效应管Q1导通，输入电流信号通过电阻R2、电阻R4并联电阻R3、场效应管Q1转换为电压V1，其中，电压V1的数值由可以由主控端MCU测算得到；电压V1经过输入端X1至输出端X输出，场效应管Q1在此条件下导通电阻Ron小于13.5mΩ，这里取13.5mΩ，则所测电流I

= V1 / {1/[1/(R3+Ron)+1/(R2+R4)]}

= V1 / {1/[1/(100+0.0135)+1/(1000000+200000)]}

= V1 / 100.0

= V1 / R3，其中，R2、R4、Ron在测量精度允许范围内可忽略。

若所述输入测量信号为电压量，所述主控端通过输出第二切换信号至所述开关电路，以分别接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y2、输出端X、以及输入端X2；此时输入电压信号通过电阻R2、电阻R4串联分压后为V2，V2的数值可以由主控端MCU测算得到，V2经过输入端X2至输出端X输出，所测电压V= V2 * (R2+R4)/R4。

若所述输入测量信号为电阻量，所述主控端通过输出第三切换信号至所述开关电路，首先接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y3、输出端X、以及输入端X3，此时恒流经Y3流过R6在R6上的电压V3（数值可由主控端MCU测算得到）经过输入X3至输出X输出，再接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y0、输出端X、以及输入端X0；此时恒流经电流通道Y0流过被测电阻R并联R2、R4上的电压为V0（同理V0数值由可由主控端MCU测算得到）经过输入端X0至输出端X输出，因为此电路测量电阻R的范围小于5V/2Ma = 2.5KΩ，所以被测电阻并联的R2+R4=1.2MΩ对精度没有影响，计算可忽略，由于相同的电流流过R6和被测电阻R，故V3/R6 = V0/R，所测电阻R= R6 * V0/V3。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.切换电路，其特征在于：包括：

恒流源电路，用于输出检测直流电流；

开关电路，与所述恒流源电路连接，所述开关电路具有一路电流检测通路、一路电压检测通路以及一路电阻检测通路以及一路电阻标准通路；

主控端，与所述开关电路相连接，用于控制开关电路在各路检测通路之间进行选通控制；

所述主控端通过输出切换信号至所述开关电路，以控制所述开关电路进行工作，实现所述开关电路在各路检测通路之间的选通控制；

所述切换信号包括第一切换信号、第二切换信号及第三切换信号；所述开关电路包括多选一模拟开关，所述多选一模拟开关采用4选1双通道开关CD4052实现；

所述多选一模拟开关具有至少三组输入端，三组输入端分别连接电流检测通路、电压检测通路以及电阻检测通路；

所述多选一模拟开关具有输出端，所述输出端与主控端连接，用于将选通的检测通路的检测结果输出给所述主控端；

所述多选一模拟开关具有受控端，所述受控端与主控端连接，所述受控端接收主控端的切换信号，根据不同切换信号的指令，控制恒流源电路输出的直流电流流经电流检测电路、电压检测电路或电阻检测电路，实现对电流检测电路、电压检测电路以及电阻检测电路的选通控制；

所述电压检测通路包括串联的电阻R2和电阻R4；其中，所述电阻R2和电阻R4的公共端连接4选1双通道开关CD4052的输入端X2，所述电阻R2的非公共端接入输入测量信号，所述电阻R4的非公共端接地；

所述电流检测通路包括场效应管Q1、电阻R3、电阻R5；其中，所述电阻R5的一端分别连接场效应管Q1的栅极以及4选1双通道开关CD4052的电流通道Y1，所述电阻R5的另一端连接于场效应管Q1的漏极并接地，所述电阻R3的其中一端连接于场效应管Q1的源极，所述电阻R3的另一端连接接入输入测量信号，并同时与4选1双通道开关CD4052的输入端X1相连接；

所述4选1双通道开关CD4052的输入端X0直接接入输入测量信号，以构成所述电阻检测通路；

所述电阻标准通路包括电阻R6，所述电阻R6其中一端接地，另一端分别连接4选1双通道开关CD4052的电流通道Y3以及输入端X3；

所述4选1双通道开关CD4052的电流通道Y0直接接入输入测量信号，电流通道Y与恒流源电路相连接，输出端X与主控端的模数转换器ADC相连接；

若测量信号为电流信号，输入电流信号通过电阻R2、电阻R4并联电阻R3、场效应管Q1转换为电压V1；

若测量信号为电压信号，输入电压信号通过电阻R2、电阻R4串联分压后为V2；

若测量信号为电阻信号，恒流源电路输出的检测直流电流经电流通道Y0流过被测电阻R并联R2、R4上的电压为V0。

2.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于：所述多选一模拟开关采用4选1双通道开关CD4052实现；

所述4选1双通道开关CD4052具有四个地址输入端，所述电流检测通路、电压检测通路、以及电阻检测通路分别与其中一个地址输入端相连接；所述电阻标准通路与余下的一个地址输入端相连接；

所述4选1双通道开关CD4052具有一输出端，所述输出端连接主控端的模数转换器ADC。

3.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于：所述恒流源电路输出的检测直流电流为2mA。

4.一种电路切换方法，应用于主控端，用于使用权利要求2~3任一项所述的切换电路进行电流电压电阻的测量，其特征在于：所述方法包括：

根据输入测量信号的类型，输出不同切换信号至开关电路，以控制开关电路在各路检测通路之间进行选通控制，使得恒流源电路输出的检测直流电流只流向部分检测通路，以测量对应类型的输入测量信号；

所述输入测量信号的类型为电流、电压或电阻中的一种；

所述检测通路至少包括电流检测通路、电压检测通路以及电阻检测通路。

5.根据权利要求4所述的一种电路切换方法，其特征在于：其具体包括：

若所述输入测量信号为电流量，所述主控端通过输出第一切换信号至所述开关电路，以分别接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y1、输出端X、以及输入端X1；

若所述输入测量信号为电压量，所述主控端通过输出第二切换信号至所述开关电路，以分别接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y2、输出端X、以及输入端X2；

若所述输入测量信号为电阻量，所述主控端通过输出第三切换信号至所述开关电路，首先接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y3、输出端X、以及输入端X3，再接通4选1双通道开关CD4052的电流通道Y、Y0、输出端X、以及输入端X0。