CN117572068A - 宽范围电信号测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了宽范围电信号测量装置及方法。该宽范围电信号测量装置包括第一级放大电路、多路第二级放大电路、多档比较器、多选一开关、ADC模数转换器和控制器。第一级放大电路的输出端分别与多路第二级放大电路的输入端及多档比较器的输入端连接；多路第二级放大电路的输出端分别与多选一开关的多个输入端连接，多选一开关的输出端与ADC模数转换器的输入端连接，ADC模数转换器和多档比较器的输出端分别与控制器的第一和第二输入端连接，控制器的输出端与多选一开关的控制输入端连接。本发明具有较宽的电信号输入范围，可以自动将电信号放大到ADC模数转换器要求的输入电压范围内，且响应速度快，实施成本低。

Description

宽范围电信号测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电信号采样及测量技术。

背景技术

汽车执行器主要应用于汽车的空气动力管理或者热管理及优化，通常安装在汽车的进气格栅(包括内外置格栅)、扰流架或冷却水阀等总成上；汽车氛围灯安装于车内，用于照明或者氛围光调节；USB模块用于外接USB设备及为手机充电。上述这些汽车零件的电流管理非常重要，在确定的模式下通过的电流大小(特别是待机电流和极限电流大小)要满足设计要求。

待机电流过大会消耗汽车蓄电池的电能，在车辆长时间不启动的情况下，消耗电能过快会使得汽车电瓶亏电而导致无法打火，极限电流(满载电流)超出设计值则可能因为发热引起零件自燃或者超过保险丝电流导致保险丝熔断。待机电流与极限电流的大小相差很大，待机电流是uA级别，极限电流是A级别，一般的ADC模数转换器难以采集到这么大范围的信号，所以需要一种非常宽范围的电信号装置才能胜任。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种宽范围电信号测量装置及方法，其具有较宽的电信号输入范围，可以自动将电信号放大到ADC模数转换器要求的输入电压范围内，且响应速度快，实施成本低。

根据本发明的第一方面，本发明实施例提供了一种宽范围电信号测量装置，包括第一级放大电路、多路第二级放大电路、多档比较器、多选一开关、ADC模数转换器和控制器；第一级放大电路的输入端用于接收目标电信号，第一级放大电路的输出端分别与多路第二级放大电路的输入端、以及多档比较器的输入端连接；多路第二级放大电路具有不同的放大倍数，多路第二级放大电路的输出端一一对应地分别与多选一开关的多个输入端连接，多选一开关的输出端与ADC模数转换器的输入端连接，多选一开关用于选择性地将其中一路第二级放大电路的输出信号传送给ADC模数转换器；ADC模数转换器的输出端与控制器的第一输入端连接；多档比较器的输出端与控制器的第二输入端连接，多档比较器用于将第一级放大电路的输出信号与多个不同的参考电压分别进行比较，并将比较结果发送给控制器；控制器的输出端与多选一开关的控制输入端连接，控制器用于根据多档比较器的比较结果控制多选一开关的工作状态。

根据本发明的第二方面，本发明实施例提供了一种宽范围电信号测量方法，包括以下步骤：

目标电信号经第一级放大电路放大后，分别输出至多档比较器和多路第二级放大电路，多路第二级放大电路具有不同的放大倍数；

多档比较器将第一级放大电路的输出信号与多个不同的参考电压分别进行比较，并将比较结果发送给控制器；

控制器根据多档比较器的比较结果控制多选一开关的工作状态，以使得多选一开关将符合ADC模数转换器的输入电压范围的其中一路第二级放大电路的输出信号传送给ADC模数转换器；

ADC模数转换器将采集的电信号后转换为数字信号后输出给所述控制器；

控制器根据多档比较器的比较结果确定目标电信号被放大的倍数，根据ADC模数转换器的输出信号和确定的放大倍数计算出目标电信号的大小。

本发明至少具有以下优点：

1、具有非常宽的电信号输入范围，可以自动将电信号放大到ADC模数转换器要求的输入电压范围内；由于本发明实施例设置了多路第二级放大电路，每路对应不同的放大倍数，因此所接收的被测电信号的范围非常宽泛；

2、高响应性。输入ADC模数转换器的信号是经过多档比较器比较后控制多选一开关自动切入的，切入速度快；

3、测量成本低。输入的电压信号大小变化时，多档比较器输出对应于信号范围的电平，控制多选一开关将对应的经过二级放大的信号接入ADC模数转换器的输入端，ADC模数转换器将电信号转化为数字信号传递给控制器，控制器根据多档比较器的电平信号可判断出是哪路信号进入的ADC模数转换器，计算出真实的输入信号大小。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的宽范围电信号测量装置的电路框图。

图2示出了根据本发明实施例的宽范围电信号测量装置的电路原理图。

图3示出了根据本发明一具体实施方式的宽范围电信号测量装置的具体电路结构。

图4示出了型号为LM339的多档比较器的引脚图。

图5示出了型号为CD4051B的多选一开关的引脚图。

图6示出了型号为CD4051B的多选一开关的真值表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1示出了根据本发明实施例的宽范围电信号测量装置的电路框图。如图1所示，根据本发明实施例的宽范围电信号测量装置包括第一级放大电路1、多路第二级放大电路2、多档比较器3、多选一开关4、ADC模数转换器5和控制器6。

第一级放大电路1的输入端用于接收目标电信号，第一级放大电路1的输出端分别与多路第二级放大电路2的输入端、以及多档比较器3的输入端连接。该目标电信号为电压信号，其是被测的电压信号，或者是被测的电流信号通过转换而得到的电压信号。

多路第二级放大电路2具有不同的放大倍数，多路第二级放大电路2的输出端一一对应地分别与多选一开关4的多个输入端连接，多选一开关4的输出端与ADC模数转换器5的输入端连接，多选一开关4用于选择性地将其中一路第二级放大电路2的输出信号传送给ADC模数转换器5。ADC模数转换器5的输出端与控制器6的第一输入端连接。

多档比较器3的输出端与控制器6的第二输入端连接，多档比较器3用于将第一级放大电路1的输出信号与多个不同的参考电压分别进行比较，并将比较结果发送给控制器6。

控制器6的输出端与多选一开关4的控制输入端连接，控制器6用于根据多档比较器3的比较结果控制多选一开关4的工作状态，以使得输入至ADC模数转换器5的电信号的电压大小符合ADC模数转换器5的输入电压范围。

进一步地，控制器6还用于根据多档比较器3的比较结果确定目标电信号被放大的倍数，并根据ADC模数转换器5的输出信号和确定的放大倍数计算出目标电信号的大小。

在本实施例中，多档比较器3用于在第一级放大电路1的输出信号处于不同的参考电压范围时分别产生不同的电平信号，将电平信号作为比较结果发送给控制器6。

图2示出了根据本发明实施例的宽范围电信号测量装置的电路原理图，请结合图2所示。在本实施例中，第一级放大电路1以及多路第二级放大电路2分别由运放放大电路组成。控制器6为MCU。目标电信号经过第一级放大电路1放大后，进入多档比较器3和第二级放大电路2中，多档比较器3将输入信号与对应等级的基准信号进行比较，在基准信号某个范围则对应的IO输出有效电平，其余IO输出无效电平。IO电平输入到MCU6中，MCU6控制多选一开关4将IO信号对应的一路经过第二级放大电路2放大的信号与ADC模数转换器5导通，ADC模数转换器5将电信号转换成数字信号输出给MCU6，MCU6同时读取IO信号和ADC模数转换器的数字信号，将ADC模数转换器数字信号换算成真实的输入信号大小。

多档比较器3的响应速度非常快，对于常规的采集速率来说几乎没有延迟。如图2所示，第一级放大电路1放大后的电压信号V0输入到多档比较器3和第二级放大电路2中，图中仅给出两路第二级放大电路，实际使用时可以包含多路，路数根据实际需求定。V0信号一旦达到多档比较器3的某个电压区间，多档比较器3的IO输出电平信号会立即动作，MCU6控制多选一开关4将对应的一路经第二级放大电路2放大的信号与ADC模数转换器5导通，ADC模数转换器5只管采集该电压大小(Vn)，数据的换算在MCU中完成。MCU同时读取ADC模数转换器的数字信号和多档比较器的IO值，IO值对应着放大电路的放大倍数，除以放大倍数即得到真实的输入信号大小。

图3示出了根据本发明一具体实施方式的宽范围电信号测量装置的具体电路结构，以下结合图3对该具体实施方式的电路结构以及工作原理进行详细说明。在该具体的实施方式中，第一级放大电路1由型号为LT1217的放大器芯片U7构成，第二级放大电路2的数量为两路，其中一路由型号为LT1217的放大器芯片U3构成，另一路由型号为LT1217的放大器芯片U5构成，U3、U5的放大倍数不同。多档比较器3由型号为LM339的比较器芯片U6构成，LM339的比较器芯片U6内部具有四个独立的电压比较器。多选一开关4由型号为CD4051B的芯片U2构成。控制器6由型号为ATtiny26L-8SI的单片机(MCU)U4构成，单片机U4有内置的ADC模数转换器(即ADC模数转换器5被集成在单片机内)，对应图2的MCU加ADC模数转换器部分。本实施方式中，单片机U4的PA0引脚被配置为ADC模数转换器输入引脚，PA1-PA5被配置为IO引脚。

被测的电流信号I(1uA-1A)通过电阻R100由电流信号转换为电压信号(目标电信号)，经过芯片U7构成的第一级放大电路放大，输出信号分别输入由芯片U6构成的多档比较器和由芯片U3、芯片U5组成的第二级放大电路中，第二级放大电路输出到由芯片U2构成的多选一开关中。

型号为LT1217的芯片U7是一个反向放大器，在比较器芯片U6(型号为LM339)中，U7的输出信号与基准电压(REF_-10V)产生的分压做比较。基准电压(REF_-10V)经过电阻R12、R14、R15的分压网络得到分级的比较电压信号。分级的比较电压信号输入到比较器芯片U6中，并和放大器芯片U7输出的电压信号进行比较。

比较器芯片U6输出的结果为高低电平信号，传递给单片机U4，单片机U4根据输入的信号输出3路电平信号以控制芯片U2(CD4051B)的控制引脚，三个电平信号通过芯片U2内部的译码器，将0-7共计8个IO信号中的一个与公共口COM OUT/IN导通，即可以选择接入8个引脚中唯一一个引脚，并将信号导入到单片机的ADC模数转换器采集引脚中。如此便达到：输入信号经过第一级放大电路后，通过比较器芯片得到换挡信号给单片机，单片机控制多选一开关，将第二级放大电路对应的放大电信号连接到ADC模数转换器中进行采集的目的。

具体地说，比较器芯片U6的输出分为以下三档：

当U7的输出电压大于-10mV的时候，比较器芯片U6的通道1输出低电平，通道2输出低电平，此情况下被测的电流信号为小于2000uA；

当U7的输出电压介于-5V到-10mV之间的时候，比较器芯片U6的通道1输出高电平，通道2输出低电平，此情况下被测的电流信号为2000uA～1A之间；

当U7的输出电压小于-5V的时候，比较器芯片U6的通道1、通道2均输出高电平，此情况下被测的电流信号大于1A。

比较器芯片U6的通道1和通道2的结果均输出给单片机U4，单片机U4根据比较器芯片U6的电平信号，通过其IO口控制芯片U2(型号为CD4051B)的通道接入，其接入通道可通过图6所示的真值表得出。

比较器芯片U6的通道1和2输出00，表示第一级放大电路大于-10mV,对应输入电流小于2000uA档，需要将第二路第二级放大电路U5的输出接入，单片机U4控制芯片U2的信号A、B、C为1、0、0，即通道1导通；比较器芯片U6的通道1和2输出10或11，表示第一级放大电路小于-10mV,对应输入电流大于2000uA档，需要将第一路第二级放大电路U3的输出接入，单片机U4控制芯片U2的信号A、B、C为0、0、0，即通道0导通；第二路第二级放大电路U5将第一级放大器的输出信号再反向放大-500倍，相应地，第一路第二级放大电路U3的放大倍数为-0.5倍。二级放大的目的是把电压调整到ADC模数转换器的输入电压范围以内。在本实施方式中，ADC模数转换器的输入电压范围是0V～5V。

当输入信号小于2000uA时，第一级放大电路输出信号为0到-10mV，经过第二路第二级放大电路U5放大后得到电压范围为0～5V，在此范围ADC模数转换器收到的电压信号是单片机U4控制芯片U2后的第二路第二级放大电路的输出；

当输入信号处于2000uA～1A之间时，第一级放大电路输出信号为-10mV到-5V,经过第一路第二级放大电路U3放大后得到电压范围为5mv到2.5V，在此范围ADC模数转换器收到的电压信号是单片机U4控制芯片U2后的第一路第二级放大电路的输出；

当输入信号大于1A时，第一级放大电路输出信号为小于-5V,经过第二路第二级放大电路U5放大后得到电压范围大于2.5V，在此范围ADC模数转换器收到的电压信号是单片机U4控制芯片U2后的第一路第二级放大电路的输出。

第二路第二级放大电路的输出的信号被放大了-10*-500＝5000倍，ADC模数转换器采集到的数据换算出的结果除以5000得到真实的输入电流大小。

第一路第二级放大电路的输出的信号被放大的倍数为：-10*-0.5＝5倍，ADC模数转换器采集到的数据换算出的结果除以5得到真实的输入电流大小。

放大倍数根据比较器芯片U6输出到单片机芯片U4的IO电平确定，当比较器芯片U6的通道1和2输出00，表示使用5000倍放大档，当比较器芯片U6的通道1和2输出10或11时，表示使用5倍放大档。

以上具体实施方式是以设置两路第二级放大电路为例，在其它的实施方式中，第二级放大电路的数量也可以是两路以上。本实施方式中采样电阻R100的大小为0.5R(即500毫欧)，但不限于此，其大小可以根据实际情况配置，去掉该采样电阻，本实施例的测量电路也可用于宽范围电压信号的采集。

根据本发明又一实施例的宽范围电信号测量方法，包括以下步骤：

被测的电信号经第一级放大电路放大后，分别输出至多档比较器和多路第二级放大电路，该多路第二级放大电路具有不同的放大倍数；

多档比较器将第一级放大电路的输出信号与多个不同的参考电压分别进行比较，并将比较结果发送给控制器；

控制器根据多档比较器的比较结果控制多选一开关的工作状态，以使得多选一开关将符合ADC模数转换器的输入电压范围的其中一路第二级放大电路的输出信号传送给ADC模数转换器；

ADC模数转换器将采集的电信号后转换为数字信号后输出给控制器；

控制器根据多档比较器的比较结果确定目标电信号被放大的倍数，根据ADC模数转换器的输出信号和确定的放大倍数计算出目标电信号的大小。

本发明实施例具有非常宽的电信号输入范围，可以自动将电信号放大到ADC模数转换器要求的输入电压范围内，放大倍数取决于第一级放大电路及其第二级放大电路的放大倍数的乘积，不仅可以设计成放大倍数大于1倍的，还能设计成小于1倍的。由于设置了多路第二级放大电路，每路对应不同的放大倍数，因此整个测量范围非常宽。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种宽范围电信号测量装置，其特征在于，包括第一级放大电路、多路第二级放大电路、多档比较器、多选一开关、ADC模数转换器和控制器；

所述第一级放大电路的输入端用于接收目标电信号，所述第一级放大电路的输出端分别与多路第二级放大电路的输入端、以及多档比较器的输入端连接；

所述多路第二级放大电路具有不同的放大倍数，多路第二级放大电路的输出端一一对应地分别与所述多选一开关的多个输入端连接，所述多选一开关的输出端与所述ADC模数转换器的输入端连接，多选一开关用于选择性地将其中一路第二级放大电路的输出信号传送给所述ADC模数转换器；

所述ADC模数转换器的输出端与所述控制器的第一输入端连接；

所述多档比较器的输出端与所述控制器的第二输入端连接，所述多档比较器用于将所述第一级放大电路的输出信号与多个不同的参考电压分别进行比较，并将比较结果发送给所述控制器；

所述控制器的输出端与所述多选一开关的控制输入端连接，所述控制器用于根据所述多档比较器的比较结果控制所述多选一开关的工作状态。

2.根据权利要求1所述的宽范围电信号测量装置，其特征在于，所述控制器用于根据多档比较器的比较结果确定目标电信号被放大的倍数，根据ADC模数转换器的输出信号和确定的放大倍数计算出目标电信号的大小。

3.根据权利要求1或2所述的宽范围电信号测量装置，其特征在于，所述多档比较器用于在所述第一级放大电路的输出信号处于不同的参考电压范围时分别产生不同的电平信号，将所述电平信号作为比较结果发送给所述控制器。

4.根据权利要求1所述的宽范围电信号测量装置，其特征在于，所述ADC模数转换器被集成在所述控制器内。

5.根据权利要求1或4所述的宽范围电信号测量装置，其特征在于，所述控制器为MCU。

6.一种宽范围电信号测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

目标电信号经第一级放大电路放大后，分别输出至多档比较器和多路第二级放大电路，所述多路第二级放大电路具有不同的放大倍数；

所述多档比较器将所述第一级放大电路的输出信号与多个不同的参考电压分别进行比较，并将比较结果发送给所述控制器；

控制器根据所述多档比较器的比较结果控制多选一开关的工作状态，以使得所述多选一开关将符合ADC模数转换器的输入电压范围的其中一路第二级放大电路的输出信号传送给ADC模数转换器；

ADC模数转换器将采集的电信号后转换为数字信号后输出给所述控制器；

所述控制器根据多档比较器的比较结果确定目标电信号被放大的倍数，根据ADC模数转换器的输出信号和确定的放大倍数计算出目标电信号的大小。

7.根据权利要求6所述的宽范围电信号测量方法，其特征在于，所述多档比较器在第一级放大电路的输出信号处于不同的参考电压范围时分别输出不同的电平信号，将所述电平信号作为比较结果发送给所述控制器。

8.根据权利要求6所述的宽范围电信号测量方法，其特征在于，所述ADC模数转换器被集成在所述控制器内。

9.根据权利要求6或8所述的宽范围电信号测量方法，其特征在于，所述控制器为MCU。