CN203984398U - 用于数字多用表的模数转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及模数转换技术领域，具体涉及用于数字多用表的模数转换器，其能够对交流电压、直流电压进行转换。整个转换器的框架为被检测电压、正基准电压、负基准电压进行积分运算，然后用模数转换器测量积分波形，通过反馈来控制正基准电压、负基准电压相对应开关的开关时间来控制积分的波形。可以同时实现交流电压信号、直流电压信号的模数转换；精度可以达到六位半数字多用表的使用要求；在同等精度的条件下，转换速度比同等的模数转换集成电路要快；能进行各种种类的交流信号的真有效值转换；实现的电路简单，所用的集成电路都可以国产化，价格低廉。

Description

用于数字多用表的模数转换器

技术领域

本实用新型涉及模数转换技术领域，具体涉及用于数字多用表的模数转换器，其能够对交流电压、直流电压进行转换。

背景技术

数字多用表需要同时测量交流、直流信号，因为传统数字多用表中的模数转换器无法进行交流的真有效值测量，所以数字多用表一般需要采用两套独立的模数转换器来实现交流和直流的测量。测量直流电压需要采用高精度的模数转换器集成电路，价格昂贵，高精度的测试速度慢，并且所用的集成电路无法国产化。测量交流信号的真有效值需要使用专门的真有效值转换集成电路，比如AD637，价格昂贵，需要进口，而且精度和速度都不高，并且只能进行标准正弦波的真有效值转换，如果不是正弦波或者正弦波有畸变，转换出来的真有效值会有误差。

实用新型内容

针对上述的技术问题，本实用新型的目的在于提供用于数字多用表的模数转换器，可以同时实现交流电压信号、直流电压信号的模数转换；精度可以达到六位半数字多用表的使用要求；在同等精度的条件下，转换速度比同等的模数转换集成电路要快；能进行各种种类的交流信号的真有效值转换；实现的电路简单，所用的集成电路都可以国产化，价格低廉。

实现本实用新型的发明目的技术方案如下：

用于数字多用表的模数转换器，包括用于接入交流或直流被检测电流的检测输入端，用于输入基准电压的正基准电压输入端和负基准电压输入端，以及第一电容、第二运算放大器、第一模数转换器、第二模数转换器和数字逻辑器件；

所述检测输入端通过第一电阻、第一开关连接数字逻辑器件，正基准电压输入端通过第二电阻、第二开关与数字逻辑器件连接，负基准电压输入端通过第三电阻、第三开关与数字逻辑器件连接，第一开关、第二开关、第三开关由数字逻辑器件控制打开或关断；

所述第一电容的一端、第二运算放大器的输入端并接第一开关、第二开关、第三开关，第一电容的另一端、第二运算放大器的输出端并接后连接第一模数转换器、第二模数转换器；所述第一模数转换器、第二模数转换器将采集的数据传输给数字逻辑器件且与数据逻辑器件中的数据进行交换。

采用了上述方案，整个转换器的框架为被检测电压、正基准电压、负基准电压进行积分运算，然后用模数转换器测量积分波形，通过反馈来控制正基准电压、负基准电压相对应开关的开关时间来控制积分的波形。本技术方案在于，创造了一种高精度、高速度、可同时用于测试直流电压和交流真有效值的数据转换电路。测试直流电压的精度可满足六位半精度数字多用表的需求，比同等精度的集成电路成本低，速度快。可以测试交流信号的真有效值，比现有真有效值转换集成电路有更好的精度和速度优势，最重要的是能测试各种形状的交流信号真有效值，能满足电力上对畸变交流电压的真有效值测量。本模数转换器可以同时替代国外高精度的数模转换集成电路和真有效值转换集成电路。

进一步地，所述第一开关、第二开关、第三开关与第二运算放大器之间连接有稳定电路，该稳定电路包括第一运算放大器、第五电阻、第六电阻、以及用于保护第二运算放大器的保护电路，第一运算放大器的反相输入端并接第一开关、第二开关、第三开关，同相输入端接地，第一运算放大器的输出端串接第五电阻，第五电阻并接保护电路、第六电阻后与第二运算放大器的反相输入端连接，第二运算放大器的同相输入端连接保护电路的另一端。

所述第二运算放大器与第一模数转换器、第二模数转换器之间连接有限幅保护电路，限幅保护电路包括串接在第二运算放大器输出端与第二模数转换器之间的第七电阻、第二稳压二极管，以及并接在第二模数转换器与第二稳压二极管之间的第九电阻、第三稳压二极管和第十电阻，所述第三稳压二极管和第十电阻串接。

所述第二模数转换器之前连接有电压跟随器，其包括第六运算放大器、第十一电阻，第六运算放大器的反相输入端串接第十一电阻后与第六运算放大器的输出端连接第二模数转换器，第六运算放大器的同相输入端连接第二运算放大器的输出端。

附图说明

图1为本实用新型模数转换器的电路原理图；

图2为待测电压输入为零时，运算放大器输出电压的波形图；

图3为待测电压输入为正时，运算放大器输出电压的波形图；

图4为待测电压输入为负时，运算放大器输出电压的波形图；

图5为在对直流电压和交流电压进行数据转换时，运算放大器输出电压的波形图。

具体实施方式

本实用新型可以用在六位半数字多用表、高精度直流电压测量和交流电压真有效值测量领域。可以用来替代现有AD637，AD636，AD536等真有效值转换集成电路。也可以用来替代16位～24位的sigma delta数据转换器。下面结合附图对本实用新型进行具体说明。

参见图1，用于数字多用表的模数转换器，包括用于接入交流或直流被检测电流的检测输入端V0，用于输入基准电压的正基准电压V1输入端和负基准电压V2输入端，以及第一电容C1、第二运算放大器U2、第一模数转换器U3、第二模数转换器U5和数字逻辑器件U4；正基准电压为其他电路或者基准电压源产生的一个正电压，负基准电压V2为其他电路或者基准电压源产生的一个负电压；

检测输入端V0通过第一电阻R1、第一开关K1连接数字逻辑器件U4，正基准电压V1输入端通过第二电阻R2、第二开关K2与数字逻辑器件U4连接，负基准电压V2输入端通过第三电阻R3、第三开关K3与数字逻辑器件U4连接，第一开关、第二开关、第三开关由数字逻辑器件控制打开或关断；其中，第一开关K1的作用是将待测电压信号接入或者断开，接入时进行测量，断开时进行整个模数转换电路的自清零，第一开关K1导通时经过第一电阻R1对待测电压对第一电容C1进行充电，因为充电时间远小于R1C1常数，所以充电电流近似等于第二开关K2导通时，正基准电压V1经过第二电阻R2对第一电容C1进行充电，因为充电时间远小于R2C1常数，所以充电电流近似等于第三开关K3导通时，负基准电压V2经过第三电阻R3对第一电容C1进行充电，因为充电时间远小于R3C1常数，所以充电电流近似等于第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3为模拟开关。第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3由数字逻辑器件U4控制，实现1和2脚短路或者1和3脚短路的功能，即导通和关断的功能。

其中,第一电容C1的一端、第二运算放大器U2的输入端并接第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3，第一电容的另一端、第二运算放大器U2的输出端并接后连接第一模数转换器U3、第二模数转换器U5；第一模数转换器U3、第二模数转换器U5将采集的数据传输给数字逻辑器件U4且与数据逻辑器件中的数据进行交换。数字逻辑器件U4控制第一模数转换器U3、第二模数转换器U5进行模数转换并读取第一模数转换器U3、第二模数转换器U5输出的数据进行计算；具体实施中，第一模数转换器U3为8位，采样率最低20MSPS的模数转换集成电路，当然位数更高或者采样率更高都可以；第二模数转换器U5为10位或者12位，采样率最低10MSPS的模数转换集成电路，当然位数越高精度越高，采样率越高可以转换的被测信号频率越高均可以；数字逻辑器件U4可编程数字逻辑阵列集成电路，一般为FPGA；这里的需要说明的是第一模数转换器、第二模数转换器以及数字逻辑器件为在市场上直接购买件，具体型号可根据需要进行采用，在此具体电路结构便不做赘叙。

第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3与第二运算放大器U2之间连接有稳定电路，该稳定电路包括第一运算放大器U1、第五电阻R5、第六电阻R6、以及用于保护第二运算放大器的保护电路CR1,该保护电路由两个二极管构成；第一运算放大器U1的反相输入端并接第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3，第一运算放大器U1的同相输入端接地，第一运算放大器的输出端串接第五电阻R5，第五电阻并接保护电路CR1、第六电阻R6后与第二运算放大器U2的反相输入端连接，第二运算放大器的同相输入端连接保护电路CR1的另一端。

第二运算放大器U2与第一模数转换器U3、第二模数转换器U5之间连接有限幅保护电路，用以保护第六运算放大器U6和第二模数转换器U5，限幅保护电路包括串接在第二运算放大器输出端与第二模数转换器之间的第七电阻R7、第二稳压二极管CR2，以及并接在第二模数转换器与第二稳压二极管之间的第九电阻R9、第三稳压二极管CR3和第十电阻R10，所述第三稳压二极管CR3和第十电阻R10串接。以及二极管组CR4。

第二模数转换器之前连接有电压跟随器，其包括第六运算放大器U6、第十一电阻R11，第六运算放大器U6的反相输入端串接第十一电阻R11后与第六运算放大器的输出端连接第二模数转换器U5，第六运算放大器的同相输入端连接第二运算放大器U2的输出端。其中，第八电阻R8和第三电容C3构成一个低通滤波。

本实用新型中，第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第五电阻R5、第六电阻R6、保护电路CR1、第一电容C1构成一个积分电路，其中，保护电路CR1用于保护第二运算放大器U2，第一电容C1为积分电容，第五电阻R5、第六电阻R6保证整个环路的稳定；具体实施时，第一运算放大器U1、第五电阻R5、第六电阻R6、保护电路CR1、二极管组CR4可省略掉，对电路的功能无影响，为了电路的优化可以增加。

为了更好的说明本实用新型的技术方案，下面结合转换方法与电路图1进一步说明，步骤如下：

步骤一、待测的交流电压或直流电压V0通过导通第一开关输入，并经过第一电阻R1对第一电容C1进行充电；

步骤二、导通第二开关通入正基准电压V1，正基准电压V1通过第二电阻R2对第一电容C1进行充电；

导通第三开关通入负基准电压V2，负基准电压V2通过第三电阻R3对第一电容C1进行充电；

其中，在第二开关导通时，第三开关关断；第三开关导通时，第二开关关断；第二开关、第三开关分别导通一次，为单次模数转换过程；

步骤三、输入的待测交流电压或直流电压、正基准电压、负基准电压由运算放大器U2进行运算放大输出电压波形并传递给第二模数转换器进行数据转换，获得电压上升时的斜率N1和电压下降时的斜率N2，再通过单次数据转换的计算公式： $V0=\frac{N1\×R1\×R2\×V2-N2\×R1\×R3\×V1}{N2\×R2\×R3-N1\×R2\×R3},$ 计算得到待测交流电压或直流电压的真有效值；这里的运算放大器包括第二运算放大器U2和第六运算放大器U6；

步骤四、待测电压为直流电压时，通过数字逻辑器件运算并将多次测试的单次转换数据累加求平均，获得直流电压值；

待测电压为交流电压时，将多次测试的单次转换数据平方相加然后求平均开根号，就可以得到待测交流电压的真有效值。

当待测电压输入为零时，第二开关导通的时间和第三开关导通的时间相等；当待测电压输入为正时，第二开关导通时间小于第三开关导通时间；当待测电压输入为负时，第二开关导通时间大于第三开关导通时间。

单次模数转换过程的时间为100ns～100us，具体时间看实际应用所定。在单次模数转换过程中，第二开关K2和第三开关K3分别导通一次，第二开关K2导通时第三开关K3断开，第二关K2断开时第三开关K3导通，第二开关K2导通的时间加上第三开关K3导通的时间即为单次模数转换的时间。因为基准电压V1和基准电压V2一个为正电压，一个为负电压，所以第二关K2导通时给第一电容C1充电，第三开关K3导通时给第一电容C1放电。第二开关K2和第三开关K3分别导通的时间由数字逻辑器件U4根据第一模数转换器U3得到的数据来控制。实际电路中一般将第二电阻R2和第三电阻R3的阻值相等，基准电压V1和基准电压V2的电压绝对值相等正负相反。

当待测电压输入为零时，第二开关K2导通的时间和第三开关K3导通的时间正好相等，第二运算放大器U2的输出引脚电压波形图见图2。当待测电压输入为正时，第二开关K2导通时间将会小于第三开关K3导通时间，来保证第一电容C1上的电荷平衡，此时第二运算放大器U2的输出引脚电压波形图见图3。当待测电压输入为负时，第二开关K2导通时间将会大于第三开关K3导通时间，来保证第一电容C1上的电荷平衡，第二运算放大器U2的输出引脚电压波形图见图4。

其中，数字逻辑器件U4主要有两大功能：

第一，通过第一模数转换器U3的转换数据控制第二开关K2和第三开关K3的导通时间，保证第二运算放大器U2的输出电压在设定的一定范围内的电压值上下摆动，这样保证第二模数转换器采集到稳定的信号。

第二，控制第二模数转换器U5对第六运算放大器U6输出的电压波形进行数据转换，得到第二运算放大器U2输出电压上升时的斜率N1和U2输出电压下降时的斜率N2，然后通过计算得到待测直流的电压值或者交流信号的真有效值；对直流电压和交流电压进行数据转换时，第二运算放大器U2输出电压的波形图见图5，其中在对交流电进行转换时，可以将一个周期的交流电分割成若干段来进行测量计算，这样达到测量交流电的目的且精度高。

Claims (4)

1.用于数字多用表的模数转换器，其特征在于，包括用于接入交流或直流被检测电流的检测输入端，用于输入基准电压的正基准电压输入端和负基准电压输入端，以及第一电容、第二运算放大器、第一模数转换器、第二模数转换器和数字逻辑器件；

所述检测输入端通过第一电阻、第一开关连接数字逻辑器件，正基准电压输入端通过第二电阻、第二开关与数字逻辑器件连接，负基准电压输入端通过第三电阻、第三开关与数字逻辑器件连接，第一开关、第二开关、第三开关由数字逻辑器件控制打开或关断；

所述第一电容的一端、第二运算放大器的输入端并接第一开关、第二开关、第三开关，第一电容的另一端、第二运算放大器的输出端并接后连接第一模数转换器、第二模数转换器；所述第一模数转换器、第二模数转换器将采集的数据传输给数字逻辑器件且与数据逻辑器件中的数据进行交换。

2.根据权利要求1所述用于数字多用表的模数转换器，其特征在于，所述第一开关、第二开关、第三开关与第二运算放大器之间连接有稳定电路，该稳定电路包括第一运算放大器、第五电阻、第六电阻、以及用于保护第二运算放大器的保护电路，第一运算放大器的反相输入端并接第一开关、第二开关、第三开关，同相输入端接地，第一运算放大器的输出端串接第五电阻，第五电阻并接保护电路、第六电阻后与第二运算放大器的反相输入端连接，第二运算放大器的同相输入端连接保护电路的另一端。

3.根据权利要求1所述用于数字多用表的模数转换器，其特征在于，所述第二运算放大器与第一模数转换器、第二模数转换器之间连接有限幅保护电路，限幅保护电路包括串接在第二运算放大器输出端与第二模数转换器之间的第七电阻、第二稳压二极管，以及并接在第二模数转换器与第二稳压二极管之间的第九电阻、第三稳压二极管和第十电阻，所述第三稳压二极管和第十电阻串接。

4.根据权利要求1所述用于数字多用表的模数转换器，其特征在于，所述第二模数转换器之前连接有电压跟随器，其包括第六运算放大器、第十一电阻，第六运算放大器的反相输入端串接第十一电阻后与第六运算放大器的输出端连接第二模数转换器，第六运算放大器的同相输入端连接第二运算放大器的输出端。