CN207336612U - 一种模拟电压与模拟电流信号采集电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种模拟电压与模拟电流信号采集电路，包括：开关切换单元，用于根据接收的模拟开关控制信号将模拟信号输入端切换至第一输出端或者第二输出端；电压信号采集单元，其输入端与所述开关切换单元的第一输出端相连，用于将模拟电压信号转换为预设电压水平的电压信号并输出；电流信号采集单元，其输入端与所述开关切换单元的第二输出端相连，用于将模拟电流信号转换为预设电压水平的电压信号并输出；主控单元，用于发送所述模拟开关控制信号。本实用新型将电压信号采集单元和电流信号采集单元集成在同一电路中，共用一个模拟信号输入接口，并可通过主控单元控制开关切换单元实现切换，该电路整体结构简单，操作方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及电路技术领域，尤其涉及一种模拟电压与模拟电流信号采集电路。
背景技术
在精密仪器、供电系统、采样保持电路等领域，通常需要实时采集模拟电压与模拟电流信号以实现对模拟信号的跟踪，便于做出相应的调整。STM32系列单片机能够进行模拟电压转换的电压范围为0-3.3V，而模拟信号采集电路需要进行0-10V模拟电压信号或4-20mA模拟电流信号的检测。而现有的模拟信号采集电路大多只能单独采集模拟电压信号或者模拟电流信号。如果针对不同的模拟信号分别设计不同的模拟信号采集电路和接口，会增加总体设计复杂度，并且增大产品体积。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，针对现有模拟信号采集电路大多只能单独采集模拟电压信号或者模拟电流信号的缺陷，提供一种模拟电压与模拟电流信号采集电路，能够设计在同一电路中采用统一接口实现的实现模拟电压信号采集与模拟电流信号采集之间的开关切换。
本实用新型提供了一种模拟电压与模拟电流信号采集电路，包括：
开关切换单元，其具有模拟信号输入端、第一输出端、第二输出端和模拟开关控制端，所述模拟信号输入端用于采集模拟电压信号或者模拟电流信号；所述模拟开关控制端用于接收模拟开关控制信号；所述开关切换单元用于根据接收的模拟开关控制信号将模拟信号输入端切换至第一输出端或者第二输出端；
电压信号采集单元，所述电压信号采集单元的输入端与所述开关切换单元的第一输出端相连，用于将模拟电压信号转换为预设电压水平的电压信号并输出至模拟电压信号的输出端；
电流信号采集单元，所述电流信号采集单元的输入端与所述开关切换单元的第二输出端相连，用于将模拟电流信号转换为预设电压水平的电压信号并输出至模拟电流信号的输出端；
主控单元，与所述开关切换单元连接，用于发送所述模拟开关控制信号控制开关切换。
在根据本实用新型所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路中，优选地，所述模拟电压信号的输出端与所述主控单元的模拟电压信号输入端连接，所述模拟电流信号的输出端与所述主控单元的模拟电流信号输入端连接。
在根据本实用新型所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路中，优选地，所述开关切换单元包括：模拟开关和第一电容；所述模拟开关的正电源引脚连接至第一输入电源，并通过第一电容接地；所述模拟开关的负电源引脚和公共端引脚接地，所述模拟开关的低电压输入引脚连接至第二输入电源；所述模拟开关的模拟量输入引脚与所述开关切换单元的模拟信号输入端连接，模拟开关控制引脚与模拟开关控制信号连接，模拟电压输出引脚与所述开关切换单元的第一输出端连接，模拟电流输出引脚与所述开关切换单元的第二输出端连接。
在根据本实用新型所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路中，优选地，所述开关切换单元还包括：瞬态抑制二极管；所述瞬态抑制二极管一端连接所述模拟信号输入端，另一端接地。
在根据本实用新型所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路中，优选地，所述电压信号采集单元包括：第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第二电容、第三电阻和第三电容；所述第一电阻和第二电阻串联在所述电压信号采集单元的输入端与地之间，所述第一电阻和第二电阻之间的节点连接至所述第一运算放大器的同向输入引脚；所述第一运算放大器的反向输入引脚与运放输出引脚短接，负电源引脚接地，正电源引脚接第二输入电源，第二电容连接在正电源引脚与地之间；第三电阻连接在第一运算放大器的运放输出引脚与所述模拟电压信号的输出端之间，且所述模拟电压信号的输出端通过所述第三电容接地。
在根据本实用新型所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路中，优选地，所述电流信号采集单元包括：依次连接的隔离电路、放大电路和低通滤波电路。
在根据本实用新型所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路中，优选地，所述隔离电路包括：第二运算放大器、第四电阻和第四电容；所述第二运算放大器的同向输入引脚与所述电流信号采集单元的输入端连接，并通过第四电阻接地；所述第二运算放大器的反向输入引脚与运放输出引脚短接，负电源引脚接地，正电源引脚接第二输入电源，第四电容连接在正电源引脚与地之间。
在根据本实用新型所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路中，优选地，所述放大电路包括：第三运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第五电容；所述第五电阻连接在所述第二运算放大器的运放输出引脚与第三运算放大器的反向输入引脚之间，所述第三运算放大器的反向输入引脚通过第七电阻连接至运放输出引脚，负电源引脚接地，所述第三运算放大器的同向输入引脚通过第六电阻接第二输入电源；所述第八电阻连接在所述第三运算放大器的同向输入引脚与地之间；所述第三运算放大器的正电源引脚接第二输入电源，且第五电容连接在正电源引脚与地之间。
在根据本实用新型所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路中，优选地，所述低通滤波电路包括：第九电阻和第六电容；所述第九电阻连接在第三运算放大器的运放输出引脚与所述模拟电流信号的输出端之间，且所述模拟电流信号的输出端通过所述第六电容接地。
在根据本实用新型所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路中，优选地，所述预设电压水平为0～3.3V。
实施本实用新型的模拟电压与模拟电流信号采集电路，具有以下有益效果：本实用新型将电压信号采集单元和电流信号采集单元集成在同一电路中，共用一个模拟信号输入接口，并可通过主控单元控制开关切换单元实现切换，该电路整体结构简单，操作方便。
附图说明
图1为根据本实用新型优选实施例的模拟电压与模拟电流信号采集电路的模块框图；
图2为根据本实用新型优选实施例的模拟电压与模拟电流信号采集电路中开关切换单元的电路原理图；
图3为根据本实用新型优选实施例的模拟电压与模拟电流信号采集电路中电压信号采集单元的电路原理图；
图4为根据本实用新型优选实施例的模拟电压与模拟电流信号采集电路中电流信号采集单元的电路原理图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，为根据本实用新型优选实施例的模拟电压与模拟电流信号采集电路的模块框图。如图1所示，该实施例提供的模拟电压与模拟电流信号采集电路包括：开关切换单元100、电压信号采集单元200、电流信号采集单元300和主控单元400。
开关切换单元100具有模拟信号输入端、第一输出端、第二输出端和模拟开关控制端。模拟信号输入端用于采集模拟电压信号或者模拟电流信号。模拟开关控制端用于接收模拟开关控制信号。该开关切换单元100用于根据接收的模拟开关控制信号将模拟信号输入端切换至第一输出端，或者将模拟信号输入端切换至第二输出端。也就是说，当模拟信号输入端采集的模拟信号为模拟电压信号时，模拟开关控制信号可以控制开关切换单元100将模拟信号输入端采集的模拟电压信号输出至第一输出端；当模拟信号输入端采集的模拟信号为模拟电流信号时，模拟开关控制信号可以控制开关切换单元100将模拟信号输入端采集的模拟电流信号输出至第二输出端。
电压信号采集单元200具有输入端以及模拟电压信号的输出端，该电压信号采集单元200的输入端与开关切换单元100的第一输出端相连，用于将模拟电压信号转换为预设电压水平的电压信号并输出至模拟电压信号的输出端。优选地，该预设电压水平为0～3.3V。
电流信号采集单元300具有输入端以及模拟电流信号的输出端，该电流信号采集单元300的输入端与开关切换单元100的第二输出端相连，用于将模拟电流信号转换为预设电压水平的电压信号并输出至模拟电流信号的输出端。优选地，该预设电压水平为0～3.3V。
主控单元400与所述开关切换单元100连接，用于发送所述模拟开关控制信号给开关切换单元100，以控制开关切换。
通过上述设置，本实用新型可以将电压信号采集单元与电流信号采集单元设计在同一个电路中并采用统一的接口，通过开关切换单元实现模拟电压信号采集与模拟电流信号采集之间的切换，这样就可以根据需要分别采集模拟电压信号和模拟电流信号。
优选地，上述电压信号采集单元200的模拟电压信号的输出端与主控单元400的模拟电压信号输入端连接，电流信号采集单元300的模拟电流信号的输出端与主控单元400的模拟电流信号输入端连接。从而可以将相应地模拟信号输出至单片机的对应引脚进行读取，实现模拟信号的采集。该主控单元400优选但不限于采用SMT32系列芯片实现。
请参阅图2，为根据本实用新型优选实施例的模拟电压与模拟电流信号采集电路中开关切换单元的电路原理图。如图2所示，该开关切换单元100包括：模拟开关U1和第一电容C1。模拟开关U1的正电源引脚4连接至第一输入电源，例如24V输入电源，并通过第一电容C1接地。第一电容C1作为去耦电容对24V输入电源进行滤波。模拟开关U1的负电源引脚7和公共端引脚3接地，模拟开关U1的低电压输入引脚5连接至第二输入电源，例如5V输入电源；模拟开关U1的模拟量输入引脚1与开关切换单元100的模拟信号输入端J1连接，用于接收模拟信号AI1。模拟开关控制引脚6连接至开关切换单元100的模拟开关控制端，用于接收模拟开关控制信号AI1_S。模拟电压输出引脚8与开关切换单元100的第一输出端连接，输出模拟电压信号V1。模拟电流输出引脚2与开关切换单元100的第二输出端连接，输出模拟电流信号I1。优选地，该开关切换单元100还包括：瞬态抑制二极管D1；该瞬态抑制二极管D1一端连接模拟信号输入端J1，另一端接地，起到防静电保护的作用。该模拟开关U1优选但不限于型号为DG419DY的模拟开关芯片。模拟电压信号V1优选为0～10V。模拟电流信号I1优选为4～20mA。
模拟开关控制引脚6接收的模拟开关控制信号AI1_S为高电平时，模拟开关U1切换至电压信号采集单元200，将0～10V的模拟电压信号通过模拟电压输出引脚8输出至电压信号采集单元200。模拟开关控制引脚6接收的模拟开关控制信号AI1_S为低电平时，模拟开关U1切换至电流信号采集单元300，将4-20mA的模拟电流信号通过模拟电流输出引脚2输出至电流信号采集单元300。
请参阅图3，为根据本实用新型优选实施例的模拟电压与模拟电流信号采集电路中电压信号采集单元的电路原理图。如图3所示，该电压信号采集单元200包括：第一运算放大器U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电阻R3和第三电容C3。
其中，电压信号采集单元200的输入端连接至开关切换单元100的第一输出端，用于接收输出模拟电压信号V1。第一电阻R1和第二电阻R2串联在电压信号采集单元200的输入端与地之间，第一电阻R1和第二电阻R2之间的节点连接至第一运算放大器U2的同向输入引脚3。第一运算放大器U2的反向输入引脚4与运放输出引脚1短接，负电源引脚2接地，正电源引脚5接5V电源，第二电容C2连接在正电源引脚5与地之间，起到去耦作用。第三电阻R3连接在第一运算放大器U2的运放输出引脚1与模拟电压信号的输出端J2之间，且模拟电压信号的输出端J2通过第三电容C3接地。第三电阻R3和第三电容C3组成一级低通滤波电路。
当模拟开关U1将模拟电压信号输出至电压信号采集单元200时，该电压信号采集单元200可以将0-10V模拟电压通过串联电阻分压的方式得到0～3.3V的模拟电压信号，并通过第一运算放大器将模拟电压信号进行隔离，将模拟电压信号通过输出端J2输出，实现对模拟电压信号的采集。优选地，该模拟电压信号的输出端J2连接至主控单元400的模拟电压信号输入端，将模拟电压信号输出至单片机实现对模拟电压信号的采集。
请参阅图4，为根据本实用新型优选实施例的模拟电压与模拟电流信号采集电路中电流信号采集单元的电路原理图。如图4所示，电流信号采集单元300包括：依次连接的隔离电路310、放大电路320和低通滤波电路330。
其中，隔离电路310包括：第二运算放大器U3、第四电阻R4和第四电容C4。第二运算放大器U3的同向输入引脚3与电流信号采集单元的输入端连接，用于接收模拟电流信号I1。并且该第二运算放大器U3的同向输入引脚3通过第四电阻R4接地。第二运算放大器U3的反向输入引脚4与运放输出引脚1短接，负电源引脚2接地，正电源引脚5接5V电源，第四电容C4连接在正电源引脚5与地之间。
放大电路320包括：第三运算放大器U4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第五电容C5。第五电阻R5连接在第二运算放大器U3的运放输出引脚1与第三运算放大器U4的反向输入引脚4之间。第三运算放大器U4的反向输入引脚4通过第七电阻R7连接至运放输出引脚1，负电源引脚2接地，第三运算放大器U4的同向输入引脚3通过第六电阻R6接5V电源。第八电阻R8连接在第三运算放大器U4的同向输入引脚3与地之间；第三运算放大器U4的正电源引脚5接5V电源，且第五电容C5连接在正电源引脚5与地之间。
低通滤波电路330包括：第九电阻R9和第六电容C6。其中第九电阻R9连接在第三运算放大器U4的运放输出引脚1与模拟电流信号的输出端J3之间，且模拟电流信号的输出端J3通过第六电容C6接地。
当模拟开关U1切换至电流信号采集单元300时，将4～20mA的模拟电流信号经过200欧姆的采样电阻即第四电阻R4后转换为0.8～4V的模拟电压信号，再通过放大电路320将0.8～4V的模拟电压信号转换为0～3.2V的模拟电压信号，最终将模拟信号通过输出端J3输出，实现对模拟电流信号的采集。优选地，该模拟电流信号的输出端J3连接至主控单元400的模拟电流信号输入端，从而将模拟信号输出至单片机进行读取，实现模拟电流信号的采集。
对于整个模拟电压与模拟电流信号采集电路而言，模拟开关控制引脚6接收的模拟开关控制信号AI1_S为高电平时，模拟开关U1切换至电压信号采集单元200，将0～10V的模拟电压输入转换为0～3.3V的模拟电压输出，模拟开关控制引脚6接收的模拟开关控制信号AI1_S为低电平时，模拟开关U1切换至电流信号采集单元300，将4-20mA的模拟电流转换为0～3.2V的模拟电压输出。
综上所述，本实用新型可以在同一个电路中，通过主控单元控制模拟开关实现对模拟电压信号与模拟电流信号的分别采集，可以共用一个模拟信号输入端J1，其电路整体结构简单，操作方便。该电路可实现模拟电压信号与模拟电流信号的实时采集，可应用于精密仪器等领域。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，包括：
开关切换单元(100)，其具有模拟信号输入端、第一输出端、第二输出端和模拟开关控制端，所述模拟信号输入端用于采集模拟电压信号或者模拟电流信号；所述模拟开关控制端用于接收模拟开关控制信号；所述开关切换单元(100)用于根据接收的模拟开关控制信号将模拟信号输入端切换至第一输出端或者第二输出端；
电压信号采集单元(200)，其输入端与所述开关切换单元的第一输出端相连，用于将模拟电压信号转换为预设电压水平的电压信号并输出至模拟电压信号的输出端；
电流信号采集单元(300)，其输入端与所述开关切换单元的第二输出端相连，用于将模拟电流信号转换为预设电压水平的电压信号并输出至模拟电流信号的输出端；
主控单元(400)，与所述开关切换单元(100)连接，用于发送所述模拟开关控制信号控制开关切换。
2.根据权利要求1所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，所述模拟电压信号的输出端与所述主控单元(400)的模拟电压信号输入端连接，所述模拟电流信号的输出端与所述主控单元(400)的模拟电流信号输入端连接。
3.根据权利要求1所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，所述开关切换单元(100)包括：模拟开关(U1)和第一电容(C1)；所述模拟开关(U1)的正电源引脚连接至第一输入电源，并通过第一电容(C1)接地；所述模拟开关(U1)的负电源引脚和公共端引脚接地，所述模拟开关(U1)的低电压输入引脚连接至第二输入电源；所述模拟开关(U1)的模拟量输入引脚与所述开关切换单元的模拟信号输入端连接，模拟开关控制引脚与模拟开关控制信号连接，模拟电压输出引脚与所述开关切换单元(100)的第一输出端连接，模拟电流输出引脚与所述开关切换单元(100)的第二输出端连接。
4.根据权利要求3所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，所述开关切换单元(100)还包括：瞬态抑制二极管(D1)；所述瞬态抑制二极管(D1)一端连接所述模拟信号输入端，另一端接地。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，所述电压信号采集单元(200)包括：第一运算放大器(U2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第二电容(C2)、第三电阻(R3)和第三电容(C3)；所述第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联在所述电压信号采集单元(200)的输入端与地之间，所述第一电阻(R1)和第二电阻(R2)之间的节点连接至所述第一运算放大器(U2)的同向输入引脚；所述第一运算放大器(U2)的反向输入引脚与运放输出引脚短接，负电源引脚接地，正电源引脚接第二输入电源，第二电容(C2)连接在正电源引脚与地之间；第三电阻(R3)连接在第一运算放大器(U2)的运放输出引脚与所述模拟电压信号的输出端之间，且所述模拟电压信号的输出端通过所述第三电容(C3)接地。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，所述电流信号采集单元(300)包括：依次连接的隔离电路(310)、放大电路(320)和低通滤波电路(330)。
7.根据权利要求6所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，所述隔离电路(310)包括：第二运算放大器(U3)、第四电阻(R4)和第四电容(C4)；所述第二运算放大器(U3)的同向输入引脚与所述电流信号采集单元(300)的输入端连接，并通过第四电阻(R4)接地；所述第二运算放大器(U3)的反向输入引脚与运放输出引脚短接，负电源引脚接地，正电源引脚接第二输入电源，第四电容(C4)连接在正电源引脚与地之间。
8.根据权利要求7所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，所述放大电路(320)包括：第三运算放大器(U4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R7)和第五电容(C5)；所述第五电阻(R5)连接在所述第二运算放大器(U3)的运放输出引脚与第三运算放大器(U4)的反向输入引脚之间，所述第三运算放大器(U4)的反向输入引脚通过第七电阻(R7)连接至运放输出引脚，负电源引脚接地，所述第三运算放大器(U4)的同向输入引脚通过第六电阻(R6)接第二输入电源；所述第八电阻(R8)连接在所述第三运算放大器(U4)的同向输入引脚与地之间；所述第三运算放大器(U4)的正电源引脚接第二输入电源，且第五电容(C5)连接在正电源引脚与地之间。
9.根据权利要求8所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，所述低通滤波电路(330)包括：第九电阻(R9)和第六电容(C6)；所述第九电阻(R9)连接在第三运算放大器(U4)的运放输出引脚与所述模拟电流信号的输出端之间，且所述模拟电流信号的输出端通过所述第六电容(C6)接地。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的模拟电压与模拟电流信号采集电路，其特征在于，所述预设电压水平为0～3.3V。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |