CN212134803U - 一种宽范围高精度电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开并提供了一种低成本、体积小的宽范围高精度电压测量装置。本实用新型包括增益控制部分、单端转差分电路、ADC模数转换电路及MCU，所述MCU包括有EEPROM数据存储单元，所述增益控制部分、单端转差分电路、ADC模数转换电路及MCU依次电连接，所述增益控制部分将前端的微弱信号进行放大，然后将放大后的信号送入单端转差分电路转换为差分信号再送入ADC模数转换电路进行数据转换，数据转换后的信号再通过数字SPI协议送入MCU数据处理，所述EEPROM数据存储单元用于保存校准数据。本实用新型电压检测领域。

Description

一种宽范围高精度电压测量装置

技术领域

本实用新型涉及电子电器产品或设备的检测装置，尤其涉及一种用于测试设备的宽范围高精度电压测量装置。

背景技术

科技飞速的发展，给人类带来了各种各样的炫酷的电子产品，这些电子产品已经成为人们生活不可或缺的一部分，其稳定性和可靠性就突显得非常重要，因此消费类电子设备的测试要求也在逐步提高。待测信号或弱或强，这些强弱不一的电压参数测量在各类消费电子产品测试中是一个最基本的需求。传统的测试方法都是采用安捷伦或者泰克公司的DMM或者一些自制的模块来测量。这些现有技术存在如下的缺点：

（1）标准DMM价格高，在大规模量产中难以负担；

（2）标准DMM体积大，一般需要配合机架，难以集成；

（3）一般自制模块，精度较低，范围小，难以实现从微弱信号到强信号的全范围测量。

综上所述十分需要研发一种克服上述缺点的电压参数测量装置。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种低成本、体积小的宽范围高精度电压测量装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种宽范围高精度电压测量装置，它包括增益控制部分、单端转差分电路、ADC模数转换电路及MCU，所述MCU包括有EEPROM数据存储单元，所述增益控制部分将前端的微弱信号进行放大，然后将放大后的信号送入单端转差分电路转换为差分信号再送入ADC模数转换电路进行数据转换，数据转换后的信号再通过数字SPI协议送入MCU数据处理，所述EEPROM数据存储单元用于保存校准数据。

所述增益控制部分包括PGA、滤波电路和GPIO控制组成，本系统使用的是ADI公司的AD8253，它可以通过3个GPIO设置为x1、x10、x100、x1000倍增益，受运放的输入失调电压所限，系统允许的最小输入电压为0.1mVpp，使用1000倍增益可以在PGA输出端得到100mVpp电压信号，R86、R90、C11、C12组成一个低通共模滤波器，R86、R90、C73组成低通差模率器。该滤波电路可以滤除输入端的干扰，提供整个系统的稳定性。

所述单端转差分电路部分由2个OPA2196运放构成，可以将单端信号转换为差分信号并做4倍的衰减，所述OPA2196是TI公司生产的一款高精密运放，具有低失调电压、低偏置电流、低功耗、高共模抑制比等特性，该电路将信号转换为差分信号以后可以增强信号抗干扰能力并且匹配所述ADC芯片的差分输入。

所述ADC模数转换电路主要由ADI公司模数转换芯片AD7172和一个5V的基准芯片组成，所述AD7172是一款24bit的高精度ADC，最高输出数据速率为31.25 KSPS，所述基准电压芯片为模数转换提供稳定精准的基准电压，受限于所述ADC的数据速率，本系统允许的最高交流电压输入频率为3KHz。

所述数据处理部分包括ST公司的MCU STM32F103和一个EEPROM，所述MCU将所述ADC模数转换电路转换后的数字信号解码，经一系列的数据处理后最终会转码成原始输入信号的数值，然后上位机将系统测量值和DMM测量值的偏差用算法拟合成函数并存储在所述EEPROM中，本模块与上位机的通讯接口为RS232。

本实用新型的有益效果是：由于本实用新型包括增益控制部分、单端转差分电路、ADC模数转换电路及MCU，所述MCU包括有EEPROM数据存储单元，所述增益控制部分、单端转差分电路、ADC模数转换电路及MCU依次电连接，所述增益控制部分会将前端的微弱信号进行放大，然后将放大后的信号送入单端转差分电路转换为差分信号再送入ADC模数转换电路进行数据转换，数据转换后的信号再通过数字SPI协议送入MCU数据处理，所述EEPROM数据存储单元用于保存校准数据。所述增益控制部分包括PGA、滤波电路和GPIO控制组成，本系统使用的是ADI公司的AD8253，它可以通过3个GPIO设置为x1、x10、x100、x1000倍增益，受运放的输入失调电压所限，系统允许的最小输入电压为0.1mVpp，使用1000倍增益可以在PGA输出端得到100mVpp电压信号，R86、R90、C11、C12组成一个低通共模滤波器，R86、R90、C73组成低通差模率器。该滤波电路可以滤除输入端的干扰，提供整个系统的稳定性。所述单端转差分电路部分由2个OPA2196运放构成，可以将单端信号转换为差分信号并做4倍的衰减，所述OPA2196是TI公司生产的一款高精密运放，具有低失调电压、低偏置电流、低功耗、高共模抑制比等特性，该电路将信号转换为差分信号以后可以增强信号抗干扰能力并且匹配所述ADC芯片的差分输入。所述ADC模数转换电路主要由ADI公司模数转换芯片AD7172和一个5V的基准芯片组成，所述AD7172是一款24bit的高精度ADC，最高输出数据速率为31.25 KSPS，所述基准电压芯片为模数转换提供稳定精准的基准电压，受限于所述ADC的数据速率，本系统允许的最高交流电压输入频率为3KHz。所述数据处理部分包括ST公司的MCU STM32F103和一个EEPROM，所述MCU将所述ADC模数转换电路转换后的数字信号解码，经一系列的数据处理后最终会转码成原始输入信号的数值，然后上位机将系统测量值和DMM测量值的偏差用算法拟合成函数并存储在所述EEPROM中，本模块与上位机的通讯接口为RS232。所以本实用新型是一种用于测试设备的宽范围高精度电压测量装置。本实用新型电路简单，集成度高，成本底，精度高。

附图说明

图1是本实用新型电路原理结构方框示意图；

图2是所述增益控制部分的电路原理示意图；

图3是所述单端转差分电路的原理示意图；

图4是所述模数转换电路原理示意图；

图5是所述MCU的原理示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本实用新型包括增益控制部分、单端转差分电路、ADC模数转换电路及MCU，所述MCU包括有EEPROM数据存储单元，所述增益控制部分、单端转差分电路、ADC模数转换电路及MCU依次电连接，所述增益控制部分会将前端的微弱信号进行放大，然后将放大后的信号送入单端转差分电路转换为差分信号再送入ADC模数转换电路进行数据转换，数据转换后的信号再通过数字SPI协议送入MCU数据处理，所述EEPROM数据存储单元用于保存校准数据。

所述增益控制部分包括PGA、滤波电路和GPIO控制组成，本系统使用的是ADI公司的AD8253，它可以通过3个GPIO设置为x1、x10、x100、x1000倍增益，受运放的输入失调电压所限，系统允许的最小输入电压为0.1mVpp，使用1000倍增益可以在PGA输出端得到100mVpp电压信号，R86、R90、C11、C12组成一个低通共模滤波器，R86、R90、C73组成低通差模率器。该滤波电路可以滤除输入端的干扰，提供整个系统的稳定性。

所述单端转差分电路部分由2个OPA2196运放构成，可以将单端信号转换为差分信号并做4倍的衰减，所述OPA2196是TI公司生产的一款高精密运放，具有低失调电压、低偏置电流、低功耗、高共模抑制比等特性，该电路将信号转换为差分信号以后可以增强信号抗干扰能力并且匹配所述ADC芯片的差分输入。

所述ADC模数转换电路主要由ADI公司模数转换芯片AD7172和一个5V的基准芯片组成，所述AD7172是一款24bit的高精度ADC，最高输出数据速率为31.25 KSPS，所述基准电压芯片为模数转换提供稳定精准的基准电压，受限于所述ADC的数据速率，本系统允许的最高交流电压输入频率为3KHz。

所述数据处理部分包括ST公司的MCU STM32F103和一个EEPROM，所述MCU将所述ADC模数转换电路转换后的数字信号解码，经一系列的数据处理后最终会转码成原始输入信号的数值，然后上位机将系统测量值和DMM测量值的偏差用算法拟合成函数并存储在所述EEPROM中，本模块与上位机的通讯接口为RS232。

本实施例中具有如下特点：

1)，第一级仪表放大器AD8253输入电路增益可编程及抗干扰能力强。

2)，AD8253可接受正负10伏的宽范围电压输入。

3)，单端转差分电路有极高的共模干扰抑制能力。

4)，全差分输入的24位ADC具有极高的精度和分辨率。

5)，ADC芯片31.25 kSPS的数据输出速率可以允许0到3KHz的信号输入。

6)，校准系统的引入进一步提高了模块的测量精度。

本实用新型与传统的安捷伦数字万用表相比，本实用新型的成本和体积都仅为安捷伦数字万用表的几十分之一，但精度和分辨率却几乎相差不大，与其他一般模块相比，本实用新型的测量范围、精度和分别率都更好一些。

本实用新型提供了一种前端增益放大可编程的输入的电压测量模块设计，并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述。故凡依本实用新型申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本实用新型专利申请范围内。

Claims (5)

1.一种宽范围高精度电压测量装置，其特征在于：它包括增益控制部分、单端转差分电路、ADC模数转换电路及MCU，所述MCU包括有EEPROM数据存储单元，所述增益控制部分、单端转差分电路、ADC模数转换电路及MCU依次电连接，所述增益控制部分将前端的微弱信号进行放大，然后将放大后的信号送入单端转差分电路转换为差分信号再送入ADC模数转换电路进行数据转换，数据转换后的信号再通过数字SPI协议送入MCU数据处理，所述EEPROM数据存储单元用于保存校准数据。

2.根据权利要求1所述的宽范围高精度电压测量装置，其特征在于：所述增益控制部分包括PGA、滤波电路和GPIO控制组成，本系统使用的是ADI公司的AD8253，它可以通过3个GPIO设置为x1、x10、x100、x1000倍增益，受运放的输入失调电压所限，系统允许的最小输入电压为0.1mVpp，使用1000倍增益可以在PGA输出端得到100mVpp电压信号，R86、R90、C11、C12组成一个低通共模滤波器，R86、R90、C73组成低通差模率器，该滤波电路可以滤除输入端的干扰，提供整个系统的稳定性。

3.根据权利要求1所述的宽范围高精度电压测量装置，其特征在于：所述单端转差分电路部分由2个OPA2196运放构成，可以将单端信号转换为差分信号并做4倍的衰减，所述OPA2196是TI公司生产的一款高精密运放，具有低失调电压、低偏置电流、低功耗、高共模抑制比等特性，该电路将信号转换为差分信号以后可以增强信号抗干扰能力并且匹配所述ADC芯片的差分输入。

4.根据权利要求1所述的宽范围高精度电压测量装置，其特征在于：所述ADC模数转换电路由ADI公司模数转换芯片AD7172和一个5V的基准芯片组成，所述AD7172是一款24bit的高精度ADC，最高输出数据速率为31.25 KSPS，所述基准芯片为模数转换提供稳定精准的基准电压，受限于所述ADC的数据速率，本系统允许的最高交流电压输入频率为3KHz。

5.根据权利要求1所述的宽范围高精度电压测量装置，其特征在于：所述数据处理部分包括ST公司的MCU STM32F103和一个EEPROM，所述MCU将所述ADC模数转换电路转换后的数字信号解码，经一系列的数据处理后最终会转码成原始输入信号的数值，然后上位机将系统测量值和DMM测量值的偏差用算法拟合成函数并存储在所述EEPROM中，本模块与上位机的通讯接口为RS232。

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