CN212675398U - 模拟量信号采集保护电路及采集装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟量信号采集保护电路，包括依次耦合的用于稳压的防护电路、用于滤波的滤波电路和用于增大输入阻抗的运算放大电路；所述防护电路包括：在模拟量信号采集通道正端、负端与接地端两两之间分别连接的并联的电容与双向瞬态电压抑制二极管；所述滤波电路包括具有两输入端、两输出的共模电感，所述共模电感的两输入端分别连接所述模拟量信号采集通道正端与负端；所述运算放大电路具有两输入端和两输出端，所述运算放大电路的两输入端与所述共模电感的两输出端连接。还相应的提供了一种模拟量信号采集装置。使用本实用新型，可以对所采集的模拟量电路的短路故障与干扰信号时起到保护作用，同时输入阻抗增大提高了后级的对模拟量信号的采集精度。

Description

模拟量信号采集保护电路及采集装置

技术领域

本申请涉及工业控制技术领域，特别是指一种模拟量信号采集保护电路及模拟量信号采集装置。

背景技术

目前工业控制领域中，各种模拟量和数字量采集系统是控制系统中比较重要的部分。传统的模拟量信号采集装置实现方式如下：依次耦合的模拟量信号采集电路、AD模数转换电路和数字量信号处理电路。通过该方式，由模拟量信号采集电路将模拟量信号，如电压或者电流进行采集后，通过AD模数转换电路转换为数字量信号后，再由数字量信号处理电路进行处理。

传统的模拟量信号采集装置中还会设置有传感器，但是当传感器故障时则无法可靠保护该模拟量信号采集装置，或者当所采集的模拟量的信号源出现输出信号之间发生绝缘降低，短接时、或信号干扰时，信号源会输出波动或较大的电压或电流，会烧毁模拟量信号采集模块，或使得模拟量信号采集模块因信号干扰导致采集精度较低。

因此，有待提出一种电路，以对短路故障与干扰信号起到防护作用，及提高后级对模拟量信号的采集精度。

发明内容

有鉴于此，本申请的主要目的在于提供一种模拟量信号采集保护电路，可以对信号源的短路故障与干扰信号起到防护作用，及提高后级对模拟量信号的采集精度。

在一实施例中，本申请提供了模拟量信号采集保护电路，包括依次耦合的用于稳压的防护电路、用于滤波的滤波电路和用于增大输入阻抗的运算放大电路；

所述防护电路包括：在模拟量信号采集通道正端、负端与接地端两两之间分别连接的并联的电容与双向瞬态电压抑制二极管；

所述滤波电路包括具有两输入端、两输出的共模电感，所述共模电感的两输入端分别连接所述模拟量信号采集通道正端与负端；

所述运算放大电路具有两输入端和两输出端，所述运算放大电路的两输入端与所述共模电感的两输出端连接。

由上，通过稳压防护实现对采集的模拟量信号的波动或短路导致的高压进行防护，通过滤波电路实现降低信号干扰，通过增大输入阻抗提高了后级的采集精度。

其中，在输入电压(即信号源)有波动的时候，通过电容依靠自身的充放电特性来达到稳定电压，从而提升电压的稳定性，降低或避免电压不稳定对其它电器元件造成伤害。

其中，通过双向瞬态电压抑制二极管的非线性特征可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，将过电压箝位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。且其响应时间快，可达皮秒(ps)级别，满足电子电路过电压保护的响应速度要求。

其中，通过共模电感可过滤共模的电磁干扰信号，以及抑制线路产生的电磁波向外辐射，从而降低对其他电路的影响发射，确保其他电路的正常工作。

其中，通过运算放大电路增大电路的输入阻抗，使得从信号源索取的电流很小，提高后级模拟量信号采集系统的采集精度。并且采用的运算放大电路的两个通道(指两输入到两输出的两通道)是相互独立隔离的情况下，可防止通道间的互相干扰，进一步提高后级模拟量信号采集系统的采集精度。

在一实施例中，所述滤波电路还包括RLC滤波电路，所述RLC滤波电路包括：

在所述共模电感一输出端与所述运算放大电路一输入端之间串联的电感；

所述共模电感另一输出端接地设置；

所述运算放大电路的两输入端之间连接并联的电阻和电容。

由上，通过电容作用于电压波动，电感作用于电流波动，起到平波的作用，即实现对电压、电流的滤波，进一步提高了高后级模拟量信号采集系统的采集精度。

在一实施例中，本申请提供了一种模拟量信号采集装置，

所述模拟量信号采集装置的模拟量信号采集通道的正端和负端设置有模拟量信号采集保护电路；

所述模拟量信号采集保护电路包括依次耦合的用于稳压的防护电路、用于滤波的滤波电路和用于增大输入阻抗的运算放大电路；

所述防护电路包括：在模拟量信号采集通道正端、负端与接地端两两之间分别连接的并联的电容与双向瞬态电压抑制二极管；

所述滤波电路包括具有两输入端、两输出的共模电感，所述共模电感的两输入端分别连接所述模拟量信号采集通道正端与负端；

所述运算放大电路具有两输入端和两输出端，所述运算放大电路的两输入端与所述共模电感的两输出端连接；

所述运算放大电路的两输出端连接所述模拟量信号采集装置的后级电路。

在一实施例中，所述滤波电路还包括RLC滤波电路，所述RLC滤波电路包括：

在所述共模电感一输出端与所述运算放大电路一输入端之间串联的电感；

所述共模电感另一输出端接地设置；

所述运算放大电路的两输入端之间连接的并联的电阻和电容。

在一实施例中，所述后级电路包括模数转换电路，所述模数转换电路的两输入端连接所述运算放大电路的两输出端。

在一实施例中，所述后级电路还包括处理单元，所述处理单元的输入端连接模数转换电路的输出端。

由上，本申请通过稳压防护实现对采集的模拟量信号的波动或短路导致的高压进行防护，提升电压的稳定性，降低或避免电压不稳定对其它电器元件造成伤害。通过滤波电路可过滤共模的电磁干扰信号，以及抑制线路产生的电磁波向外辐射，从而降低对其他电路的影响发射，确保其他电路的正常工作。通过运算放大电路增大电路的输入阻抗，使得从信号源索取的电流很小，提高模拟量信号采集装置的采集精度。

附图说明

图1为模拟量信号采集保护电路的原理图；

图2为模拟量信号采集保护电路的电路图；

图3为模拟量信号采集装置的原理图。

具体实施方式

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三等”或模块A、模块B、模块C等，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S100、S200……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图1和附图2对本申请作进一步地详细描述。

由于工控现场环境的复杂性，信号源的电压电流波动或短路，或各种干扰信号都是难以避免的，因此在模拟量信号采集通道的正端(CH+)、负端(CH-)，本申请设置保护电路，以降低或避免干扰信号对后级电路的影响，经保护电路处理后的信号通过输出的正端(CH_ADC_IN+)和负端(CH_ADC_IN-)输出至后续的模拟量信号采集电路，例如可以输出至AD模数转换电路。下面对本申请进行详细说明。

如图1示出了本申请的模拟量信号采集通道保护电路，其在模拟量信号采集通道上包括依次耦合的防护电路、滤波电路和运算放大电路，通过稳压防护实现对采集的模拟量信号的波动或短路导致的高压进行防护，通过滤波电路实现降低信号干扰，通过增大输入阻抗提高了后级的采集精度。

其中各电路实施例如下：

【防护电路的实施例】

防护电路位于电路前端，用于防止来自前端(即模拟量信号采集通道的CH+、CH-两端所连接外部电路)的高能量的冲击信号损坏后级工作电路。防护电路可以采用稳压电路、箝位电路等。本实施例中的防护电路包括电容和双向瞬态电压抑制二极管(双向TVS管)，其中：

电容是一种滤波器件，可以在输入电压(即信号源)有波动的时候，电容依靠自身的充放电特性来达到稳定电压，即滤掉电路里不需要的杂波，从而提升电压的稳定性，降低或避免电压不稳定对其它电器元件造成伤害。本实施例中，模拟量信号采集通道正端(CH+)、负端(CH-)与接地端(FGND)两两之间分别串联电容；

双向TVS管是一种限压保护器件，利用该器件的非线性特征可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，将过电压箝位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护，其响应时间快，可达皮秒(ps)级别，可满足电子电路过电压保护的响应速度要求。本实施例中，模拟量信号采集通道正端(CH+)、负端(CH-)与接地端(FGND)两两之间分别串联双向瞬态电压抑制二极管(双向TVS管)。

此时，在模拟量信号采集通道正端(CH+)、负端(CH-)之间的电容和双向瞬态电压抑制二极管构成并联，即在模拟量信号采集通道正端(CH+)、负端(CH-)之间连接有并联的电容和双向瞬态电压抑制二极管，同理，模拟量信号采集通道正端(CH+)与接地端(FGND)之间连接有并联的电容和双向瞬态电压抑制二极管，以及模拟量信号采集通道负端(CH-)与接地端(FGND)之间连接有并联的上述电容和双向瞬态电压抑制二极管，简言之，模拟量信号采集通道正端(CH+)、负端(CH-)与接地端(FGND)两两之间分别连接有并联的电容与双向瞬态电压抑制二极管。

【滤波电路的实施例】

滤波电路用于将防护电路处理后的电信号进行滤波处理，过滤电磁干扰信号及杂波。本实施例中，该滤波电路包括依次耦合的共模电感和RLC滤波电路，其中：

共模电感，用于过滤共模的电磁干扰(EMI,electromagnetic interference)信号，以及抑制线路产生的电磁波向外辐射，从而降低对其他电路的影响发射，确保其他电路的正常工作。本实施例中共模电感的两输入端对应电连接至模拟量信号采集通道正端(CH+)、负端(CH-)经共模电感滤波后输出；

RLC滤波电路，其中RLC滤波电路中的电容作用于电压波动，电感作用于电流波动，从而起到平波作用。本实施例中，RLC滤波电路包括：共模电感一输出端串联电感后连接至运算放大电路的输入端；共模电感另一输出端接地，且连接至运算放大电路的另一输入端；运算放大电路的两所述输入端并联的电阻电容。

【运算放大电路的实施例】

运算放大电路用于通过该运算放大电路增大电路的输入阻抗，使得从信号源索取的电流很小，提高后级模拟量信号采集系统的采集精度。其原理是：由于增大输入阻抗(所谓的输入电阻就是从放大电路的输入端看进去的等效电阻，但是不包括信号源的内阻)，信号源的信号(即所采集的模拟量信号)基本上能全部落到运算放大电路上，不至于被信号源的内阻消耗掉。输入阻抗越大，就表明运算放大电路从信号源索取的电流越小，运算放大电路得到的输入电压越接近信号源电压，即信号源内阻上的电压就越小，信号电压损失越小，也就减小了AD模数转换电路转换前级电路的分压，从而提高后级模拟量信号采集系统的采集精度。其中：

本实施例中运算放大电路包括型号为具有两输入两输出的INA826的放大器，该INA826的放大器的两个通道(指两输入到两输出的两通道)是相互独立隔离的，可以防止通道间的互相干扰，进一步提高后级模拟量信号采集系统的采集精度。

下面对本申请的低功耗的模拟量信号采集保护电路的工作原理进行说明：

本申请的低功耗的模拟量信号采集保护电路作为AD模数转换电路的前级设置。通过模拟量信号采集通道正端(CH+)、负端(CH-)采集的模拟量信号经过防护电路中的电容和双向TVS管进行稳压和箝位限压保护，然后经过滤波电路中的共模电感和RLC滤波电路进行EMI滤波和电压电流滤波，再经运算放大电路中的INA826放大器增大电路的输入阻抗后经INA826放大器的两个通道输出(即通过CH_ADC_IN+和CH_ADC_IN-输出)至后级的模拟量信号采集电路。

由上，通过本申请的低功耗的模拟量信号采集保护电路，使得输出至后级的模拟量信号采集电路(例如AD模数转换电路)的模拟量先通过稳压、限压、滤波、阻抗配置处理，从而在所采集对象短路故障导致电流、电压过大或波动时，以及出现干扰信号时，经保护电路起到保护作用，并且通过输入阻抗的增大和通道之间相互隔离提高了后级的采集精度。

【模拟量信号采集装置的实施例】

如图3示出了本申请的模拟量信号采集装置的原理图，其在图1或图2示出的运算放大电路的输出后，依次耦合模数转换电路和处理单元，也就是运算放大电路的后级电路。

其中，所述模数转换电路可以采用包括ADS8688芯片的电路，该ADS8688芯片具有正负端两输入，与图2的INA826放大器的两个通道输出(即通过CH_ADC_IN+和CH_ADC_IN-输出)对应连接即可。处理单元可以是数字量信号处理电路，其输入端与ADS8688芯片输出端相连，处理单元可以是进行数字量信号编码以发送至上位机的信号处理电路等。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟量信号采集保护电路，其特征在于，包括依次耦合的用于稳压的防护电路、用于滤波的滤波电路和用于增大输入阻抗的运算放大电路；

所述防护电路包括：在模拟量信号采集通道正端、负端与接地端两两之间分别连接的并联的电容与双向瞬态电压抑制二极管；

所述滤波电路包括具有两输入端、两输出的共模电感，所述共模电感的两输入端分别连接所述模拟量信号采集通道正端与负端；

所述运算放大电路具有两输入端和两输出端，所述运算放大电路的两输入端与所述共模电感的两输出端连接。

2.根据权利要求1所述的模拟量信号采集保护电路，其特征在于，所述滤波电路还包括RLC滤波电路，所述RLC滤波电路包括：

在所述共模电感一输出端与所述运算放大电路一输入端之间串联的电感；

所述共模电感另一输出端接地设置；

所述运算放大电路的两输入端之间连接的并联的电阻和电容。

3.一种模拟量信号采集装置，其特征在于，

所述模拟量信号采集装置的模拟量信号采集通道的正端和负端设置有模拟量信号采集保护电路；

所述模拟量信号采集保护电路包括依次耦合的用于稳压的防护电路、用于滤波的滤波电路和用于增大输入阻抗的运算放大电路；

所述防护电路包括：在模拟量信号采集通道正端、负端与接地端两两之间分别连接的并联的电容与双向瞬态电压抑制二极管；

所述滤波电路包括具有两输入端、两输出的共模电感，所述共模电感的两输入端分别连接所述模拟量信号采集通道正端与负端；

所述运算放大电路具有两输入端和两输出端，所述运算放大电路的两输入端与所述共模电感的两输出端连接；

所述运算放大电路的两输出端连接所述模拟量信号采集装置的后级电路。

4.根据权利要求3所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，所述滤波电路还包括RLC滤波电路，所述RLC滤波电路包括：

在所述共模电感一输出端与所述运算放大电路一输入端之间串联的电感；

所述共模电感另一输出端接地设置；

所述运算放大电路的两输入端之间连接的并联的电阻和电容。

5.根据权利要求4所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，所述后级电路包括模数转换电路，所述模数转换电路的两输入端连接所述运算放大电路的两输出端。

6.根据权利要求5所述的模拟量信号采集装置，其特征在于，所述后级电路还包括处理单元，所述处理单元的输入端连接模数转换电路的输出端。

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