CN213023325U - 模拟量电压采集电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种模拟量电压采集电路，包括从模拟量电压采集端依次耦合的用于对所采集模拟量电压进行稳压的防护电路、用于模拟量电压到数字量电压转换的模数转换电路、用于电隔离的隔离电路和接收数字量电压的控制单元；所述防护电路包括从模拟量电压采集端依次耦合的电压滤波电路和用于增大电路输入阻抗的运算放大电路；所述电压滤波电路包括RC滤波电路，所述运算放大电路包括运算放大芯片。通过设置防护电路、隔离电路，可以实现稳压滤波、隔离信号源短路故障的防护作用，提高了提高后级对模拟量电压的采集精度。

Description

模拟量电压采集电路

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电压采集电路。

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。传统的模拟量电压采集电路实现方式如下：依次耦合的模拟量信号采集电路、模数转换电路和控制单元，其中控制单元为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的电压信号进行采集后，通过模数转换电路转换为数字量信号后，再由控制单元，即数字量信号处理电路进行处理，例如编码处理以发送至上位机等，或根据预算的值进行比较以进行相应的控制(如控制报警)等。

传统的模拟量电压采集电路缺乏过载、短路防护等，易导致模拟量采集点短路、烧毁现象出现，并且采集精度存在偏差且存在信号干扰，可靠性不高。

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电压采集电路，可以对信号源的短路故障与干扰信号起到防护作用，提高后级对模拟量电压的采集精度。

在一实施例中，提供了一种模拟量电压采集电路，包括从模拟量电压采集端依次耦合的用于对所采集模拟量电压进行稳压的防护电路、用于模拟量电压到数字量电压转换的模数转换电路、用于电隔离的隔离电路和接收数字量电压的控制单元；

所述防护电路包括从模拟量电压采集端依次耦合的电压滤波电路和用于增大电路输入阻抗的运算放大电路；

所述电压滤波电路包括RC滤波电路，所述运算放大电路包括运算放大芯片。

由上，通过设置防护电路、隔离电路，可以实现稳压滤波、隔离信号源短路故障的防护作用，稳压滤波降低了干扰，也提高了提高后级对模拟量电压的采集精度。可见，由上可实现可靠性的提高。且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。且通过RC滤波电路实现电压滤波。

在一实施例中，所述运算放大芯片具有正输入端、负输入端和输出端；

所述RC滤波电路包括：所述模拟量电压采集端和运算放大芯片正输入端之间连接电阻；运算放大芯片正输入端与接地端之间连接电容；

所述运算放大电路还包括：运算放大芯片的负输入端串联电阻后接地；运算放大芯片的负输入端和接地端之间连接电容、运算放大芯片的负输入端和正输入端之间连接电容。

由上，可以根据实际电路需要采用上述方式设置电容进行滤波。

在一实施例中，所述模数转换电路包括模数转换芯片，模数转换芯片的正输入端串联电阻后与运算放大电路输出端连接，模数转换芯片的负输入端串联电阻后接地、模数转换芯片的正输入端与负输入端之间连接电容。

由上，同模数转换芯片实现转换精度较高，可以满足所需的精度。

在一实施例中，所述隔离电路包括隔离芯片。

由上，可以根据电路需要采用隔离芯片实现隔离电路，使得体积小，便于整体电路的紧凑化。

在一实施例中，所述防护电路还包括设置于供电电路的供电输入端与供电输出端之间的限流电路。

由上，通过设置限流电路可以防止经该模拟量电压采集电路向外供电的瞬态过电流对外接设备造成损坏，同时也可以防止外接设备的瞬态过电流对经限流电路连接的供电电路造成影响。

在一实施例中，所述限流电路包括：

MOS管，所述MOS管的门极接收到开启电压时所述MOS管的输入端与所述MOS管的输出端导通；

三极管，所述三极管的发射极连接供电电路的所述供电输入端、所述三极管的集电极连接所述MOS管的门极、所述三极管的基极连接所述MOS管的输入端；

三极管的发射极和三极管的基极之间连接有并联的至少两个限流电阻；

供电电路的所述供电输入端与接地端之间连接有电阻分压电路，通过电阻分压后连接至所述MOS管的门极提供开启电压。

由上，通过三极管特性实现电路电流维持在限制电流最大值，达到保护的作用。并且并联的多个限流电阻可以根据限制电流和功率要求选择焊接来调整限流大小，限流电阻可以根据限制电流和功率要求选焊一个或者多个，其优点体现在电路板上可以减少改版次数。

在一实施例中，所述限流电路还包括缓启动电路，所述缓启动电路包括并联在电阻分压电路中的一分压电阻的电容。

由上，可实现使得MOS管导通时间增大，以实现缓启动的功能，同时还实现浪涌保护功能。

在一实施例中，所述限流电路还包括MOS门极保护电路，所述MOS门极保护电路包括连接在所述MOS管门极与所述MOS管输入端之间的稳压二极管。

由上，可实现防止输入瞬间电压过高而损坏MOS管。

在一实施例中，所述限流电路还包括阻容滤波电路，所述阻容滤波电路包括连接在MOS管输入端与MOS管输出端的串联的电阻和电容。

由上，可实时性MOS管开启瞬间消除尖峰干扰，同时还实现浪涌保护功能。

综上，本申请的技术方案通过增加了防护电路以及限流电路，消除各种系统干扰，且提高了对模拟量电压的采集精度，整体提高了产品应用的可靠性。并且，本申请成本低廉。

附图说明

图1为模拟量电压采集电路的原理图；

图2为耦合的防护电路和模数转换电路的电路图；

图3为隔离电路的电路图；

图4为限流电路的电路图。

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。

在附图示出的各个电路图中的器件后的编号，如R1、R2，表示所在附图电路图中的器件编号；不同的附图电路图中的相同的器件编号也是各自独立，并不相关，例如图2电路图中的R1与图3电路图中的R1并无关系。

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-图4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，因此本申请提供了一种模拟量电压采集电路，可以实现限压稳压即隔离防护，从而降低或避免模拟量电压采集电路被烧毁或受损的情况，并且降低或避免干扰信号，整体提升了模拟量电压采集电路的可靠性。下面对本申请进行详细说明。

如图1示出了本申请模拟量电压采集电路的原理图，包括：包括从模拟量电压采集端依次耦合的用于对所采集模拟量电压进行稳压的防护电路、用于模拟量电压到数字量电压转换的模数转换电路、用于电隔离的隔离电路和接收数字量电压的控制单元。还可包括用于通过本申请模拟量电压采集电路向外供电或接收供电的电路上的限流电路。由上，通过设置防护电路、隔离电路，可以实现稳压滤波、隔离信号源短路故障的防护作用，稳压滤波降低了干扰，也提高了提高后级对模拟量电压的采集精度和可靠性。下面对各个部分进行详述。

【防护电路的实施例】

如图2示出了依次耦合的所述防护电路与模数转换电路，其中防护电路包括设置在模拟量电压采集端上的依次耦合的电压滤波电路和运算放大电路，防止外界环境的干扰信号和高能量冲击信号对整个系统造成永久性损坏，具体的：

图2所示防护电路中的电压滤波电路包括RC滤波电路，其包括连接在模拟量电压采集端(CH_IN)和运算放大器正输入端(+IN)之间的电阻(R2)、运算放大器正输入端(+IN)与接地端(FGND)之间的电容(C2)；通过电容可以在输入电压有波动的时候，电容依靠自身的充放电特性来达到稳定电压。

图2所示防护电路中的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INA826AID的放大器芯片，通过该INA826AID芯片可以增大输入阻抗减小电路电流，从而可以减小模数转换电路中其他电阻的分压，提高后级电路的采集精度及转换精度。另外，由于对于模拟量电压信号的采集，仅需要采集一信号端即可，因此，INA826AID将其正输入端(+IN)作为信号采集端，其负输入端(-IN)串联一电阻(R1)后接地，且负输入端(-IN)和接地端(FGND)之间、负输入端(-IN)和正输入端(+IN)也分别连接一电容以滤波稳压。另外，该INA826AID的正工作电压输入端(+VS)和负工作电压输入端(-VS)分别接正负12V的电压，且可分别串联一电容后接地，以对正负12V的电压滤波。该INA826AID的参考端(REF)接地设置。

【模数转换电路的实施例】

图2中的模数转换电路用于将采集到的模拟量信号转换为数字量信号，便于后级的控制单元接收以进行运算及处理。本实例中模数转换电路中包括16位模数转换芯片，如ADS8688等型号的模数转换芯片，该ADS8688芯片转换精度可达0.01％，足以满足所需的精度，该ADS8688芯片的正输入端(CH+)串联一电阻(R3)后连接INA826AID输出端(VOUT)，接收来自INA826AID输出端(VOUT)的信号，进行模数转换后，通过串行外设接口(SPI，SerialPeripheral Interface)输出转换后的数字量电压信号，同时在ADS8688芯片的正输入端(CH+)依次串联一电容(C8)和电阻(R4)后接地，以对进入ADS8688芯片的正输入端(CH+)的信号进行滤波。该ADS8688芯片的负输入端(CH-)通过接地的所述电阻(R4)接地即可。并且，该ADS8688芯片同时支持±10.24V，±5.12V，±2.56V等多种量程的变送器等外接设备。

【隔离电路的实施例】

如图3示出了所述隔离电路，通过隔离电路可以将模数转换电路的接口与控制单元(CPU)接口电隔离，避免经模数转换后的数字量信号直接进入控制单元，导致干扰信号或者冲击信号对控制单元造成损坏。本实施例中隔离电路包括型号为ISO7241CDWR的隔离芯片，通过该ISO7241CDWR芯片将ADS8688芯片的输出端，如SPI信号端(包括SPI_CS、SPI_SCK、MISO、MOSI)与控制单元相应SPI信号输入端进行电隔离。

【限流电路的实施例】

如图4示出了所述限流电路，用于防止经该模拟量电压采集电路向外供电的瞬态过电流对外接设备(如图1中的电压变送器)造成损坏，同时也可以防止外接设备的瞬态过电流对经限流电路连接的供电电路造成影响。本申请的限流电路具有过流保护，缓启动功能和浪涌保护功能。如图4所示，本实施例中该限流电路包括：

作为开关的MOS管，其中本实施例中MOS管采用型号为BSC030P03NS3G的MOS管；设置有三极管(Q1)，该三极管(Q1)的发射极连接供电输入端(VCC_IN)，该三极管(Q1)的集电极连接MOS管的门极(G)，该三极管(Q1)的基极连接MOS管的输入端(S)。

为了实现限流，在三极管(Q1)的发射极和基极之间连接有并联的多个限流电阻，本例中为并联的三个限流电阻(R1、R2、R4)。还其中，限流大小为I＝UEB/各限流电阻并联的等效阻值，其中UEB为三极管(Q1)的导通压降，并联的各个限流电阻(R1、R2、R4)的大小可以根据限制电流和功率要求选择焊接来调整限流大小。当电路电流超过限制电流最大值时，限流电阻两端电压变大，大于UEB时三极管(Q1)导通，从而使得电路电流维持在限制电流最大值，达到保护的作用。其中，限流电阻可以根据限制电流和功率要求选焊一个或者多个，其优点体现在电路板上可以减少改版次数；

供电输入端(VCC_IN)与接地端(FGND)之间连接有分压电路，本例中该分压电路由串联的两个分压电阻(R5、R7)构成，通过电阻分压后连接至MOS管的门极(G)为MOS管提供开启电压，以使MOS管的输入端(S)与输出端(D)导通，以通过与MOS管的输出端(D)连接的供电输出端(VCC_OUT)向外供电；

为了使得MOS管导通时间增大，以实现缓启动的功能，还设置有缓启动电路，由并联在分压电路中的接电的分压电阻(R5)的电容(C2)实现，通过电容(C2)的充放电特性，实现所述缓启动的功能。另一方面，该电容(C2)还具有浪涌保护功能；

为了防止输入瞬间电压过高而损坏MOS管，还设置有MOS门极保护电路，由并联在分压电路中的接电的分压电阻(R5)的稳压二极管(D1)实现，或者说由连接在MOS管门极(G)与其输入端(S)之间的稳压二极管(D1)实现；

为了在MOS管开启瞬间消除尖峰干扰，还设置有阻容滤波电路，由连接在MOS管输入端(S)与输出端(D)的串联的电阻(R3)和电容(C1)组成的阻容滤波电路实现。另一方面，该阻容滤波电路还具有浪涌保护功能。

【控制单元的实施例】

如图1示出的本申请的控制单元可以是数字量信号处理电路，例如进行数字量信号编码以发送至上位机的信号处理电路，或进行数字量信号比较以进行报警控制的信号处理电路等。

下面再对本申请的模拟量电压采集电路的工作原理进行说明：

本申请的模拟量电压采集电路通过模拟量电压采集端(CH_IN)采集的模拟量电压经过防护电路中的RC滤波电路进行稳压和滤波，再经运算放大电路中的INA826AID放大器增大电路的输入阻抗后经INA826AID放大器的输出端(VOUT)输出，再由模数转换电路中的ADS8688芯片进行模数转换后，将数字量的电压经隔离电路进行电隔离后，由控制单元接收进行处理。

由上，通过本申请的模拟量电压采集电路，使得经防护电路进行滤波实现稳压和限压，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，经防护电路起到防护作用，并且通过输入阻抗的增大提高了后级的采集精度。并且通过隔离电路实现的电隔离，避免或降低了干扰信号或者冲击信号对控制单元造成损坏。

另外，当通过本申请的模拟量电压采集电路向外供电时，还通过所述限流电路进行限流，从而避免经该模拟量电压采集电路向外供电的瞬态过电流对外接设备造成损坏，同时也可以防止外接设备的瞬态过电流对经限流电路连接的供电电路造成影响。

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，例如上述具体运算放大器型号、模数转换器型号、隔离器件型号、MOS管型号等适应性的更改与替换，或各附图中电路中的电阻、电容数量和/或串并联的连接关系的适应性更改与替换，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟量电压采集电路，其特征在于，包括从模拟量电压采集端依次耦合的用于对所采集模拟量电压进行稳压的防护电路、用于模拟量电压到数字量电压转换的模数转换电路、用于电隔离的隔离电路和接收数字量电压的控制单元；

所述防护电路包括从模拟量电压采集端依次耦合的电压滤波电路和用于增大电路输入阻抗的运算放大电路；

所述电压滤波电路包括RC滤波电路，所述运算放大电路包括运算放大芯片。

2.根据权利要求1所述的模拟量电压采集电路，其特征在于，所述运算放大芯片具有正输入端、负输入端和输出端；

所述RC滤波电路包括：所述模拟量电压采集端和运算放大芯片正输入端之间连接电阻；运算放大芯片正输入端与接地端之间连接电容；

所述运算放大电路还包括：运算放大芯片的负输入端串联电阻后接地；运算放大芯片的负输入端和接地端之间连接电容、运算放大芯片的负输入端和正输入端之间连接电容。

3.根据权利要求2所述的模拟量电压采集电路，其特征在于，所述模数转换电路包括模数转换芯片，模数转换芯片的正输入端串联电阻后与运算放大电路输出端连接，模数转换芯片的负输入端串联电阻后接地、模数转换芯片的正输入端与负输入端之间连接电容。

4.根据权利要求1所述的模拟量电压采集电路，其特征在于，所述隔离电路包括隔离芯片。

5.根据权利要求1所述的模拟量电压采集电路，其特征在于，所述防护电路还包括设置于供电电路的供电输入端与供电输出端之间的限流电路。

6.根据权利要求5所述的模拟量电压采集电路，其特征在于，所述限流电路包括：

MOS管，所述MOS管的门极接收到开启电压时所述MOS管的输入端与所述MOS管的输出端导通；

三极管，所述三极管的发射极连接供电电路的所述供电输入端、所述三极管的集电极连接所述MOS管的门极、所述三极管的基极连接所述MOS管的输入端；

三极管的发射极和三极管的基极之间连接有并联的至少两个限流电阻；

供电电路的所述供电输入端与接地端之间连接有电阻分压电路，通过电阻分压后连接至所述MOS管的门极提供开启电压。

7.根据权利要求6所述的模拟量电压采集电路，其特征在于，所述限流电路还包括缓启动电路，所述缓启动电路包括并联在电阻分压电路中的一分压电阻的电容。

8.根据权利要求6所述的模拟量电压采集电路，其特征在于，所述限流电路还包括MOS门极保护电路，所述MOS门极保护电路包括连接在所述MOS管门极与所述MOS管输入端之间的稳压二极管。

9.根据权利要求6所述的模拟量电压采集电路，其特征在于，所述限流电路还包括阻容滤波电路，所述阻容滤波电路包括连接在MOS管输入端与MOS管输出端的串联的电阻和电容。

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