CN216013471U - 一种电压电阻电容自动测量的电路 - Google Patents

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许为来
黄海龙
陈志武
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Abstract

本实用新型涉及电子元器件测量技术，公开了一种电压电阻电容自动测量的电路；其包括外部信号输入电路、内部开关网络电路、基准信号输出与电流源产生电路、通道切换与ADC采集电路和比较器输出电路；外部信号输入电路与内部开关网络电路连接，内部开关网络电路与通道切换与ADC采集电路和基准信号输出与电流源产生电路连接。本实用新型简化了电压电阻电容表的测量电路，只需三个电阻就能进行电压电阻电容的自动测量，无需使用继电器和表盘切换档位，内部自动判断量程进行测量；设计安全可靠，体积小，降低厂家生产成本和提高生产效率。

Description

一种电压电阻电容自动测量的电路
技术领域
本实用新型涉及电子元器件测量技术，尤其涉及了一种电压电阻电容自动测量的电路。
背景技术
随着电子工业技术、测控技术的发展，测量仪器的需求会越来越大，在不同的应用场合经常需要测量电压、电阻和电容的大小。
在生产和维修电路时，电压、电阻和电容的测量往往都是至关重要的环节，一个好的电子产品必须由合格的电子元器件组成，其中电源芯片、电阻和电容是最基本的几个元器件。为此对电压、电阻和电容的检测是不可避免的环节。因此设计安全、可靠、便捷的电压、电阻和电容测试仪器具有极大的现实必要性。
目前市面上的电压电阻电容表设计电路复杂、档位太多、体积较大，使用起来操作复杂、费事等特点。随着电子工业技术、测控技术的发展和仪器仪表行业竞争的压力，越来越要求测量仪器设计电路简单，操作方便，体积小和生产成本低的特点。
专利名称为：一种可自动测量的万用表，申请号为：CN201911119788.7，申请日：2019-11-15，专利申请中公开了一种可自动测量的万用表，包括：输入端子，接收待测信号；信号监测电路，用于监测所述待测信号的电压；微控单元，用于根据所述待测信号的来源，发出测量指令；功能切换驱动单元，用于根据所述微控单元发出的测量指令切换测量档位；低压切换电路，包括干簧管开关，当所述功能切换驱动单元切换至低压测量模式时，所述干簧管开关闭合；防高压保护装置，连接所述输入端子以及低压切换电路，用于防止高电压的待测信号进入所述低压切换电路。针对该专利其外围保护电路复杂，采用干簧管开关其操作麻烦；
例如专利名称：一种数字万用表，申请号为：CN200610062667.X,申请日为：2006-09-18。该专利需要外加辅助程控电压或电流源及分压网络与电子开关，其设计电路复杂。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术其外围保护电路复杂，采用干簧管开关其操作麻烦；需要外加辅助程控电压或电流源及分压网络与电子开关，其设计电路复杂的问题，提供了一种电压电阻电容自动测量的电路。
为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：
一种电压电阻电容自动测量的电路，包括外部信号输入电路、内部开关网络电路、基准信号输出与电流源产生电路、通道切换与ADC采集电路和比较器输出电路；外部信号输入电路与内部开关网络电路连接，内部开关网络电路与通道切换与ADC采集电路和基准信号输出与电流源产生电路连接。
外部信号输入电路包括电阻R5和输入端口A1、电阻R6和输入端口A2、电阻R7和输入端口A4；内部开关网络电路包括电阻R1、R2、R3、R4和开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11；A1一端通过开关K1、K3、K5和K7分别连接到电阻R4、R3、R2和R1，R1电阻与开关K11连接，K11另一端口连接COM端口；A2的一端通过开关K2、K4、K6和K8分别连接到电阻R4、R3、R2和R1，R1电阻与开关K12连接；AVDDR通过开关K9连接电阻R3和R2公共端；VSS通过开关K10连接电阻R3和R2公共端。
通过简化电压电阻电容表的测量电路和保护电路，只需要三个电阻R5，R6，R7进行电压电阻电容的自动测量，无需使用继电器和表盘切换档位，内部自动判断量程进行测量。设计安全可靠外围三个大电阻可防止高压损坏芯片，体积小，降低厂家生产成本和提高生产效率。
作为优选，基准信号输出与电流源产生电路包括开关K12、K13、K14、K15、K16、NMOS管Q1和PMOS管Q2、运放OPA和通道切换MUX1；开关K12与开关K13连接，开关K13的另一端与运放OPA的输出端OPOUT连接；运放OPA的负输入端连接到开关K12、开关K13、NMOS管Q1和PMOS管Q2的公共端，运放OPA的正输入端连OPIN接到开关K16，开关K16的另一端与通道切换MUX1的输出端连接；开关K14一端连接运放OPA的输出端OPOUT，另一端连接NMOS管Q1的栅极；开关K15一端连接运放OPA的输出端OPOUT，另一端连接PMOS管Q2的栅极。
作为优选，通道切换与ADC采集电路包括通道切换MUX2和模数转换器ADC；VA、VB、VC和VD点电压分别通过控制通道切换MUX2选择V1P和V1N到ADC输入端采集信号。
作为优选，比较器输出电路包括比较器CMPH、CMPL和锁存器LATCH；A4端口连接到比较器CMPH的正输入端和比较器CMPL的负输入端，比较器CMPH的负输入端口连接COM端口，比较器CMPH的输出端CMPH_OUT连接到锁存器LATCH输入端，比较器CMPL的正输入端口连接VDR22，比较器CMPL的输出端CMPL_OUT连接到锁存器LATCH另一输入端，锁存器输出端LATCH_OUT连接到捕捉模块。
作为优选，当CMPH比较器输出高电平，且CMPL比较器输出低电平，则判定输入信号为电压信号；当CMPH比较器输出低电平，且CMPL比较器输出高电平，则判定输入信号为电容信号；当CMPH比较器输出低电平，且CMPL比较器输出低电平，则判定输入信号为电阻信号。
本实用新型由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本实用新型通过简化电压电阻电容表的测量电路和保护电路，只需要三个电阻R5，R6，R7进行电压电阻电容的自动测量，无需使用继电器和表盘切换档位，内部自动判断量程进行测量。
同时本实用新型设计的测量电路安全可靠，通过外围三个大电阻可防止高压损坏芯片，体积小，降低厂家生产成本和提高生产效率。
附图说明
图1是本实用新型的电路图。
图2是本实用新型的内部开关网络电路图。
图3是本实用新型的基准信号输出与电流源产生电路图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述。
实施例1
一种电压电阻电容自动测量的电路，包括外部信号输入电路、内部开关网络电路、基准信号输出与电流源产生电路、通道切换与ADC采集电路和比较器输出电路；外部信号输入电路与内部开关网络电路连接，内部开关网络电路与通道切换与ADC采集电路和基准信号输出与电流源产生电路连接。
外部信号输入电路包括电阻R5和输入端口A1、电阻R6和输入端口A2、电阻R7和输入端口A4；内部开关网络电路包括电阻R1、R2、R3、R4和开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11；A1一端通过开关K1、K3、K5和K7分别连接到电阻R4、R3、R2和R1，R1电阻与开关K11连接，K11另一端口连接COM端口；A2的一端通过开关K2、K4、K6和K8分别连接到电阻R4、R3、R2和R1，R1电阻与开关K12连接；AVDDR通过开关K9连接电阻R3和R2公共端；VSS通过开关K10连接电阻R3和R2公共端。
通过简化电压电阻电容表的测量电路和保护电路，只需要三个电阻R5，R6，R7进行电压电阻电容的自动测量，无需使用继电器和表盘切换档位，内部自动判断量程进行测量。设计安全可靠外围三个大电阻可防止高压损坏芯片，体积小，降低厂家生产成本和提高生产效率。
基准信号输出与电流源产生电路包括开关K12、K13、K14、K15、K16、NMOS管Q1和PMOS管Q2、运放OPA和通道切换MUX1；开关K12与开关K13连接，开关K13的另一端与运放OPA的输出端OPOUT连接；运放OPA的负输入端连接到开关K12、开关K13、NMOS管Q1和PMOS管Q2的公共端，运放OPA的正输入端连OPIN接到开关K16，开关K16的另一端与通道切换MUX1的输出端连接；开关K14一端连接运放OPA的输出端OPOUT，另一端连接NMOS管Q1的栅极；开关K15一端连接运放OPA的输出端OPOUT，另一端连接PMOS管Q2的栅极。
通道切换与ADC采集电路包括通道切换MUX2和模数转换器ADC；VA、VB、VC和VD点电压分别通过控制通道切换MUX2选择V1P和V1N到ADC输入端采集信号。
比较器输出电路包括比较器CMPH、CMPL和锁存器LATCH；A4端口连接到比较器CMPH的正输入端和比较器CMPL的负输入端，比较器CMPH的负输入端口连接COM端口，比较器CMPH的输出端CMPH_OUT连接到锁存器LATCH输入端，比较器CMPL的正输入端口连接VDR22，比较器CMPL的输出端CMPL_OUT连接到锁存器LATCH另一输入端，锁存器输出端LATCH_OUT连接到捕捉模块。
CMPH比较器输出高电平，CMPL比较器输出低电平，则为电压信号；CMPH比较器输出低电平，CMPL比较器输出高电平，则为电容信号；CMPH比较器输出低电平，CMPL比较器输出低电平，则为电阻信号。
实施例2
在实施例1基础上，本实施例实现电压电阻电容自动测量电路的方法，其方法包括；
电压信号的测量，电压信号通过电阻R5连接到A1端口，A1端口连接内部的开关网络，根据不同的量程进行开关切换，R1电阻连接开关K11，开关K11连接到COM；且令：Res1＝R1；Res2＝R1+R2；Res3＝R1+R2+R3；Res4＝R1+R2+R3+R4；
Figure BDA0003147064380000071
Figure BDA0003147064380000072
Figure BDA0003147064380000073
Figure BDA0003147064380000074
电阻信号的测量，电阻信号通过电阻R6连接到A2端口，A2端口连接内部的开关网络，根据不同的量程进行开关切换，R1电阻连接开关K12，开关K12与开关K13连接，开关K13的另一端与运放OPA的输出端连接；运放输出端电压为Vop，COM端的电压为Vcom，待测电阻为Rx，内部参考电阻为Rr；
Figure BDA0003147064380000075
电容信号的测量，AVDDR通过开关K9连接到电阻R2，电阻R2另一端连接电阻R1，电阻R1连接开关K12，开关K12连接到PMOS管Q2的源极，PMOS管Q2的栅极连接到开关K15，开关K15另一端与运放OPA的输出端OPOUT连接；PMOS管Q2的漏极连接到A2端口，A2端口连接电阻R6到待测电容端给电容；
Figure BDA0003147064380000081
VOP、VCMPH均为AVDDR的一个分压，设其系数分别为a、b，即：VOP＝a×AVDDR；VCMPH＝b×AVDDR；Rc＝R1+R2
换算成：
Figure BDA0003147064380000082
系数a、b由设置的分压比决定，△t由芯片内部经过校准的时钟计数得出，RC由校准得到。
实施例3
在上述实施例基础上，本实施例的芯片内部电阻串从小到大依次命名为R1、R2、R3、R4。
且令：Res1＝R1；Res2＝R1+R2；Res3＝R1+R2+R3；Res4＝R1+R2+R3+R4；假设仪表已校准；
外部电压电阻电容信号接到仪表的两输入端口V/Ω/F和COM，首先需要判断是哪种信号输入，待测信号通过电阻R7到A4端口，A4端口连接到两个比较器的输入端。COM电压为1.2V，VDR22电压为0.825V。
如果CMPH比较器输出高电平，CMPL比较器输出低电平，则判断是电压信号。如果CMPH比较器输出低电平，CMPL比较器输出高电平，则判断是电容信号。如果CMPH比较器输出低电平，CMPL比较器输出低电平，则判断是电阻信号。
检测到电压信号后，电压信号通过电阻R5连接到A1端口，A1端口连接内部的开关网络，根据不同的量程进行开关切换，R1电阻连接开关K11，开关K11连接到COM。ADC采集内部开关电阻网络上面的信号，电压信号测量计算公式如下(Vin指待测电压信号)：
Figure BDA0003147064380000091
Figure BDA0003147064380000092
Figure BDA0003147064380000093
Figure BDA0003147064380000094
检测到电阻信号后，电阻信号通过电阻R6连接到A2端口，A2端口连接内部的开关网络，根据不同的量程进行开关切换，R1电阻连接开关K12，开关K12与开关K13连接，开关K13的另一端与运放OPA的输出端OPOUT连接；运放OPA的负输入端连接到开关K12、开关K13、NMOS管Q1和PMOS管Q2的公共端，运放OPA的正输入端连OPIN接到开关K16，开关K16的另一端与通道切换MUX1的输出端连接，MUX1选择基准电压VDR20(0.75V)。ADC采集内部开关电阻网络上面的信号和外部待测电阻(A4和COM之间)上的信号进行比例计算。
假设运放产生的电压为Vop，COM端的电压为Vcom，待测电阻为Rx，内部参考电阻为Rr。不同档位运放的输出电压Vop可能不同，一个原则是使得Rx上的分压尽可能大。使用ADC测量Rx和Rr上的分压，则电阻信号测量计算公式如下：
Figure BDA0003147064380000101
化简后：
Figure BDA0003147064380000102
检测到电容信号后，先进行电容充电，AVDDR通过开关K9连接到电阻R2，电阻R2另一端连接电阻R1，电阻R1连接开关K12，开关K12连接到PMOS管Q2的源极，PMOS管Q2的栅极连接到开关K15，开关K15另一端与运放OPA的输出端OPOUT连接；运放OPA的负输入端连接到开关K12、开关K13、NMOS管Q1和PMOS管Q2的公共端，运放OPA的正输入端连OPIN接到开关K16，开关K16的另一端与通道切换MUX1的输出端连接，MUX1选择基准电压VDR40(1.5V)。AVDDR电压和运放输出端电压固定，形成恒流源经PMOS管Q2的漏极连接到A2端口，A2端口连接电阻R6到待测电容端给电容进行充电。
VSS通过开关K10连接到电阻R2，电阻R2另一端连接电阻R1，电阻R1连接开关K12，开关K12连接到NMOS管Q1的源极，NMOS管Q1的栅极连接到开关K14，开关K14另一端与运放OPA的输出端OPOUT连接；NMOS管Q1的漏极连接到A2端口，A2端口连接电阻R6到待测电容端给电容进行放电。
使用定电流对电容充电，充电电流不变，随着充电的进行，电容端电压增大，到达比较器设置的阈值时，停止充电，记录时间。设内部运放输出的电压为VOP，比较器的阈值电压为VCMPH，充电时间为△t，则：
Figure BDA0003147064380000111
其中VOP、VCMPH均为AVDDR的一个分压，设其系数分别为a、b，即：
VOP＝a×AVDDR
VCMPH＝b×AVDDR
Rc＝R1+R2
如此，换算成：
Figure BDA0003147064380000112
系数a、b由设置的分压比决定，△t由芯片内部经过校准的时钟计数得出，RC由校准得到，精度均有保证，那么，理论上电容档不需要额外的校准即可得到测量值。
运用了外围三个电阻(R5＝10M，R6＝390k，R7＝1M)就能进行电压电阻电容的自动测量，无需使用传统的继电器和表盘切换档位方法，内部根据比较器结果判断待测信号是哪一种，检测出待测信号后再通过内部程序控制开关网络进行自动判断量程进行测量。

Claims (5)

1.一种电压电阻电容自动测量的电路，包括外部信号输入电路、内部开关网络电路、基准信号输出与电流源产生电路、通道切换与ADC采集电路和比较器输出电路；外部信号输入电路与内部开关网络电路连接，内部开关网络电路与通道切换与ADC采集电路和基准信号输出与电流源产生电路连接；
其特征在于，外部信号输入电路包括电阻R5和输入端口A1、电阻R6和输入端口A2、电阻R7和输入端口A4；内部开关网络电路包括电阻R1、R2、R3、R4和开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11；A1一端通过开关K1、K3、K5和K7分别连接到电阻R4、R3、R2和R1，R1电阻与开关K11连接，K11另一端口连接COM端口；A2的一端通过开关K2、K4、K6和K8分别连接到电阻R4、R3、R2和R1，R1电阻与开关K12连接；AVDDR通过开关K9连接电阻R3和R2公共端；VSS通过开关K10连接电阻R3和R2公共端。
2.根据权利要求1所述的一种电压电阻电容自动测量的电路，其特征在于，基准信号输出与电流源产生电路包括开关K12、K13、K14、K15、K16、NMOS管Q1和PMOS管Q2、运放OPA和通道切换MUX1；开关K12与开关K13连接，开关K13的另一端与运放OPA的输出端OPOUT连接；运放OPA的负输入端连接到开关K12、开关K13、NMOS管Q1和PMOS管Q2的公共端，运放OPA的正输入端连OPIN接到开关K16，开关K16的另一端与通道切换MUX1的输出端连接；开关K14一端连接运放OPA的输出端OPOUT，另一端连接NMOS管Q1的栅极；开关K15一端连接运放OPA的输出端OPOUT，另一端连接PMOS管Q2的栅极。
3.根据权利要求1所述的一种电压电阻电容自动测量的电路，其特征在于，通道切换与ADC采集电路包括通道切换MUX2和模数转换器ADC；VA、VB、VC和VD点电压分别通过控制通道切换MUX2选择V1P和V1N到ADC输入端采集信号。
4.根据权利要求1所述的一种电压电阻电容自动测量的电路，其特征在于，比较器输出电路包括比较器CMPH、CMPL和锁存器LATCH；A4端口连接到比较器CMPH的正输入端和比较器CMPL的负输入端，比较器CMPH的负输入端口连接COM端口，比较器CMPH的输出端CMPH_OUT连接到锁存器LATCH输入端，比较器CMPL的正输入端口连接VDR22，比较器CMPL的输出端CMPL_OUT连接到锁存器LATCH另一输入端，锁存器输出端LATCH_OUT连接到捕捉模块。
5.根据权利要求1所述的一种电压电阻电容自动测量的电路，其特征在于，当CMPH比较器输出高电平，且CMPL比较器输出低电平，则判定输入信号为电压信号；当CMPH比较器输出低电平，且CMPL比较器输出高电平，则判定输入信号为电容信号；当CMPH比较器输出低电平，且CMPL比较器输出低电平，则判定输入信号为电阻信号。
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