CN219476018U - 一种电压模拟量采集模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电压模拟量采集模块，属于现场总线控制的技术领域，该采集模块包括：差分放大器，所述差分放大器的输入端采集0～10V的模拟信号；跟随器，所述跟随器的输入端与差分放大器的输出端连接，且差分放大器的输出端输出0～3V的电压信号；单片机，所述单片机的ADC采集接口与跟随器的输出端连接，该采集模块具备采电压的精度高、小信号的放大系数高、较少噪声的特点，能达到提高测量精度、抑制环境的干扰，进而提高测量精度的目的。

Description

一种电压模拟量采集模块

技术领域

本实用新型属于现场总线控制的技术领域，具体而言，涉及一种电压模拟量采集模块。

背景技术

在现代工业控制系统中，想要获取被控对象的运行情况并能控制其按照工艺流程和要求运行，需要利用现场各种传感器采集被控对象的各种参数，并把这些参数转换成电信号后传输给控制系统，才能得以监视和控制。

工业控制系统中模拟量的采集通常由传感器的敏感元件来完成，将现场的温度、压力、流量等物理量测出一个与之对应的模拟量，如电阻信号、非标准电压及电流信号，这些信号先要经过变送器进行信号调理，转换成控制器(一般为PLC或者DCS)可以处理的标准的4～20mA电流信号或者0～5V、0～10V电压信号，才能接入到控制系统的模拟量输入通道。

由于计算机只能处理数字信号，所以模拟量的采集主要解决两个问题：一方面是要确定控制系统对现场信号的采样周期，由于信号采集是按一定时间间隔进行的，信号的采样周期实质上是时间的数字化；另一方面必须确定单位数字量所对应的模拟量大小，即模拟信号的数字化。为了提高信号的信噪比和可靠性，还必须对输入信号进行数字滤波和预处理。

目前，市面上0-10V模拟量采集主要采用电阻分压的方式，这种技术缺陷如下：(1)由于存在电阻损耗，采电压时会有一定的电能损耗，导致有损耗大的缺点，会影响电路的效率；(2)由于采电压时受到电阻精度和温度等影响，实际采取的电压和理论上的值会有一定的偏差，导致采集精度较低；(3)由于电阻的接触电阻和电源噪声等因素，采电压会受到一定的干扰，导致受电源噪声影响较大。

基于上述出现的缺点，需对现有的电压模拟量采集电路模块进行改进。

实用新型内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种电压模拟量采集模块，其具备采电压的精度高、小信号的放大系数高、较少噪声的特点，能达到提高测量精度、抑制环境的干扰，进而提高测量精度的目的。

本实用新型所采用的技术方案为：一种电压模拟量采集模块，该采集模块包括：

差分放大器，所述差分放大器的输入端采集0～10V的模拟信号；

跟随器，所述跟随器的输入端与差分放大器的输出端连接，且差分放大器的输出端输出0～3V的电压信号；

单片机，所述单片机的ADC采集接口与跟随器的输出端连接。

进一步地，所述单片机设有n个ADC采集接口，各个ADC采集接口分别连接一所述跟随器，其中，n≥1。

进一步地，各所述跟随器的同相输入端分别连接一所述差分放大器且各所述跟随器的输出端分别与各所述ADC采集接口连接；

同一跟随器的反相输入端与该跟随器的输出端连接。

进一步地，各所述差分放大器的输出端经第一电阻串接至对应所述跟随器的同相输入端；

各所述差分放大器的同相输入端经第二电阻和保险丝串接至模拟信号正极采集端；

各所述差分放大器的反相输入端经第三电阻串接至模拟信号负极采集端。

进一步地，该采集模块还包括：

底壳，所述底壳的内部装有PCB电路板；

与底壳可拆卸装配的盖壳；

其中，所述PCB电路板上布置有各所述差分放大器、跟随器和单片机。

进一步地，所述PCB电路板的两侧均设有接线座，接线座上设有n个正极接线孔且各所述正极接线孔分别与各所述模拟信号正极采集端连接；

同一接线座上各所述模拟信号正极采集端所对应的各所述模拟信号负极采集端连接至该接线座上同一负极接线孔。

进一步地，所述盖壳的两侧分别设有与所述接线座对应的开口。

进一步地，所述盖壳的两侧分别设有位于所述接线座上方的挡盖，各所述挡盖分别与盖壳之间铰接连接。

本实用新型的有益效果为：

1.采用本实用新型所提供的电压模拟量采集模块，其通过差分放大器采样电压，该技术具有输入阻抗高、共模抑制比好、线性度好等优点，同时，它可以减少共模干扰的影响，提高电路的信噪比和精度，并减少外部环境的影响；因此，它适用于低电平和弱信号的采样。

附图说明

图1是本实用新型所提供的电压模拟量采集模块的整体结构示意图；

图2是本实用新型所提供的电压模拟量采集模块的俯视示意图；

图3是本实用新型所提供的电压模拟量采集模块的内部结构示意图；

图4是本实用新型所提供的电压模拟量采集模块中某一路差分放大器的电路示意图；

图5是本实用新型所提供的电压模拟量采集模块中某一路跟随器的电路示意图；

图6是本实用新型所提供的电压模拟量采集模块中单片机的电路示意图；

附图中标注如下：

1-底壳，2-盖壳，3-挡盖，4-接线座，5-正极接线孔，6-负极接线孔，7-PCB电路板。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

实施例1

在本实施例中具体提供了一种电压模拟量采集模块，如图1-图3该采集模块包括：差分放大器、跟随器以及单片机三大部分，所述差分放大器的输入端采集0～10V的模拟信号，经差分放大器的输出端输出0～3V的电压信号，且差分放大器的输出端连接所述跟随器的输入端；将跟随器的输出端与所述单片机的ADC采集接口之间电连接。其大体的采集流程为：采用差分放大器将采集的0-10V电压转换成0-3V，在经过跟随器电路将0-3V电压送进单片机，使用单片机内部的ADC进行模拟量采集。

在本实施例所设计的采集模块中具备差分放大器，其具有采电压的精度高、小信号的放大系数高、较少的噪声、抗干扰能力强等特点，能提高测量精度，通过跟随器能更低的减少噪声和纹波，提高稳定性、可靠性，能够提供准确的输出电压。

同时，差分放大器可以通过改变输入端两个电压之间的差异，来放大输出电压，这种放大方式不受输入电源电压影响，因此用在一些高精度的系统中效果比较好；相较于传统的分压电阻方式，采电压则是通过分压电阻来调节电压，可以得到指定的输出电压，但是这种方式受输入电源电压的影响相对较大，所以一般不会用在高精度的系统中。

具体的，如图6所示，所述单片机设有16个ADC采集接口(分别为ADC0、ADC1、ADC2、........ADC15)，上述16个ADC采集接口分别连接一所述跟随器，相应的，则有16路跟随器电路，各所述跟随器的输出端分别与各所述ADC采集接口一一对应连接。

如图5所示，上述各路跟随器电路的设计如下：同一跟随器的反相输入端与该跟随器的输出端连接，且各所述跟随器的同相输入端分别连接至各所述差分放大器的输出端，相应的，则有16路差分放大电路。在实际应用中，跟随器采用型号为LM324的运算放大器。

如图4所示，上述各路差分放大电路的设计如下：差分放大器的输出端经第一电阻R1串接至对应跟随器的同相输入端(如：第一路差分放大电路对应第一路跟随器电路)；差分放大器的同相输入端经第二电阻R2和保险丝F1串接至模拟信号正极采集端VIN1+(模拟信号正极采集端共有16路，分别为VIN1+、VIN2+、VIN3+、......VIN16+，以分别对应16个ADC采集接口)，且差分放大器的同相输入端经第五电阻R5串联接地；另一方面，所述差分放大器的反相输入端经第三电阻R3串接至模拟信号负极采集端，且差分放大器的反相输入端第四电阻R4串接至差分放大器的输出端。

实施例2

在实施例1的基础上，为实现该电压模拟量采集模块的产品化，该采集模块还包括：底壳以及与该底壳可拆卸装配的盖壳，所述底壳的内部装有PCB电路板，PCB电路板上布置有各所述差分放大器、跟随器和单片机。

由于需要对外接线进行0-10V的模拟信号采集，在PCB电路板的两侧分别设有一接线座，每个接线座上设有8个正极接线孔且各所述正极接线孔分别与各所述模拟信号正极采集端连接；具体的，在左侧的接线座上设有8个正极接线孔(分别为VIN9～VIN16)，在右侧的接线座上设有8个正极接线孔(分别为VIN1～VIN8)。

在左侧接线座上设有一负极接线孔，该负极接线孔配有一个并联的备用负极接线孔；左侧接线座上各所述模拟信号正极采集端(分别为VIN9～VIN16)所对应的各所述模拟信号负极采集端并联连接至该左侧接线座上的负极接线孔；同理，在右侧接线座上设有一负极接线孔，该负极接线孔配有一个并联的备用负极接线孔，右侧接线座上各所述模拟信号正极采集端(分别为VIN1～VIN8)所对应的各所述模拟信号负极采集端并联连接至该右侧接线座上的负极接线孔。在本实施例中，对于采集端的接线方式上通过共用一负极接线孔的方式设计，相较于传统技术所采用的16路正极接线孔+16路负极接线孔，其大大缩减了接线孔的数量，从一定程度上，能够缩减该模块的整体体积，同时，又能够降低制造成本和接线繁琐度。

为实现对接线座的正常对外接线采集电压信号，如图2所示，在所述盖壳的两侧分别设有与所述接线座对应的开口，且在所述盖壳的两侧分别设有位于所述接线座上方的挡盖，各所述挡盖分别与盖壳之间铰接连接。在实际应用时，在接线时，需要打开挡盖，以便于操作；在接线完成后，将挡盖复原，其能够对接线处进行遮挡，以达到良好的防尘效果。

需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种电压模拟量采集模块，其特征在于，该采集模块包括：

差分放大器，所述差分放大器的输入端采集0～10V的模拟信号；

跟随器，所述跟随器的输入端与差分放大器的输出端连接，且差分放大器的输出端输出0～3V的电压信号；

单片机，所述单片机的ADC采集接口与跟随器的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的电压模拟量采集模块，其特征在于，所述单片机设有n个ADC采集接口，各个ADC采集接口分别连接一所述跟随器，其中，n≥1。

3.根据权利要求1所述的电压模拟量采集模块，其特征在于，各所述跟随器的同相输入端分别连接一所述差分放大器且各所述跟随器的输出端分别与各所述ADC采集接口连接；

同一跟随器的反相输入端与该跟随器的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的电压模拟量采集模块，其特征在于，各所述差分放大器的输出端经第一电阻串接至对应所述跟随器的同相输入端；

各所述差分放大器的同相输入端经第二电阻和保险丝串接至模拟信号正极采集端；

各所述差分放大器的反相输入端经第三电阻串接至模拟信号负极采集端。

5.根据权利要求1所述的电压模拟量采集模块，其特征在于，该采集模块还包括：

底壳，所述底壳的内部装有PCB电路板；

与底壳可拆卸装配的盖壳；

其中，所述PCB电路板上布置有各所述差分放大器、跟随器和单片机。

6.根据权利要求5所述的电压模拟量采集模块，其特征在于，所述PCB电

路板的两侧均设有接线座，接线座上设有n个正极接线孔且各所述正极接线孔分别与各所述模拟信号正极采集端连接；

同一接线座上各所述模拟信号正极采集端所对应的各所述模拟信号负极采集端连接至该接线座上同一负极接线孔。

7.根据权利要求6所述的电压模拟量采集模块，其特征在于，所述盖壳的两侧分别设有与所述接线座对应的开口。

8.根据权利要求6所述的电压模拟量采集模块，其特征在于，所述盖壳的两侧分别设有位于所述接线座上方的挡盖，各所述挡盖分别与盖壳之间铰接连接。