專利名稱：一種提高電壓信號采集精度的采集電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電壓信號采集電路。
背景技術：
電壓信號的采集精度一般取決于A/D采集芯片的采集位數，采集位數越高，信號 的采集精度就越高。如果一個A/D采集芯片的采集位數為n，電壓采集區間為(0，V)，則該
A/D采集芯片的最小采集精度為5 = 。受技術水平的限制，提高A/D采集芯片的采集位數是有限的，而且采集位數高的 A/D采集芯片其價格也往往很高，一般用戶也難以接受。但有時需要采集的電壓信號的區間 非常寬，并且在低電壓段又需要較高的采集精度。比如超導儲能磁體系統運行時，我們需要 時時采集超導儲能磁體各段的端電壓以判斷超導儲能磁體運行是否正常。超導儲能磁體正 常運行時，超導線圈各段的端電壓一般小于百分之一伏，但超導儲能磁體不幸發生失超，超 導線圈各段的端電壓最高可達數千伏。采集這樣一個電壓區間為數千伏，但最小采集精度 小于0. 01伏的電壓信號，顯然傳統的低采集位數的采集電路就難以滿足要求了。解決方法 之一就是提高采集電路的采集位數，但這樣勢必會增加成本，更何況采集電路的采集位數 也不能無限制提高。
發明內容
本發明的目的是克服現有低采集位數的采集電路不能滿足高精度采集要求的缺 陷，提出一種新的電壓信號采集電路。本發明采取的技術方案為對電壓信號實行分段采集。將電壓信號的采集區間分 成低壓和高壓兩個子區間，在采集電壓信號的低壓子區間時，可以提高電壓信號的放大倍 數，使低壓區間放大到整個電壓區間，如此可大大提高電壓信號在低壓子區間的采集精度； 如果電壓信號進入高壓子區間，采集電路會自動改變電壓信號的放大倍數，使電壓信號的 采集區間恢復原狀，回到原來的采集精度。下面舉例作進一步的說明，假設一個電壓信號U需要采集的實際電壓區間為(0，
V)，現采用η位的A/D采集芯片進行采集，則最小采集精度為氏二:^。如果將該電壓信
2 一 1
號U的采樣區間分成低壓和高壓兩個子區間(OJ1)、(V1, V)，在低壓子區間(OjV1)時，通過
放大電壓信號U，使低電壓子區間放大到(0，V)，則此時最小采集精度為Λ =^7，顯然
2 — 1
S1 < δ^，可見采用分段采集的方法，低壓子區間的采集精度提高了。本發明的采集電路能夠自動實現分段采集功能。本發明的采集電路包括分壓電 路、分段識別電路、放大電路和A/D采集芯片。分壓電路的輸出端分別連接到分段識別電路 和放大電路的輸入端上，分壓電路取樣的電壓信號直接傳輸給分段識別電路和放大電路。 分段識別電路的輸出端連接到放大電路中接觸器Kl的控制線圈供電端，分段識別電路的輸出電平控制接觸器Kl觸頭的開閉。A/D采集芯片的輸入端分別與分段識別電路和放大電 路的輸出端連接，A/D采集芯片分別采集分段識別電路和放電電路的輸出的電壓信號，然后 通過串口通信方式將數據傳輸給CPU。分壓電路采用一個高阻值的隔離電阻和一個低阻值的取樣電阻串聯起來進行分
R2
壓，分壓比為# = vf^-，通過分壓后實際的電壓信號變成一個可以進行采集的弱電壓信 K} + K2
號。分段識別電路根據用戶設定的中間值對電壓信號的采集區間進行分段，分段識別電路 包含一個由運放組成的比較電路，將電壓信號同用戶設定的中間值進行比較，如果電壓信 號小于中間值，說明電壓信號位于低壓區間，比較電路輸出一個低電平，此低電平傳輸給一 非門，非門輸出端即為分段識別電路的輸出端輸出一高電平；如果電壓信號大于中間值，說 明電壓信號位于高壓區間，比較電路輸出高電平，此高電平傳輸給非門，非門輸出端即為分 段識別電路的輸出端輸出一低電平。放大電路為常用的運放放大電路，其放大倍數可以通 過選擇不同的增益電阻來改變，放大電路中放置一個接觸器，接觸器含有常開和常閉兩個 觸頭，接觸器根據分段識別電路輸出的電平信號來選擇相應的放大倍數。A/D采集芯片時時 采集放大電路輸出的電壓信號和分段識別電路輸出的電平信號，然后傳輸給CPU。
附圖是本發明實施例的電壓信號采集電路，圖中1分壓電路、2分段識別電路、3 放大電路、4A/D采集芯片。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。如附圖所示，本發明的采集電路包括分壓電路1、分段識別電路2、放大電路3和A/ D采集芯片4。分壓電路1的輸出端分別連接到分段識別電路2和放大電路3的輸入端上， 分壓電路1上取樣的電壓信號直接傳輸給分段識別電路2和放大電路3。分段識別電路2 的輸出端連接到放大電路3中接觸器Kl的控制線圈供電端，分段識別電路2的輸出電平控 制接觸器Kl觸頭的開閉。A/D采集芯片4的輸入端分別與分段識別電路2和放大電路3的 輸出端連接，A/D采集芯片4分別采集分段識別電路2和放大電路3的輸出的電壓信號，然 后通過串口通信方式將數據傳輸給CPU。分壓電路1采用一個高阻值的隔離電阻Rl和一個低阻值的取樣電阻R2串聯起來
R2
進行分壓，分壓比為《 = ^~^，通過分壓后實際的電壓信號變成一個可以進行采集的弱
電壓信號。分壓取樣的電壓信號通過分段識別電路2來判斷其位于低壓區間(Oj1)還是高 壓區間(V1, V)。分段識別電路2包含一個由運放IClA組成的比較電路，參考電壓Vkef通過 R3和R4組成的分壓電路的取樣后即為用戶設定的分段中間值義。電壓采樣信號同用戶設 定的中間值V1進行比較，如果電壓采樣信號小于中間值V1,說明電壓采樣信號位于低壓區 間(0，V1),比較電路輸出一個低電平，此低電平傳輸給非門IC2的輸入端，非門IC2輸出端 即為分段識別電路2的輸出端輸出一高電平；如果電壓采樣信號大于中間值V1，說明電壓 采樣信號位于高壓區間(V1, V)，比較電路輸出高電平，此高電平傳輸給非門IC2的輸入端，
4非門IC2輸出端即為分段識別電路2的輸出端輸出一低電平。放大電路3為常用的運放放 大電路，IClB為運算放大器，其放大倍數可以通過選擇不同的增益電阻來改變，放大電路3 中有一接觸器K1，接觸器Kl含有常開和常閉兩個觸頭，常閉觸頭同電阻R12連接，常開觸頭 同電阻R13連接。接觸器Kl根據分段識別電路2輸出的電平信號來選擇相應的增益電阻。 電壓采樣信號位于低壓區間(Oj1)時，分段識別電路2輸出一高電平，接觸器Kl閉合常開 觸頭，放大電路3采用電阻R13作為增益電阻；電壓采樣信號位于高壓區間(V1,V)時，分段 識別電路2輸出一低電平，接觸器Kl閉合常閉觸頭，放大電路3采用電阻R12作為增益電 阻。根據電壓采集信號位于不同的采樣區間，放大電路3采用不同的放電倍數對電壓采樣 信號進行放大，這樣就可以在電壓采集信號位于低壓區間時，提高放大倍數，使低壓區間放 大到整個采集區間，從而提高低壓區間的電壓信號采集精度。A/D采集芯片4時時采集放大 電路輸出的電壓信號和分段識別電路2輸出的電平信號，然后傳輸給CPU。
如附圖所示，其中分壓電路1中的電阻Rl的一端作為輸入端輸入實際需要采集 的電壓信號，電阻Rl的另一端與電阻R2的一端連接，并作為分壓電路1的輸出端，電阻R2 的另一端接地。分壓電路1的輸出端串聯一個電阻R7，然后連接到分段識別電路2中運放 IClA的第一輸入端P2上。電阻R3與電阻R4串聯組成分壓電路對參考電壓Vkef實行分壓，此 分壓電路的輸出端串聯一個電阻R5，然后連接到運放IClA的第二輸入端P3上。運放IClA 輸出端與二極管Dl的陰極連接，二極管Dl的陽極串聯一個電阻R9后與非門IC2的輸入端 連接。非門IC2的輸出端即為分段識別電路2的輸出端，分別連接到A/D采集芯片4的第 一輸入端Ql和放大電路3中接觸器Kl的控制線圈供電端L5上。放大電路3中運放IClB 的第一輸入端P5串聯一個電阻RlO后與分壓電路1的輸出端連接，運放IClB的第二輸入 端P6與接觸器Kl的公共觸點Ll連接，運放IClB的輸出端，即為放大電路3的輸出端連接 到A/D采集芯片4的第二輸入端Q2。A/D采集芯片4將輸入的電壓信號采集轉化成數字信 號，然后采用串口通信方式將數據傳輸給CPU。
權利要求
一種提高電壓信號采集精度的采集電路，其特征在于所述的電壓信號采樣電路由分壓電路(1)、分段識別電路(2)、放大電路(3)和A/D采集芯片(4)組成；分壓電路(1)中的電阻R1的一端作為輸入端輸入需要采集的電壓信號，電阻R1另一端與電阻R2的一端連接并作為分壓電路(1)的輸出端，電阻R2的另一端接地；分壓電路(1)的輸出端串聯電阻R7然后連接到分段識別電路(2)中運放IC1A的第一輸入端P2上；電阻R3與電阻R4串聯組成分壓電路對參考電壓VREF實行分壓，此分壓電路的輸出端串聯電阻R5然后連接到運放IC1A的第二輸入端P3上；運放IC1A輸出端與二極管D1的陰極連接，二極管D1的陽極串聯電阻R9后與非門IC2的輸入端連接；非門IC2的輸出端即為分段識別電路(2)的輸出端，分別連接到A/D采集芯片(4)的第一輸入端Q1和放大電路(3)中接觸器K1的控制線圈供電端L5上；放大電路(3)中運放IC1B的第一輸入端P5串聯一個電阻R10后與分壓電路(1)的輸出端連接，運放IC1B的第二輸入端P6與接觸器K1的公共觸點L1連接，運放IC1B的輸出端即為放大電路(3)的輸出端，運放IC1B的輸出端連接到A/D采集芯片(4)的第二輸入端Q2；A/D采集芯片(4)將輸入的電壓信號采集轉化成數字信號，然后采用串口通信方式將數據傳輸給CPU。
2.按照權利要求1所述的提高電壓信號采集精度的采集電路，其特征在于通過所述的 分段識別電路⑵判斷電壓采集信號位于低壓區間(V彡V1)還是高壓區間(V彡V1)；分段 識別電路⑵將電壓采樣信號同電壓中間值義比較，如果電壓采樣信號小于電壓中間值V1, 說明電壓采樣信號位于低壓區間(VSV1),分段識別電路(2)中的比較電路輸出一個低電 平，此低電平傳輸給非門IC2的輸入端，非門IC2輸出端即為分段識別電路(2)的輸出端輸 出一高電平；如果電壓采樣信號大于中間值V1，說明電壓采樣信號位于高壓區間(V ^ V1), 比較電路輸出高電平，此高電平傳輸給非門IC2的輸入端，非門IC2輸出端即為分段識別電 路(2)的輸出端輸出一低電平。
3.按照權利要求1所述的電壓信號采集電路，其特征在于通過選擇不同的增益電阻改 變所述的放大電路(3)的放大倍數；放大電路(3)中的接觸器Kl的常閉觸頭同電阻R12連 接，接觸器Kl的常開觸頭同電阻R13連接；接觸器Kl根據分段識別電路(2)輸出的電平信 號來閉合常閉觸頭和常開觸頭，從而選擇相應的增益電阻；放大電路(3)根據電壓采集信 號位于不同的采樣區間而采用不同的放大倍數對電壓采樣信號進行放大。
全文摘要
一種能提高電壓采集精度的采集電路，由分壓電路(1)、分段識別電路(2)、放大電路(3)和A/D采集芯片(4)組成。分段識別電路(2)根據用戶設定的中間值V1判斷電壓采集信號位于低壓區間(0，V1)還是高壓區間(V1，V)，并輸出一個相應的識別電平。放大電路(3)中的接觸器K1根據分段識別電路(2)輸出的電平信號來閉合常閉觸頭和常開觸頭，從而選擇相應的增益電阻。根據電壓采集信號位于不同的采樣區間，放大電路(3)采用不同的放電倍數對電壓采樣信號進行放大，這樣就可以在電壓采集信號位于低壓區間時，提高放大倍數，使低壓區間放大到整個采集區間，從而提高低壓區間的電壓信號采集精度。
文檔編號G01R19/25GK101915868SQ201010231370
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者戴銀明, 王厚生, 王秋良, 陳順中 申請人:中國科學院電工研究所