专利名称：一种提高电压信号采集精度的采集电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压信号采集电路。
背景技术：
电压信号的采集精度一般取决于A/D采集芯片的采集位数，采集位数越高，信号 的采集精度就越高。如果一个A/D采集芯片的采集位数为n，电压采集区间为(0，V)，则该
A/D采集芯片的最小采集精度为5 = 。受技术水平的限制，提高A/D采集芯片的采集位数是有限的，而且采集位数高的 A/D采集芯片其价格也往往很高，一般用户也难以接受。但有时需要采集的电压信号的区间 非常宽，并且在低电压段又需要较高的采集精度。比如超导储能磁体系统运行时，我们需要 时时采集超导储能磁体各段的端电压以判断超导储能磁体运行是否正常。超导储能磁体正 常运行时，超导线圈各段的端电压一般小于百分之一伏，但超导储能磁体不幸发生失超，超 导线圈各段的端电压最高可达数千伏。采集这样一个电压区间为数千伏，但最小采集精度 小于0. 01伏的电压信号，显然传统的低采集位数的采集电路就难以满足要求了。解决方法 之一就是提高采集电路的采集位数，但这样势必会增加成本，更何况采集电路的采集位数 也不能无限制提高。

发明内容
本发明的目的是克服现有低采集位数的采集电路不能满足高精度采集要求的缺 陷，提出一种新的电压信号采集电路。本发明采取的技术方案为对电压信号实行分段采集。将电压信号的采集区间分 成低压和高压两个子区间，在采集电压信号的低压子区间时，可以提高电压信号的放大倍 数，使低压区间放大到整个电压区间，如此可大大提高电压信号在低压子区间的采集精度； 如果电压信号进入高压子区间，采集电路会自动改变电压信号的放大倍数，使电压信号的 采集区间恢复原状，回到原来的采集精度。下面举例作进一步的说明，假设一个电压信号U需要采集的实际电压区间为(0，
V)，现采用η位的A/D采集芯片进行采集，则最小采集精度为氏二:^。如果将该电压信
2 一 1
号U的采样区间分成低压和高压两个子区间(OJ1)、(V1, V)，在低压子区间(OjV1)时，通过
放大电压信号U，使低电压子区间放大到(0，V)，则此时最小采集精度为Λ =^7，显然
2 — 1
S1 < δ^，可见采用分段采集的方法，低压子区间的采集精度提高了。本发明的采集电路能够自动实现分段采集功能。本发明的采集电路包括分压电 路、分段识别电路、放大电路和A/D采集芯片。分压电路的输出端分别连接到分段识别电路 和放大电路的输入端上，分压电路取样的电压信号直接传输给分段识别电路和放大电路。 分段识别电路的输出端连接到放大电路中接触器Kl的控制线圈供电端，分段识别电路的输出电平控制接触器Kl触头的开闭。A/D采集芯片的输入端分别与分段识别电路和放大电 路的输出端连接，A/D采集芯片分别采集分段识别电路和放电电路的输出的电压信号，然后 通过串口通信方式将数据传输给CPU。分压电路采用一个高阻值的隔离电阻和一个低阻值的取样电阻串联起来进行分
R2
压，分压比为# = vf^-，通过分压后实际的电压信号变成一个可以进行采集的弱电压信 K} + K2
号。分段识别电路根据用户设定的中间值对电压信号的采集区间进行分段，分段识别电路 包含一个由运放组成的比较电路，将电压信号同用户设定的中间值进行比较，如果电压信 号小于中间值，说明电压信号位于低压区间，比较电路输出一个低电平，此低电平传输给一 非门，非门输出端即为分段识别电路的输出端输出一高电平；如果电压信号大于中间值，说 明电压信号位于高压区间，比较电路输出高电平，此高电平传输给非门，非门输出端即为分 段识别电路的输出端输出一低电平。放大电路为常用的运放放大电路，其放大倍数可以通 过选择不同的增益电阻来改变，放大电路中放置一个接触器，接触器含有常开和常闭两个 触头，接触器根据分段识别电路输出的电平信号来选择相应的放大倍数。A/D采集芯片时时 采集放大电路输出的电压信号和分段识别电路输出的电平信号，然后传输给CPU。


附图是本发明实施例的电压信号采集电路，图中1分压电路、2分段识别电路、3 放大电路、4A/D采集芯片。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。如附图所示，本发明的采集电路包括分压电路1、分段识别电路2、放大电路3和A/ D采集芯片4。分压电路1的输出端分别连接到分段识别电路2和放大电路3的输入端上， 分压电路1上取样的电压信号直接传输给分段识别电路2和放大电路3。分段识别电路2 的输出端连接到放大电路3中接触器Kl的控制线圈供电端，分段识别电路2的输出电平控 制接触器Kl触头的开闭。A/D采集芯片4的输入端分别与分段识别电路2和放大电路3的 输出端连接，A/D采集芯片4分别采集分段识别电路2和放大电路3的输出的电压信号，然 后通过串口通信方式将数据传输给CPU。分压电路1采用一个高阻值的隔离电阻Rl和一个低阻值的取样电阻R2串联起来
R2
进行分压，分压比为《 = ^~^，通过分压后实际的电压信号变成一个可以进行采集的弱
电压信号。分压取样的电压信号通过分段识别电路2来判断其位于低压区间(Oj1)还是高 压区间(V1, V)。分段识别电路2包含一个由运放IClA组成的比较电路，参考电压Vkef通过 R3和R4组成的分压电路的取样后即为用户设定的分段中间值义。电压采样信号同用户设 定的中间值V1进行比较，如果电压采样信号小于中间值V1,说明电压采样信号位于低压区 间(0，V1),比较电路输出一个低电平，此低电平传输给非门IC2的输入端，非门IC2输出端 即为分段识别电路2的输出端输出一高电平；如果电压采样信号大于中间值V1，说明电压 采样信号位于高压区间(V1, V)，比较电路输出高电平，此高电平传输给非门IC2的输入端，
4非门IC2输出端即为分段识别电路2的输出端输出一低电平。放大电路3为常用的运放放 大电路，IClB为运算放大器，其放大倍数可以通过选择不同的增益电阻来改变，放大电路3 中有一接触器K1，接触器Kl含有常开和常闭两个触头，常闭触头同电阻R12连接，常开触头 同电阻R13连接。接触器Kl根据分段识别电路2输出的电平信号来选择相应的增益电阻。 电压采样信号位于低压区间(Oj1)时，分段识别电路2输出一高电平，接触器Kl闭合常开 触头，放大电路3采用电阻R13作为增益电阻；电压采样信号位于高压区间(V1,V)时，分段 识别电路2输出一低电平，接触器Kl闭合常闭触头，放大电路3采用电阻R12作为增益电 阻。根据电压采集信号位于不同的采样区间，放大电路3采用不同的放电倍数对电压采样 信号进行放大，这样就可以在电压采集信号位于低压区间时，提高放大倍数，使低压区间放 大到整个采集区间，从而提高低压区间的电压信号采集精度。A/D采集芯片4时时采集放大 电路输出的电压信号和分段识别电路2输出的电平信号，然后传输给CPU。
如附图所示，其中分压电路1中的电阻Rl的一端作为输入端输入实际需要采集 的电压信号，电阻Rl的另一端与电阻R2的一端连接，并作为分压电路1的输出端，电阻R2 的另一端接地。分压电路1的输出端串联一个电阻R7，然后连接到分段识别电路2中运放 IClA的第一输入端P2上。电阻R3与电阻R4串联组成分压电路对参考电压Vkef实行分压，此 分压电路的输出端串联一个电阻R5，然后连接到运放IClA的第二输入端P3上。运放IClA 输出端与二极管Dl的阴极连接，二极管Dl的阳极串联一个电阻R9后与非门IC2的输入端 连接。非门IC2的输出端即为分段识别电路2的输出端，分别连接到A/D采集芯片4的第 一输入端Ql和放大电路3中接触器Kl的控制线圈供电端L5上。放大电路3中运放IClB 的第一输入端P5串联一个电阻RlO后与分压电路1的输出端连接，运放IClB的第二输入 端P6与接触器Kl的公共触点Ll连接，运放IClB的输出端，即为放大电路3的输出端连接 到A/D采集芯片4的第二输入端Q2。A/D采集芯片4将输入的电压信号采集转化成数字信 号，然后采用串口通信方式将数据传输给CPU。
权利要求
一种提高电压信号采集精度的采集电路，其特征在于所述的电压信号采样电路由分压电路(1)、分段识别电路(2)、放大电路(3)和A/D采集芯片(4)组成；分压电路(1)中的电阻R1的一端作为输入端输入需要采集的电压信号，电阻R1另一端与电阻R2的一端连接并作为分压电路(1)的输出端，电阻R2的另一端接地；分压电路(1)的输出端串联电阻R7然后连接到分段识别电路(2)中运放IC1A的第一输入端P2上；电阻R3与电阻R4串联组成分压电路对参考电压VREF实行分压，此分压电路的输出端串联电阻R5然后连接到运放IC1A的第二输入端P3上；运放IC1A输出端与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极串联电阻R9后与非门IC2的输入端连接；非门IC2的输出端即为分段识别电路(2)的输出端，分别连接到A/D采集芯片(4)的第一输入端Q1和放大电路(3)中接触器K1的控制线圈供电端L5上；放大电路(3)中运放IC1B的第一输入端P5串联一个电阻R10后与分压电路(1)的输出端连接，运放IC1B的第二输入端P6与接触器K1的公共触点L1连接，运放IC1B的输出端即为放大电路(3)的输出端，运放IC1B的输出端连接到A/D采集芯片(4)的第二输入端Q2；A/D采集芯片(4)将输入的电压信号采集转化成数字信号，然后采用串口通信方式将数据传输给CPU。
2.按照权利要求1所述的提高电压信号采集精度的采集电路，其特征在于通过所述的 分段识别电路⑵判断电压采集信号位于低压区间(V彡V1)还是高压区间(V彡V1)；分段 识别电路⑵将电压采样信号同电压中间值义比较，如果电压采样信号小于电压中间值V1, 说明电压采样信号位于低压区间(VSV1),分段识别电路(2)中的比较电路输出一个低电 平，此低电平传输给非门IC2的输入端，非门IC2输出端即为分段识别电路(2)的输出端输 出一高电平；如果电压采样信号大于中间值V1，说明电压采样信号位于高压区间(V ^ V1), 比较电路输出高电平，此高电平传输给非门IC2的输入端，非门IC2输出端即为分段识别电 路(2)的输出端输出一低电平。
3.按照权利要求1所述的电压信号采集电路，其特征在于通过选择不同的增益电阻改 变所述的放大电路(3)的放大倍数；放大电路(3)中的接触器Kl的常闭触头同电阻R12连 接，接触器Kl的常开触头同电阻R13连接；接触器Kl根据分段识别电路(2)输出的电平信 号来闭合常闭触头和常开触头，从而选择相应的增益电阻；放大电路(3)根据电压采集信 号位于不同的采样区间而采用不同的放大倍数对电压采样信号进行放大。
全文摘要
一种能提高电压采集精度的采集电路，由分压电路(1)、分段识别电路(2)、放大电路(3)和A/D采集芯片(4)组成。分段识别电路(2)根据用户设定的中间值V1判断电压采集信号位于低压区间(0，V1)还是高压区间(V1，V)，并输出一个相应的识别电平。放大电路(3)中的接触器K1根据分段识别电路(2)输出的电平信号来闭合常闭触头和常开触头，从而选择相应的增益电阻。根据电压采集信号位于不同的采样区间，放大电路(3)采用不同的放电倍数对电压采样信号进行放大，这样就可以在电压采集信号位于低压区间时，提高放大倍数，使低压区间放大到整个采集区间，从而提高低压区间的电压信号采集精度。
文档编号G01R19/25GK101915868SQ201010231370
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者戴银明, 王厚生, 王秋良, 陈顺中 申请人:中国科学院电工研究所