CN107167678B - 一种多功能模拟信号采集电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能模拟信号采集电路，通过控制开关的打开和闭合，判断本发明模拟信号采集电路输出的电压信号达到固定极限的峰值或是正常工作电压范围，当开关打开，电路输出的电压信号达到固定极限的峰值时，判定电路需要测量的是电流模拟量，然后闭合开关，电路输出待测电流转换的电压；当电路输出的电压信号在正常工作范围内时，判定电路需要测量的是电压模拟量，电路直接输出待测电压转换后的电压。本发明采用一个模拟信号采集电路，就能满足监测待测电流和待测电压，不需要额外增加信号采集电路，节约了电路的设计成本，同时，本发明的电路结构简单、易于生产调试，回路取样精度高且稳定，偏置电压和温度漂移电压较小。

Description

一种多功能模拟信号采集电路
技术领域
本发明属于电力***保护测控技术领域，具体涉及一种多功能模拟信号采集电路。
背景技术
传统变电站非电量传感器输出一般都是0～5V或者是4～20mA，如变压器温度、油中气体等，这时的非电量模拟信号等级范围较为固定，只需要在电路设计中考虑电流和电压两种规格即可，也可以设计成兼容，在使用时通过接通电流取样电阻，直接把电流采样转化为电压采样即可。但是随着智能变电站技术的进步，在设备电源、新能源电平、一次设备检测、避雷器等的检测中，对非电量的监视范围扩展了很大，导致了非电量模拟信号电平等级出现多个等级，如0～600VDC、0～300VDC、0～48VDC、0～5V、-10～+10V、4～20mA、-40～40mA。
现有技术的模拟信号采集电路一般是针对不同模拟量范围设计不同的电路进行检测，比如专门设计测量电压模拟信号的转换电路，或专门设计测量电流模拟信号的转换电路，没有一种通用的模拟信号转换电路，不仅设计的转换电路复杂，也提高了转换电路的设计成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能模拟信号采集电路，用于解决现有的采集模拟信号的转换电路不能同时适用于检测电压信号和电流信号、需分别设计检测电路提高检测成本的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种多功能模拟信号采集电路，包括以下解决方案：
方案一，包括第一支路和第二支路，两个支路的端口并联，用于连接待测信号，其中，第一支路串设有开关和第一电阻，第二支路为电阻分压支路，第二支路的分压端用于连接运算放大器的输入端。
方案二，在方案一的基础上，所述第二支路依次串设有第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，其中，第三电阻和第四电阻的两端为所述分压端。
方案三，在方案二的基础上，所述第三电阻和第四电阻的公共端接地。
方案四、五，分别在方案二、三的基础上，所述第三电阻和第四电阻的两端还连接有保护元件，保护元件用于与所述运算放大器的输入端并联。
方案六、七，分别在方案四、五的基础上，所述保护元件为稳压二极管。
方案八，在方案二的基础上，所述第二电阻的阻值和第五电阻的阻值相等，第三电阻的阻值和第四电阻的阻值相等。
本发明的有益效果是：通过控制开关的打开和闭合，判断本发明模拟信号采集电路输出的电压信号达到固定极限的峰值或是正常工作电压范围，当开关打开，电路输出的电压信号达到固定极限的峰值时，判定电路需要测量的是电流模拟量，然后闭合开关，电路输出待测电流转换的电压；当电路输出的电压信号在正常工作范围内时，判定电路需要测量的是电压模拟量，电路直接输出待测电压转换后的电压。本发明采用一个模拟信号采集电路，就能满足监测待测电流和待测电压，不需要额外增加信号采集电路，节约了电路的设计成本，同时，本发明的电路结构简单、易于生产调试，回路取样精度高且稳定，偏置电压和温度漂移电压较小。
附图说明
图1是本发明的采集模拟信号的转换电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本发明的一种多功能模拟信号采集电路的实施例：
如图1所示，包括第一支路和第二支路，第一支路串设有开关S和电阻R1，第二支路串依次设有电阻R2、R3、R4和R5，其中R5＝R2，R3＝R4，电阻R3和R4的公共端接地，电阻R3和R4的两端还连接有保护元件Z，保护元件Z与仪表运算放大器OP的两个输入端并联。
第一支路和第二支路并联后，连接到待测端口，用于测量Ain，Ain表示待测电压或待测电流，Uo为将待测电压或待测电流转换成电压后的电压值，Rj为与运算放大器OP的放大系数有关的电阻。
为了判断Ain是待测的电流还是电压，采用以下判断步骤：
保持开关S断开，检测Uo输出的电压，当Uo的电压为固定的极限峰值时，也就是Uo的电压超出正常工作范围时，判定Ain是待测的电流；当Uo的电压在正常的工作范围时，判定Ain是待测的电压，记录此时待测电压经过电路转换后的电压值。
Uo的电压超出正常工作范围后，闭合开关S，重新检测Uo输出的电压，当重新检测Uo的电压在正常范围内时，确认Ain是待测的电流，记录此时待测电流经过电路转换后的电压值。
这样判断的原理在于：开关S断开时，若Ain是非电量变换器输出的待测电流，流过待测电流的电阻R3和R4上的电压会超过保护元件Z上的电压峰值，例如，当保护元件为稳压二极管，当电阻R3和R4上的电压达到稳压二极管的触发条件时，稳压二极管将保持在设定的保护电压峰值，运算放大器OP输出的Uo也是一个固定的峰值，该值接近运算放大器OP的电源电压。确定Ain是待测电流后，将开关S闭合，待测电流流过小阻值取样电阻R1，而电阻R5、R2远大于电阻R1，并联输入端口形成的电压在输入范围内，使电阻R3和R4上分得的电压较小，不会触发稳压二极管，而使Uo输出的电压在正常工作范围内。
而闭合开关S，且Ain是非电量变换器输出的待测电压时，检测Uo输出的电压为R3/(R2+R3)*k*Ain，或者表示为R4/(R5+R4)*k*Ain，其中k为仪表运算放大器OP的放大系数，一般的，k＝1+50k/Rj，由于电阻R3阻值远小于R2阻值，因此保证Uo在正常电压范围内时，可以完成输入端口的较大电压范围测量。
例如，设定元件Z保护电压为12V，运放电源取15V，其管脚最大可以输入15V，待测电压信号范围是-100V～+100V时，R5＝R2＝95k，R3＝R4＝5k；元件Z两端的电压为-5V～+5V；取Rj＝50k，k＝1+50k/Rj＝2，所以Uo输出范围是-10V～+10V。
当元件S断开，且待测电流信号为4～20mA时，取电流5mA，流过R2～R5，在元件Z两端形成的电压为5mA*(R3+R4)＝50V，已经远超元件Z的保护电压12V，无论电流怎么变化，Uo均输出15V，这是因为12*2大于运放电源，运放OP输出不会大于运放电源15V；当元件S闭合时，电流取样电阻R1取值250欧姆，R1两端最大电压为20mA*250*(R1/(R2+R3+R4+R5))＝5V，对应Uo输出为1V。
本发明通过控制开关的打开和闭合，判断模拟信号采集电路输出的电压信号达到固定的峰值或是正常工作范围，当电路输出的电压信号达到固定的峰值时，判定电路需要测量的电流，闭合开关，电路输出待测电流转换的电压；当电路输出的电压信号在正常工作范围内时，判定电路需要测量的电压，电路直接输出待测电压转换后的电压。
本发明设置保护元件Z还用于吸收过高电压，能防止Ain错误施加过高电压，R2、R3、R4和R5分压后电压超过运算放大器OP的输入范围导致运放损坏。
本发明采用一个模拟信号采集电路，就能同时检测监测电流和待测电压，不需要额外设计信号采集电路，节约了电路的设计成本，同时，本发明的电路结构简单、易于生产调试，回路取样精度高且稳定，偏置电压和温度漂移电压较小。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权力要求范围之内。

Claims (2)

1.一种模拟信号采集电路，其特征在于，包括第一支路和第二支路，两个支路的端口并联，用于连接待测信号，其中，第一支路串设有开关和第一电阻，第二支路为电阻分压支路，第二支路的分压端用于连接运算放大器的输入端；
所述第二支路依次串设有第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，其中，第三电阻和第四电阻的两端为所述分压端；
所述第三电阻和第四电阻的公共端接地；所述第三电阻和第四电阻的两端还连接有保护元件，保护元件用于与所述运算放大器的输入端并联；
所述保护元件为稳压二极管。
2.根据权利要求1所述的模拟信号采集电路，其特征在于，所述第二电阻的阻值和第五电阻的阻值相等，第三电阻的阻值和第四电阻的阻值相等。
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