CN115219781A - 正负电压采样电路及具有其的采样*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正负电压采样电路及具有其的采样***，该正负电压采样电路，包括：信号缩放模块、整流模块、滤波模块和过零比较模块；信号缩放模块用于对所接收的第一电平信号进行缩放处理并输出第二电平信号，第二电平信号＝第一电平信号*Num，Num≠0；整流模块用于对第二电平信号进行整流处理并输出第三电平信号，第三电平信号＝第二电平信号的绝对值；滤波模块用于对第三电平信号进行滤波处理并输出第四电平信号；当第二电平信号>0，过零比较模块输出第五电平信号；当第二电平信号<0，过零比较模块输出第六电平信号；第五电平信号和第六电平信号中的一个大于零，另一个等于零。从而能够对负电压进行测量。

Description

正负电压采样电路及具有其的采样***

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种正负电压采样电路及具有其的采样***。

背景技术

电量测量通常包括对电压、电流、功率等测量，其中电压测量是电子***中不可或缺的一项技术。目前，在嵌入式领域中常常通过单片机的内置AD或外部AD测压芯片对环境中的电压信号进行测量，并随着这些AD位数的增加，所测量的电压的最小分辨率越高。然而，这些AD模块通常只能测量输入到AD模块管脚上的正电压，如果所测电压为负电压时，AD模块不但不能转换所测的负电压，反而很有可能会损坏AD模块。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种正负电压采样电路及具有其的采样***。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种正负电压采样电路，包括：信号缩放模块、整流模块、滤波模块和过零比较模块；所述信号缩放模块用于对所接收的第一电平信号进行缩放处理并输出第二电平信号，第二电平信号＝第一电平信号*Num，Num≠0；所述整流模块用于对第二电平信号进行整流处理并输出第三电平信号，第三电平信号＝第二电平信号的绝对值；所述滤波模块用于对第三电平信号进行滤波处理并输出第四电平信号；当第二电平信号>0，所述过零比较模块输出第五电平信号；当第二电平信号<0，所述过零比较模块输出第六电平信号；第五电平信号和第六电平信号中的一个大于零，另一个等于零。

作为本发明实施例的一种改进，Num<0。

作为本发明实施例的一种改进，第五电平信号＝0，第六电平信号>0。

作为本发明实施例的一种改进，所述信号缩放模块包括：电阻R9、电阻R10、电阻R11和运算放大器U1D；所述运算放大器U1D的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0；所述电阻R10的第一端与输入端Vin电连接、第二端与运算放大器U1D的反相端电连接；所述电阻R9的第一端与运算放大器U1D的反相端电连接、第二端与运算放大器U1D的输出端O1电连接；所述电阻R11的第一端与运算放大器U1D的同相端电连接、第二端接地；在电阻R9、电阻R10和电阻R11中，第一、第二端分别为不同的端部；输入端Vin用于接收第一电平信号，输出端O1的输出电平信号为第二电平信号。

作为本发明实施例的一种改进，所述整流模块包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、二极管D2A、二极管D2B、运算放大器U1A和运算放大器U1B；所述运算放大器U1A的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0，所述运算放大器U1B的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0；电阻R1的第一端用于接收第二电平信号、第二端电连接到运算放大器U1A的反相端，运算放大器U1A的同相端接地；电阻R4的第一端电连接到电阻R1的第一端、第二端电连接到运算放大器U1B的反相端，运算放大器U1B的同相端接地；电阻R1的第二端电连接到电阻R2的第一端，电阻R2的第二端电连接到电阻R3的第一端，电阻R3的第二端电连接到运算放大器U1B的反相端；电阻R1的第二端电连接到二极管D2B的负极，二极管D2B的正极分别电连接到运算放大器U1A的输出端和二极管D2A的负极，二极管D2A的正极电连接到电阻R2的第二端；电阻R5的第一端电连接到运算放大器U1B的反相端、第二端分别电连接到输出端O2和运算放大器U1B的输出端O2；在电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5中，第一、第二端分别为不同的端部；输出端O2输出的电平信号为第三电平信号。

作为本发明实施例的一种改进，所述滤波模块包括：电阻R7和电容C1；电阻R7的第一端用于接收第三电平信号、第二端分别电连接到电容C1的第一端和输出端O3，电容C1的第二端接地；在电阻R7中，第一、第二端分别为不同的端部；输出端O3输出的电平信号为第四电平信号。

作为本发明实施例的一种改进，所述过零比较模块包括：电阻R6、电阻R8、电阻R12、电阻R13、运算放大器U1C和二极管D4；电阻R6的第一端用于接收第二电平信号、第二端电连接到运算放大器U1C的反相端；电阻R12的第一端接地、第二端电连接到运算放大器U1C的同相端；二极管D4的正极电连接到运算放大器U1C的输出端、负极电连接到电阻R13的第一端，电阻R13的第二端分别电连接到输出端O4和电阻R8的第一端，电阻R8的第二端接地；所述运算放大器U1C的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0；所述输出端O4用于输出第五电平信号和第六电平信号。

作为本发明实施例的一种改进，二极管D2A、二极管D2B和二极管D4均为锗二极管。

本发明实施例还提供了一种采样***，包含有上述的所述正负电压采样电路、信号源和信号测量装置；所述信号源能够产生第一电平信号并输入到所述正负电压采样电路中，所述信号测量装置具有第一输入端和第二输入端，第一输入端用于接收第四电平信号，第二输入端用于接收第五电平信号和第六电平信号。

作为本发明实施例的一种改进，所述信号测量装置为MCU。

本发明实施例所提供的正负电压采样电路及具有其的采样***具有以下优点：本发明实施例公开了一种正负电压采样电路及具有其的采样***，该正负电压采样电路，包括：信号缩放模块、整流模块、滤波模块和过零比较模块；信号缩放模块用于对所接收的第一电平信号进行缩放处理并输出第二电平信号，第二电平信号＝第一电平信号*Num，Num≠0；整流模块用于对第二电平信号进行整流处理并输出第三电平信号，第三电平信号＝第二电平信号的绝对值；滤波模块用于对第三电平信号进行滤波处理并输出第四电平信号；当第二电平信号>0，过零比较模块输出第五电平信号；当第二电平信号<0，过零比较模块输出第六电平信号；第五电平信号和第六电平信号中的一个大于零，另一个等于零。从而能够对负电压进行测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的正负电压采样电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的信号缩放模块的结构示意图；

图3A为本发明实施例提供的整流模块的结构示意图；

图3B和图3C为本发明实施例提供的整流模块的化简图；

图4为本发明实施例提供的滤波模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的过零比较模块的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的实施方式对本发明进行详细描述。但该实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本文和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了便于描述，在本申请文件中，正电平信号的电压大于零，GND的电平信号等于零，负电平信号的电压小于零。

本发明实施例一提供了一种正负电压采样电路，如图1所示，包括：

信号缩放模块1、整流模块2、滤波模块3和过零比较模块4；所述信号缩放模块1用于对所接收的第一电平信号进行缩放处理并输出第二电平信号，第二电平信号＝第一电平信号*Num，Num≠0；所述整流模块2用于对第二电平信号进行整流处理并输出第三电平信号，第三电平信号＝第二电平信号的绝对值；所述滤波模块3用于对第三电平信号进行滤波处理并输出第四电平信号；当第二电平信号>0，所述过零比较模块4输出第五电平信号；当第二电平信号<0，所述过零比较模块4输出第六电平信号；第五电平信号和第六电平信号中的一个大于零，另一个等于零。

这里，在实际使用时，第一电平信号的绝对值可能比较大或比较小，因此，为了便于测量，在该正负电压采样电路设置有信号缩放模块1，信号缩放模块1能够对第一电平信号缩放Num倍，从而输出第二电平信号，而经过整流模块2输出的第三电平信号＝第二电平信号的绝对值，之后，第三电平信号经过滤波处理输出第四电平信号，可以理解的是，第四电平信号输出始终是正电平信号，且由于经过了滤波处理，第四电平信号更加的平滑。此外，可以根据过零比较模块4的输出来判断第一电平信号是正电平信号还是负电平信号。

本实施例中，Num<0。

本实施例中，第五电平信号＝0，第六电平信号>0。这里，第五、第六电平信号都是大于零的，因此，信号采样模块，所接收到的电平信号都是正电平信号。

本实施例中，所述信号缩放模块1包括：电阻R9、电阻R10、电阻R11和运算放大器U1D；所述运算放大器U1D的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0；所述电阻R10的第一端与输入端Vin电连接、第二端与运算放大器U1D的反相端电连接；所述电阻R9的第一端与运算放大器U1D的反相端电连接、第二端与运算放大器U1D的输出端O1电连接；所述电阻R11的第一端与运算放大器U1D的同相端电连接、第二端接地；在电阻R9、电阻R10和电阻R11中，第一、第二端分别为不同的端部；输入端Vin用于接收第一电平信号，输出端O1的输出电平信号为第二电平信号。

这里，当输入端Vin输入的是正电平信号(即大于零)时，输出端O1的电压为负值，并被限制在负电源所输入的电压附近。当输入端Vin输入的是负电平信号(即小于零)时，输出端O1的电压变正值，并被限制在正电源所输入的电压附近。可以理解的是，输出端O1所述出电平信号/输入端Vin输入的电平信号＝-1*R9/R10，R11＝R10//R9。

本实施例中，如图3A、图3B和图3C所示，所述整流模块2包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、二极管D2A、二极管D2B、运算放大器U1A和运算放大器U1B；所述运算放大器U1A的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0，所述运算放大器U1B的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0；电阻R1的第一端用于接收第二电平信号、第二端电连接到运算放大器U1A的反相端，运算放大器U1A的同相端接地；电阻R4的第一端电连接到电阻R1的第一端、第二端电连接到运算放大器U1B的反相端，运算放大器U1B的同相端接地；电阻R1的第二端电连接到电阻R2的第一端，电阻R2的第二端电连接到电阻R3的第一端，电阻R3的第二端电连接到运算放大器U1B的反相端；电阻R1的第二端电连接到二极管D2B的负极，二极管D2B的正极分别电连接到运算放大器U1A的输出端和二极管D2A的负极，二极管D2A的正极电连接到电阻R2的第二端；电阻R5的第一端电连接到运算放大器U1B的反相端、第二端分别电连接到输出端O2和运算放大器U1B的输出端O2；在电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5中，第一、第二端分别为不同的端部；输出端O2输出的电平信号为第三电平信号。

这里，当输出端O1的输出为正电平信号Vi(Vi>0)时，运算放大器U1A的同相端的电位比反相端的电位低，运算放大器U1A的输出端输出的电压为负，所以二极管D1截至，二极管D2导通，运算放大器U1B构成了增益为-1的反相放大器，输出为-Vi，此时的等效电路图如图3B所示。根据虚短和KCL公式可列方程：(0-(-Vi))/R3+(0-Vi)/R4+(0-O2)/R5＝0，得到：O2＝Vi。

这里，当输出端O1的输出为负电平信号-Vi(Vi>0)时，运算放大器U1A的同相端的电位比反相端的电位高，运算放大器U1A的输出端输出的电压为正，所以二极管D2截至，由于运放放大器U1A的虚短，电阻R2的第一端和电阻R3的第二端电位为0，没有电流流过。运算放大器U1A相当于从电路中断开。只有运算放大器U1B工作，对运算放大器U1B进行分析，此时的等效电路图如图3C所示，此时，运算放大器U1B就是一个增益为-1的反相放大器。所以O2＝-Vi。

综上所述，该整流模块2的功能是输出端O2的电平信号＝输出端O1的电平信号的绝对值。

本实施例中，如图4所示，所述滤波模块3包括：电阻R7和电容C1；电阻R7的第一端用于接收第三电平信号、第二端分别电连接到电容C1的第一端和输出端O3，电容C1的第二端接地；在电阻R7中，第一、第二端分别为不同的端部；输出端O3输出的电平信号为第四电平信号。这里，电阻R6对输出端O2输入的电平信号进行按比例分压以及泄放输出电容C1的能量，从而达到滤波的效果。

本实施例中，如图5所示，所述过零比较模块4包括：电阻R6、电阻R8、电阻R12、电阻R13、运算放大器U1C和二极管D4；电阻R6的第一端用于接收第二电平信号、第二端电连接到运算放大器U1C的反相端；电阻R12的第一端接地、第二端电连接到运算放大器U1C的同相端；二极管D4的正极电连接到运算放大器U1C的输出端、负极电连接到电阻R13的第一端，电阻R13的第二端分别电连接到输出端O4和电阻R8的第一端，电阻R8的第二端接地；所述运算放大器U1C的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0；所述输出端O4用于输出第五电平信号和第六电平信号。

当第二电平信号为负电平时，运算放大器U1C接收到的输入电压为负，因为运算放大器U1C的反向端为负值，正向输入端为0V，则输出电压接近正电源电压，且运算放大器U1C的输出端经过二极管D4，电阻R13和电阻R8形成回路，电阻R13和电阻R8形成分压电路把电压限制在一个范围内，此时，输出端O4输出为正电平信号。

当第二电平信号为正电平时，运算放大器U1C接收到的输入电压为正，因为运算放大器U1C反向端为正值，正向输入端为0V，则输出电压接近负电源电压，二极管D4阻止电流由地经电阻R8和电阻R13回传到运算放大器U1C的输出端，相当于断路。所以R8为下拉电阻，V2端电压为0V。将V2输入MCU的普通IO口，IO配置成浮空输入状态。

本实施例中，二极管D2A、二极管D2B和二极管D4均为锗二极管。锗二极管具有压降小的优点。

本发明实施例二提供了一种采样***，包含有实施例一中的正负电压采样电路、信号源和信号测量装置；所述信号源能够产生第一电平信号并输入到所述正负电压采样电路中，所述信号测量装置具有第一输入端和第二输入端，第一输入端用于接收第四电平信号，第二输入端用于接收第五电平信号和第六电平信号。

可选的，所述信号测量装置为MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，此外，在该MCU中设置有ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器)模块，第一输入端电连接到该ADC模块，即ADC模块对第四电平信号进行模数转换处理。在实际使用中，可以将输出端O4输入MCU的普通IO口，IO配置成浮空输入状态。

本实施例，所述信号测量装置为MCU。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正负电压采样电路，其特征在于，包括：

信号缩放模块(1)、整流模块(2)、滤波模块(3)和过零比较模块(4)；

所述信号缩放模块(1)用于对所接收的第一电平信号进行缩放处理并输出第二电平信号，第二电平信号＝第一电平信号*Num，Num≠0；

所述整流模块(2)用于对第二电平信号进行整流处理并输出第三电平信号，第三电平信号＝第二电平信号的绝对值；所述滤波模块(3)用于对第三电平信号进行滤波处理并输出第四电平信号；

当第二电平信号>0，所述过零比较模块(4)输出第五电平信号；当第二电平信号<0，所述过零比较模块(4)输出第六电平信号；第五电平信号和第六电平信号中的一个大于零，另一个等于零。

2.根据权利要求1所述的正负电压采样电路，其特征在于：

Num<0。

3.根据权利要求1所述的正负电压采样电路，其特征在于：

第五电平信号＝0，第六电平信号>0。

4.根据权利要求1所述的正负电压采样电路，其特征在于，所述信号缩放模块(1)包括：

电阻R9、电阻R10、电阻R11和运算放大器U1D；所述运算放大器U1D的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0；

所述电阻R10的第一端与输入端Vin电连接、第二端与运算放大器U1D的反相端电连接；所述电阻R9的第一端与运算放大器U1D的反相端电连接、第二端与运算放大器U1D的输出端O1电连接；所述电阻R11的第一端与运算放大器U1D的同相端电连接、第二端接地；在电阻R9、电阻R10和电阻R11中，第一、第二端分别为不同的端部；

输入端Vin用于接收第一电平信号，输出端O1的输出电平信号为第二电平信号。

5.根据权利要求1所述的正负电压采样电路，其特征在于，所述整流模块(2)包括：

电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、二极管D2A、二极管D2B、运算放大器U1A和运算放大器U1B；所述运算放大器U1A的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0，所述运算放大器U1B的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0；

电阻R1的第一端用于接收第二电平信号、第二端电连接到运算放大器U1A的反相端，运算放大器U1A的同相端接地；

电阻R4的第一端电连接到电阻R1的第一端、第二端电连接到运算放大器U1B的反相端，运算放大器U1B的同相端接地；

电阻R1的第二端电连接到电阻R2的第一端，电阻R2的第二端电连接到电阻R3的第一端，电阻R3的第二端电连接到运算放大器U1B的反相端；

电阻R1的第二端电连接到二极管D2B的负极，二极管D2B的正极分别电连接到运算放大器U1A的输出端和二极管D2A的负极，二极管D2A的正极电连接到电阻R2的第二端；

电阻R5的第一端电连接到运算放大器U1B的反相端、第二端分别电连接到输出端O2和运算放大器U1B的输出端O2；

在电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5中，第一、第二端分别为不同的端部；输出端O2输出的电平信号为第三电平信号。

6.根据权利要求1所述的正负电压采样电路，其特征在于，所述滤波模块(3)包括：

电阻R7和电容C1；

电阻R7的第一端用于接收第三电平信号、第二端分别电连接到电容C1的第一端和输出端O3，电容C1的第二端接地；

在电阻R7中，第一、第二端分别为不同的端部；输出端O3输出的电平信号为第四电平信号。

7.根据权利要求1所述的正负电压采样电路，其特征在于，所述过零比较模块(4)包括：

电阻R6、电阻R8、电阻R12、电阻R13、运算放大器U1C和二极管D4；

电阻R6的第一端用于接收第二电平信号、第二端电连接到运算放大器U1C的反相端；

电阻R12的第一端接地、第二端电连接到运算放大器U1C的同相端；

二极管D4的正极电连接到运算放大器U1C的输出端、负极电连接到电阻R13的第一端，电阻R13的第二端分别电连接到输出端O4和电阻R8的第一端，电阻R8的第二端接地；

所述运算放大器U1C的正电源端所输入的电压>0、负电源端所输入的电压<0；

所述输出端O4用于输出第五电平信号和第六电平信号；

在电阻R6、电阻R8、电阻R12和电阻R13中，第一、第二端分别为不同的端部。

8.根据权利要求2-7任一项所述的正负电压采样电路，其特征在于：

二极管D2A、二极管D2B和二极管D4均为锗二极管。

9.一种采样***，其特征在于：

包含有权利要求1-8任一项所述正负电压采样电路、信号源和信号测量装置；

所述信号源能够产生第一电平信号并输入到所述正负电压采样电路中，

所述信号测量装置具有第一输入端和第二输入端，第一输入端用于接收第四电平信号，第二输入端用于接收第五电平信号和第六电平信号。

10.根据权利要求9所述的采样***，其特征在于：

所述信号测量装置为MCU。

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