CN117871921B - 一种单通道多量程自动切换测量电路及负荷监测单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单通道多量程自动切换测量电路及负荷监测单元，包括测量电流输入转换电路、基准电压生成电路、档位信息生成电路、档位匹配电路、电压信号调试电路和控制器。本发明在应用时，采用硬件自动判断量程大小，自动切换量程，无需软件控制，自动匹配最优档位，提高测量精度；同时，本发明通过一路ADC进行采样，量程由外部硬件告知MCU，大大降低了设备对采样ADC的要求，节约成本，软件编写简化，设备更加稳定。

Description

一种单通道多量程自动切换测量电路及负荷监测单元

技术领域

本发明涉及自动测量领域，具体是一种单通道多量程自动切换测量电路及负荷监测单元。

背景技术

在现有技术中，多量程测量技术一般依赖于软件控制切换，并使用多路ADC进行采样，这种控制方式通过软件来控制切换，存在软件跑飞和死机的风险，如果软件出现异常，将出现不能检测或者检测错误的情况。同时，通过软件控制切换的方式在测量时有几个量程就需要占用几个ADC通道，要求使用的主机或者ADC需要匹配量程拥有多路ADC，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在多量程测量通过软件控制量程切换存在软件跑飞和死机的风险，从而导致无法检测或检测错误，同时测量时有几个量程就需要占用几个ADC通道，成本较高的不足，提供了一种单通道多量程自动切换测量电路及负荷监测单元，其在应用时通过硬件判断量程的大小，自动切换，同时，只需一路ADC即可完成各量程的采样，大大降低了设备对采样ADC的要求，节约成本。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

第一方面，本申请提供了一种单通道多量程自动切换测量电路，包括测量电流输入转换电路、基准电压生成电路、档位信息生成电路、档位匹配电路、电压信号调试电路和控制器，其中，

所述档位信息生成电路包括n个比较器，n≥1，所述比较器的同相输入端输入被测电压，所述比较器的反向输入端输入比较电压，并从所述比较器的输出端输出档位信息；一个所述比较器用于一个输入电源档位信息的判断，并向档位匹配电路和控制器输出档位信息；

所述测量电流输入转换电路的输出端与各个比较器的同相输入端连接，用于输入被测电流，将被测电流转化为被测电压，并向档位信息生成电路输出被测电压；

所述基准电压生成电路用于输出参考基准电压和比较电压，其中，所述参考基准电压通过分压得到n个从小到大排列的比较电压，n个比较电压一一对应输入n个比较器的反相输入端；

所述档位匹配电路与测量电流输入转换电路连接，组成VI转换电路，所述档位匹配电路的输入端输入档位信息，用于根据档位信息将不同档位的输入被测电流转换为同一档位的采样电压，并将采样电压输出给电压信号调试电路；

所述电压信号调试电路的输入端输入采样电压，用于对采样电压进行放大，并将放大后的采样电压输出给控制器，以供控制器对采样电压进行采样；

所述控制器用于输入档位信息，根据档位信息对输入的被测电流档位进行识别，当被测电压小于第一个的比较电压时，输入的被测电流为第零档，当被测电压大于第n个比较电压时，输入的被测电流为第n档；用于输入经放大后的采样电压，并对该采样电压进行采样。

在进行多量程的测量过程中，发明人发现在通过软件控制量程的切换时，软件会有跑飞和死机的风险，而如果软件出现异常，那么将出现不能检测或者检测错误的情况，同时，多量程的测量需要依赖多路ADC进行采样，即测量时有几个量程就需要占用几个ADC通道，这就要求使用的主机或者ADC需要拥有多路ADC，以此来匹配多个量程，成本较高。

为此，基于上述现有技术中存在的问题，发明人提出本申请，以此来解决现有技术中存在的问题。在本申请中，设置有测量电流输入转换电路、基准电压生成电路、档位信息生成电路、档位匹配电路、电压信号调试电路和控制器，其中，测量电流输入转换电路用于输入被测电流，将被测电流转化为被测电压，并向档位信息生成电路和档位匹配电路输出被测电压，基准电压生成电路用于输出参考基准电压和比较电压，测量电流输入转换电路输出的被测电压输入档位信息生成电路中，在档位信息生成电路中，设置有n个比较器，被测电压分别输入n个比较器的同相输入端，同时，基准电压生成电路输出参考基准电压，该参考基准电压通过分压得到n个从小到大排列的比较电压，且得到的n个比较电压一一对应输入n个比较器的反相输入端，此时，当输入被测电流大小改变时，即输入不同档位的被测电流时，转换得到的被测电压的大小随着被测电流的大小发生变化。若被测电压小于最小的比较电压，即第一个比较电压时，则所有比较器的输出端输出均为低电平，该信息输入给控制器，此时控制器根据各个比较器的输出端均输出低电平这一信息判断输入被测电流的档位为最低档，即第零档，当被测电压随输入的被测电流从小到大变化时，此时被测电压渐渐大于各个比较电压，从而各个比较器的输出端依次输出高电平，进而控制器根据输出高电平的比较器来判断此时输入的被测电流处于哪个档位。值得说明的是，n个大小不同的比较电压即为n个档位，加上最低档位第零档，则实际被测档位为n+1个。在本申请中，被测电流的档位是根据输出高电平比较器的数量来判断的，若各个比较器的输出端均输出低电平，即输出高电平比较器的个数为零，此时输入的被测电流处于第零档，若有n个比较器的输出端输出高电平，则输入的被测电流处于第n档，比如输入的被测电流为第三档，此时，有三个比较器的同相输入端的输入值比其反相输入端的输入值大，即被测电压大于第三个档位的比较电压，则有三个比较器输出高电平，此时即判断输入的被测电流为第三档。

本申请除了通过硬件对输入被测电流的档位进行判断之外，还可将不同档位的输入被测电流转换为同一档位的采样电压，从而通过一路ADC对多个量程的被测电流进行采样，节约成本。在本申请中，还设置有档位匹配电路，档位匹配电路与测量电流输入转换电路相连接，从而组成VI转换电路，以将输入的不同档位的被测电流转换为同一档位的被测电压。在本申请中，档位匹配电路的输入端与档位信息生成电路的输出端连接，即档位匹配电路的输入端与n个比较器的输出端连接，当输入不同档位的被测电流时，档位信息生成电路生成不同的档位信息，并输入到档位匹配电路中，此时由档位匹配电路和测量电流输入转换电路组成的VI转换电路根据不同的档位信息将不同档位的被测电流转换为同一档位的采样电压，并将该采样电压输入给电压信号调试电路，并由电压信号调试电路对采样电压进行放大后输出给控制器。在本申请中，由于被测电流的档位信息由档位信息生成电路告知给控制器，因此即使不同档位的被测电流被转换为同一档位的采样电压被控制器进行采样，也能够根据档位信息生成电路所生成的档位信息得知该最终被采样的采样电压是由哪一档位的被测电流而转换得来的，并能够根据其转换过程计算出被测电流的大小。

进一步的，所述测量电流输入转换电路包括VI转换电阻，所述VI转换电阻的两端输入被测电流，用于将输入的被测电流转化为被测电压，并向档位信息生成电路输出被测电压。

进一步的，所述档位匹配电路包括n个NMOS管和n个采样电阻；一个所述NMOS管的s极与一个采样电阻连接组成一个串联电路，n个所述NMOS管与n个采样电阻组成n个串联电路，n个串联电路并联组成档位匹配电路，其中，n个所述NMOS管的g极一一对应与n个比较器的输出端连接，n个所述NMOS管的d极相互连接，n个所述采样电阻与n个NMOS管连接的另一端均接地，所述档位匹配电路与VI转换电阻并联组成VI转换电路。

进一步的，所述测量电流输入转换电路还包括电阻补偿电路，所述电阻补偿电路与VI转换电路串联，用于对所述VI转换电路进行电阻补偿，使所述电阻补偿电路与VI转换电路组成的串联电路总阻值始终与VI转换电阻的阻值相等。

进一步的，所述电阻补偿电路包括n个顺次连接的选择开关，其中，相邻的两个选择开关之间连接有一个补偿电阻，且在第n个选择开关的输出端连接有一个补偿电阻；所述选择开关包括第一光耦合器、二极管、第二光耦合器和三极管；所述第一光耦合器的第一引脚通过第一限流电阻与外接电源连接，第二引脚通过二极管与地连接，第四引脚与VI转换电阻连接；所述第二光耦合器的第一引脚与第一光耦合器的第一引脚连接，第二引脚与三极管的集电极连接，第四引脚与补偿电阻连接；所述三极管的基极通过第二限流电阻与比较器的输出端连接，并通过下拉电阻接地，所述三极管的发射极接地；第一个所述选择开关的第一光耦合器和第二光耦合器的第三引脚均输入被测电流；从第二个所述选择开关到第n个选择开关，其第一光耦合器的第三引脚和第二光耦合器的第三引脚连接，并通过补偿电阻与其上一个选择开关的第二光耦合器的第四引脚连接；第n个所述选择开关的第二光耦合器的第四引脚通过补偿电阻与VI转换电阻连接。

进一步的，所述测量电流输入转换电路还包括TVS管，所述TVS管与VI转换电阻并联，用于当输入的被测电流超过测量最大值时，对后级电路进行保护。

进一步的，所述基准电压生成电路包括基准电压芯片和分压电路，所述基准电压芯片用于生成参考基准电压，并向分压电路输入参考基准电压；所述分压电路包括n+1个串联的分压电阻，n+1个所述分压电阻串联而成的串联电路其一端输入参考基准电压，另一端接地，任意两个相邻分压电阻之间与一个比较器的反相输入端连接，用于对比较器输入大小不同的比较电压。

进一步的，在所述档位信息生成电路中，任意所述比较器的输出端外接一个上拉电阻和一个第三限流电阻，所述上拉电阻连接比较器的另一端连接外接电源；所述第三限流电阻连接比较器的另一端连接控制器。

进一步的，所述电压信号调试电路包括一个反相放大器和一个差分放大器，所述反相放大器的反相输入端输入采样电压，所述反相放大器的输出端与差分放大器的反相输入端连接；所述差分放大器的同相输入端输入叠加电压，所述差分放大器的输出端连接有一个滤波电路，且所述差分放大器的输出端通过滤波电路连接控制器，用于对控制器提供放大后的采样电压；其中，所述叠加电压为参考基准电压的二分之一，以使最终输入控制器的采样电压的信号零点在ADC采样电压有效范围的中间。

第二方面，本申请还提供了一种负荷监测单元，包括如上任意所述的一种单通道多量程自动切换测量电路。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明采用硬件自动判断量程大小，自动切换量程，无需软件控制，自动匹配最优档位，提高测量精度；本发明通过一路ADC进行采样，量程由外部硬件告知MCU，大大降低了设备对采样ADC的要求，节约成本，软件编写简化，设备更加稳定。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例中测量电流输入转换电路的电路原理图；

图2为本发明实施例中基准电压芯片及其外接电路原理图；

图3为本发明实施例中分压电路的电路原理图；

图4为本发明实施例中档位信息生成电路的部分电路原理图；

图5为本发明实施例中档位信息生成电路剩余部分的电路原理图；

图6为本发明实施例中档位匹配电路的电路原理图；

图7为本发明实施例中电阻补偿电路的电路原理图；

图8为本发明实施例中电压信号调试电路的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

第一方面，本实施例提供了一种单通道多量程自动切换测量电路，包括测量电流输入转换电路、基准电压生成电路、档位信息生成电路、档位匹配电路、电压信号调试电路和控制器，其中，

所述档位信息生成电路包括n个比较器，n≥1，所述比较器的同相输入端输入被测电压，所述比较器的反向输入端输入比较电压，并从所述比较器的输出端输出档位信息；一个所述比较器用于一个输入电源档位信息的判断，并向档位匹配电路和控制器输出档位信息；

所述测量电流输入转换电路的输出端与各个比较器的同相输入端连接，用于输入被测电流，将被测电流转化为被测电压，并向档位信息生成电路和档位匹配电路输出被测电压；

所述基准电压生成电路用于输出参考基准电压和比较电压，其中，所述参考基准电压通过分压得到n个从小到大排列的比较电压，n个比较电压一一对应输入n个比较器的反相输入端；

所述档位匹配电路与测量电流输入转换电路连接，组成VI转换电路，所述档位匹配电路的输入端输入档位信息，用于根据档位信息将不同档位的输入被测电流转换为同一档位的采样电压，并将采样电压输出给电压信号调试电路；

所述电压信号调试电路的输入端输入采样电压，用于对采样电压进行放大，并将放大后的采样电压输出给控制器，以供控制器对采样电压进行采样；

所述控制器用于输入档位信息，根据档位信息对输入的被测电流档位进行识别，当被测电压小于第一个的比较电压时，输入的被测电流为第零档，当被测电压大于第n个比较电压时，输入的被测电流为第n档；用于输入经放大后的采样电压，并对该采样电压进行采样。

在进行多量程的测量过程中，发明人发现在通过软件控制量程的切换时，软件会有跑飞和死机的风险，而如果软件出现异常，那么将出现不能检测或者检测错误的情况，同时，多量程的测量需要依赖多路ADC进行采样，即测量时有几个量程就需要占用几个ADC通道，这就要求使用的主机或者ADC需要拥有多路ADC，以此来匹配多个量程，成本较高。

为此，基于上述现有技术中存在的问题，发明人提出本实施例，以此来解决现有技术中存在的问题。在本实施例中，设置有测量电流输入转换电路、基准电压生成电路、档位信息生成电路、档位匹配电路、电压信号调试电路和控制器，其中，测量电流输入转换电路用于输入被测电流，将被测电流转化为被测电压，并向档位信息生成电路和档位匹配电路输出被测电压，基准电压生成电路用于输出参考基准电压和比较电压，测量电流输入转换电路输出的被测电压输入档位信息生成电路中，在档位信息生成电路中，设置有n个比较器，被测电压分别输入n个比较器的同相输入端，同时，基准电压生成电路输出参考基准电压，该参考基准电压通过分压得到n个从小到大排列的比较电压，且得到的n个比较电压一一对应输入n个比较器的反相输入端，此时，当输入被测电流大小改变时，即输入不同档位的被测电流时，转换得到的被测电压的大小随着被测电流的大小发生变化。若被测电压小于最小的比较电压，即第一个比较电压时，则所有比较器的输出端输出均为低电平，该信息输入给控制器，此时控制器根据各个比较器的输出端均输出低电平这一信息判断输入被测电流的档位为最低档，即第零档，当被测电压随输入的被测电流从小到大变化时，此时被测电压渐渐大于各个比较电压，从而各个比较器的输出端依次输出高电平，进而控制器根据输出高电平的比较器来判断此时输入的被测电流处于哪个档位。值得说明的是，n个大小不同的比较电压即为n个档位，加上最低档位第零档，则实际被测档位为n+1个。在本实施例中，被测电流的档位是根据输出高电平比较器的数量来判断的，若各个比较器的输出端均输出低电平，即输出高电平比较器的个数为零，此时输入的被测电流处于第零档，若有n个比较器的输出端输出高电平，则输入的被测电流处于第n档，比如输入的被测电流为第三档，此时，有三个比较器的同相输入端的输入值比其反相输入端的输入值大，即被测电压大于第三个档位的比较电压，则有三个比较器输出高电平，此时即判断输入的被测电流为第三档。

本实施例除了通过硬件对输入被测电流的档位进行判断之外，还可将不同档位的输入被测电流转换为同一档位的采样电压，从而通过一路ADC对多个量程的被测电流进行采样，节约成本。在本实施例中，还设置有档位匹配电路，档位匹配电路与测量电流输入转换电路相连接，从而组成VI转换电路，以将输入的不同档位的被测电流转换为同一档位的被测电压。在本实施例中，档位匹配电路的输入端与档位信息生成电路的输出端连接，即档位匹配电路的输入端与n个比较器的输出端连接，当输入不同档位的被测电流时，档位信息生成电路生成不同的档位信息，并输入到档位匹配电路中，此时由档位匹配电路和测量电流输入转换电路组成的VI转换电路根据不同的档位信息将不同档位的被测电流转换为同一档位的采样电压，并将该采样电压输入给电压信号调试电路，并由电压信号调试电路对采样电压进行放大后输出给控制器。在本实施例中，由于被测电流的档位信息由档位信息生成电路告知给控制器，因此即使不同档位的被测电流被转换为同一档位的采样电压被控制器进行采样，也能够根据档位信息生成电路所生成的档位信息得知该最终被采样的采样电压是由哪一档位的被测电流而转换得来的，并能够根据其转换过程计算出被测电流的大小。

在一种可能的实现方式中，所述测量电流输入转换电路包括VI转换电阻，所述VI转换电阻的两端输入被测电流，用于将输入的被测电流转化为被测电压，并向档位信息生成电路输出被测电压。

在一种可能的实现方式中，所述档位匹配电路包括n个NMOS管和n个采样电阻；一个所述NMOS管的s极与一个采样电阻连接组成一个串联电路，n个所述NMOS管与n个采样电阻组成n个串联电路，n个串联电路并联组成档位匹配电路，其中，n个所述NMOS管的g极一一对应与n个比较器的输出端连接，n个所述NMOS管的d极相互连接，n个所述采样电阻与n个NMOS管连接的另一端均接地，所述档位匹配电路与VI转换电阻并联组成VI转换电路。

进一步的，为了防止档位匹配电路与VI转换电阻并联后组成的VI转换电路在不同档位时阻值不同，使得输出的被测电压在同一档位时发生变化，进而使档位信息发生错乱，所述测量电流输入转换电路还包括电阻补偿电路，所述电阻补偿电路与VI转换电路串联，用于对所述VI转换电路进行电阻补偿，使所述电阻补偿电路与VI转换电路组成的串联电路总阻值始终与VI转换电阻的阻值相等。

在一种可能的实现方式中，所述电阻补偿电路包括n个顺次连接的选择开关，其中，相邻的两个选择开关之间连接有一个补偿电阻，且在第n个选择开关的输出端连接有一个补偿电阻；所述选择开关包括第一光耦合器、二极管、第二光耦合器和三极管；所述第一光耦合器的第一引脚通过第一限流电阻与外接电源连接，第二引脚通过二极管与地连接，第四引脚与VI转换电阻连接；所述第二光耦合器的第一引脚与第一光耦合器的第一引脚连接，第二引脚与三极管的集电极连接，第四引脚与补偿电阻连接；所述三极管的基极通过第二限流电阻与比较器的输出端连接，并通过下拉电阻接地，所述三极管的发射极接地；第一个所述选择开关的第一光耦合器和第二光耦合器的第三引脚均输入被测电流；从第二个所述选择开关到第n个选择开关，其第一光耦合器的第三引脚和第二光耦合器的第三引脚连接，并通过补偿电阻与其上一个选择开关的第二光耦合器的第四引脚连接；第n个所述选择开关的第二光耦合器的第四引脚通过补偿电阻与VI转换电阻连接。在本实施例中，二极管起配合电位的作用，以使当比较器的输出端输出高电平时，三极管的基极输入高电平，第二光耦合器导通，第一光耦合器关断。

在一种可能的实现方式中，所述测量电流输入转换电路还包括TVS管，所述TVS管与VI转换电阻并联，用于当输入的被测电流超过测量最大值时，对后级电路进行保护。

在一种可能的实现方式中，所述基准电压生成电路包括基准电压芯片和分压电路，所述基准电压芯片用于生成参考基准电压，并向分压电路输入参考基准电压；所述分压电路包括n+1个串联的分压电阻，n+1个所述分压电阻串联而成的串联电路其一端输入参考基准电压，另一端接地，任意两个相邻分压电阻之间与一个比较器的反相输入端连接，用于对比较器输入大小不同的比较电压。

在一种可能的实现方式中，在所述档位信息生成电路中，任意所述比较器的输出端外接一个上拉电阻和一个第三限流电阻，所述上拉电阻连接比较器的另一端连接外接电源；所述第三限流电阻连接比较器的另一端连接控制器。

在一种可能的实现方式中，所述电压信号调试电路包括一个反相放大器和一个差分放大器，所述反相放大器的反相输入端输入采样电压，所述反相放大器的输出端与差分放大器的反相输入端连接；所述差分放大器的同相输入端输入叠加电压，所述差分放大器的输出端连接有一个滤波电路，且所述差分放大器的输出端通过滤波电路连接控制器，用于对控制器提供放大后的采样电压；其中，所述叠加电压为参考基准电压的二分之一，以使最终输入控制器的采样电压的信号零点在ADC采样电压有效范围的中间。

第二方面，本实施例还提供了一种负荷监测单元，包括如上任意所述的一种单通道多量程自动切换测量电路。

为了更好的对本方案中一种单通道多量程自动切换电路进行理解和阐述，下面结合具体实施例对本方案做进一步的说明。

本实施例为单通道五量程自动切换测量电路，如图1~图8所示为本实施例的电路原理图，其中，图1所示为本实施例测量电流输入转换电路的电路原理图，在图1中，测量电流输入转换电路包括排针H1，TVS管D1和VI转换电阻R14，其中，TVS管D1和VI转换电阻R14并联组成并联电路，排针H1的两个引脚分别与该并联电路的两端连接，以对该并联电路输入外部被测电流IA，VI转换电阻R14将被测电流IA转换为被测电压VIN1并对外输出。具体地，排针H1的第一引脚和第二引脚分别连接TVS管D1和VI转换电阻R14的两端，且排针H1的第一引脚接地。优选地，本实施例中排针H1的型号为PZ254V-11-02P。

图2所示为本实施例基准电压芯片U1及其外接电路原理图，在图2中，基准电压芯片U1的第一引脚输出基准电压VBIAS，第五引脚输出参考基准电压VREF，其中，第一引脚连接有滤波电容C5，滤波电容C5与第一引脚连接的另一端接地，第五引脚连接有滤波电容C1，滤波电容C1与第五引脚连接的另一端接地；基准电压芯片U1的第二引脚接地；基准电压芯片的第三引脚与第四引脚连通，并连接外接电源VCC，其中，外接电源VCC接入基准电压芯片U1时连接有两个并联的电容C3和C2，电容C3和C2与外接电源VCC连接的另一端接地。在本实施例中，基准电压芯片U1用于对外提供参考基准电压VREF和基准电压VBIAS。本实施例所选基准电压芯片为REF2025AIDDCR，由芯片手册可知基准电压VBIAS为参考基准电压VREF的二分之一，其输出的基准电压VREF=2.5V。

图3所示为本实施例分压电路的电路原理图，在图3中，分压电阻R1~R5阻值相等并串联，且R1与R2连接的另一端与基准电压芯片U1的第五引脚连接，R5与R4连接的另一端接地。在该分压电路中，参考基准电压VREF通过五个串联的分压电阻R1~R5分压，分别得到0.2VREF、0.4VREF、0.6VREF和0.8VREF四个比较电压。

图4所示为本实施例档位信息生成电路的部分电路原理图，包括四个比较器和四个上拉电阻，四个比较器的同相输入端均与测量电流输入转换电路的输出端连接，即与R14并联，输入被测电压VIN1，其中，比较器U2的反向输入端并联于R1和R2之间，输入0.8VREF比较电压，比较器U2的输出端输出档位信息KC4，且比较器U2的输出端通过上拉电阻R6连接外接电源VCC；比较器U3的反向输入端并联于R2和R3之间，输入0.6VREF比较电压，比较器U3的输出端输出档位信息KC3，且比较器U3的输出端通过上拉电阻R7连接外接电源VCC；比较器U4的反向输入端并联于R3和R4之间，输入0.4VREF比较电压，比较器U4的输出端输出档位信息KC2，且比较器U4的输出端通过上拉电阻R8连接外接电源VCC；比较器U5的反向输入端并联于R4和R5之间，输入0.2VREF比较电压，比较器U5的输出端输出档位信息KC1，且比较器U5的输出端通过上拉电阻R9连接外接电源VCC。在本实施例中，图5包括四个第三限流电阻，其中，四个第三限流电阻的一端分别与四个比较器的输出端连接，其另一端分别接入控制器，其目的在于通过第三限流电阻将档位信息告知给控制器，并方便计算输入。在本实施例中，共有5个档位的输入量程，当输入的被测电流IA处于第一档时，转换得到的被测电压VIN1大于0.2VREF，此时比较器U5输出为高电平，其余三个比较器输出为低电平，输出档位信息KC1，第三限流电阻R22将档位信息KC1告知给控制器，从而控制器判断该输入被测电流IA处于第一档；当输入的被测电流IA处于第二档时，转换得到的被测电压VIN1大于0.4VREF，此时比较器U5和比较器U4输出为高电平，其余两个比较器输出为低电平，输出档位信息KC1和KC2，第三限流电阻R22和R23将档位信息KC1和KC2告知给控制器，从而控制器判断该输入被测电流IA处于第二档；当输入的被测电流IA处于第三档时，转换得到的被测电压VIN1大于0.6VREF，此时比较器U5、比较器U4和比较器U3输出为高电平，比较器U2输出为低电平，输出档位信息KC1、KC2和KC3，第三限流电阻R22、R23和R24将档位信息KC1、KC2和KC3告知给控制器，从而控制器判断该输入被测电流IA处于第三档；当输入的被测电流IA处于第四档时，转换得到的被测电压VIN1大于0.8VREF，此时四个比较器的输出均为高电平，输出档位信息KC1、KC2、KC3和KC4，第三限流电阻R22、R23、R24和R25将档位信息KC1、KC2、KC3和KC4告知给控制器，从而控制器判断该输入被测电流IA处于第四档；除了上述四个档位之外，还包括第零档，当输入的被测电流IA很小时，即转化得到的被测电压VIN1小于0.2VREF时，此时四个比较器的输出端均输出低电平，未输出档位信息，从而控制器根据四个比较器输出的低电平判断被测电流IA处于第零档；而当输入被测电流IA突变致使输入被测电流IA超过量程时，此时测量电流输入转换电路中的TVS管D1起启动，保护后级电路，从而防止设备损坏。在本实施例中，四个比较器的供电电源均为外接电源VCC。优选地，在本实施例中，比较器U2~U5的型号均为AP331AWG-7。

图6所示为本实施例档位匹配电路的电路原理图，在图6中，档位匹配电路包括四个NMOS管和四个采样电阻，四个NMOS管的d极相互连接，其中，NMOS管Q1的g极与比较器U5的输出端连接，s极与采样电阻R13连接，采样电阻R13与NMOS管Q1连接的另一端接地；NMOS管Q2的g极与比较器U4的输出端连接，s极与采样电阻R15连接，采样电阻R15与NMOS管Q2连接的另一端接地；NMOS管Q3的g极与比较器U3的输出端连接，s极与采样电阻R19连接，采样电阻R19与NMOS管Q3连接的另一端接地；NMOS管Q4的g极与比较器U2的输出端连接，s极与采样电阻R21连接，采样电阻R21与NMOS管Q4连接的另一端接地。在本实施例中，NMOS管Q4的d极与测量电流输入转换电路的输出端连接，即与VI转换电阻R14连接，使得R14与档位匹配电路并联从而组成VI转换电路，而转换得到的采样电压VIN从Q1的d极输出。在本实施例中，当输入的被测电流IA很小时，此时测量电流输入转换电路转换得到的被测电压VIN1小于0.2VREF，四个比较器输出均为低电平，四个NMOS管均未打开，从而输出的被测电压VIN1直接进入电压信号调试电路，进入电压信号调试电路的被测电压VIN1处于第零档，输入的被测电流IA处于第零档；当输入的被测电流IA从小到大变化时，测量电流输入转换电路转换得到的被测电压VIN1从小到大变化，四个比较器依次输出高电平，从而使得四个NMOS管依次打开，而四个采样电阻随着四个NMOS管的打开而与VI转换电阻R14并联，从而对输入的被测电流IA进行VI转换，得到的采样电压VIN从NMOS管Q1的d极输出，此时，适当的设计VI转换电阻R14和四个采样电阻的阻值，使得每个档位输入被测电流IA最终转换得到的采样电压VIN均处于同一个档位，即处于第零档，从而使得最终采样只需要一路ADC即可完成采样。

具体地，在本实施例中，参考基准电压VREF=2.5V，VI转换电阻R14阻值设置为2.5Ω，采样电阻R13阻值设置为2.5Ω，采样电阻R15阻值设置为2.5Ω，采样电阻R19阻值设置为2.5Ω，采样电阻R21阻值设置为2.5Ω，输入的被测电流IA分为五个量程，即五个档位：第零档0-200mA，第一档200-400mA，第二档400-600mA，第三档600-800mA，第四档800-1000mA，此时，每个档位转换得到的输出最大采样电压VIN为：第零档：VIN=R14×IA=0.5V；第一档：VIN=R14//R13×IA=0.5V；第二档：VIN=R14//R13//R15×IA=0.5V；第三档：VIN=R14//R13//R15//R19×IA=0.5V；第四档：VIN=R14//R13//R15//R19//R21×IA=0.5V。进而使得每个档位最终转换得到的输出最大采样电压VIN均为0.5V，从而使得每个档位的输入被测电流IA均转化为第零档的采样电压VIN，使得只需一路ADC即可完成采样。值得说明的是，在本实施例中，当输入的被测电流IA处于第零档时，档位匹配电路不工作，此时输出的被测电压VIN1和输入电压信号调试电路的采样电压VIN相等，即此时被测电压VIN1即为采样电压VIN。

在上述实施例中，当被测电流IA不处于第零档时，由于NMOS管的打开，此时采样电阻与VI转换电阻R14并联，使得VI转换电阻R14与档位匹配电路组成的VI转换电路阻值减小，从而使得测量电流输入转换电路输出的被测电压VIN1减小，导致被测电压VIN1可能低于当前档位的比较电压，NMOS管关闭，此时的采样电压VIN将增大，可能会出现当前档位的采样电压VIN大于第零档的采样电压VIN，无法采样，而由于NMOS管的关闭，VI转换电路的阻值重新回复到与VI转换电阻R14的阻值相等，使得测量电流输入转换电路输出的被测电压VIN1回复到正常值，使得NMOS管打开，而NMOS管的打开又会使得VI转换电路的阻值减小，导致NMOS管关闭，从而使得NMOS管在不停的开关，影响其使用寿命，同时，由于被测电压VIN1的不停变化，将导致比较器输出的档位信息不停变化，以及采样电压VIN的不停变化，从而导致档位信息和采样结果不准确。以第三档600-800mA为例，当输入被测电流IA为700mA时，此时输出的被测电压VIN1为1.75V，大于比较电压0.6VREF，比较器U3、U4、U5均输出高电平，U2输出低电平，输出档位信息KC1、KC2、KC3，此时控制器接收到的档位信息为第三档，NMOS管Q1、Q2、Q3均打开，采样电压VIN为0.4375V，而由于NMOS管Q1、Q2、Q3均打开，VI转换电路此时的阻值为R14//R13//R15//R19=0.625Ω，被测电压VIN1将发生电压降，输出的被测电压VIN1将变为0.4375V，从而使得输出的被测电压VIN1小于0.2VREF，比较器U2~U5均输出低电平，此时控制器接收到的档位信息为第零档，NMOS管Q1、Q2、Q3均关闭，采样电压VIN变为1.75V，无法进行采集，而由于NMOS管Q1、Q2、Q3均关闭，输出的被测电压VIN1变为1.75V，再次使比较器U3、U4、U5均输出高电平，U2输出低电平，输出档位信息KC1、KC2、KC3，此时控制器接收到的档位信息为第三档，NMOS管Q1、Q2、Q3均打开，采样电压VIN为0.4375V。由于NMOS管Q1、Q2、Q3的不断开关，使得输出的被测电压VIN1和采样电压VIN不断跳变，控制器接收到的档位信息也在第三档和第零档之间不断变化，从而影响档位信息和采样电压VIN的采集。为此，在本实施例中，所述测量电流输入转换电路还包括电阻补偿电路，以使所述电阻补偿电路与VI转换电路组成的串联电路总阻值始终与VI转换电阻的阻值相等。

如图7所示，在图1的基础上，VI转换电阻R14串联有电阻补偿电路。所述电阻补偿电路包括八个光耦合器、四个二极管和四个三极管，光耦合器U11的第一引脚通过第一限流电阻R35与外接电源VCC连接，第二引脚通过二极管D2接地，第三引脚与排针H1的第二引脚连接，用于输入被测电流IA，第四引脚通过VI转换电阻R14接地；光耦合器U12的第一引脚与光耦合器U11的第一引脚连接，第二引脚与三极管Q5的集电极连接，第三引脚与光耦合器U11的第三引脚连接，第四引脚连接有补偿电阻R31；三极管Q5的基极通过第二限流电阻R39与比较器U5的输出端连接，且通过下拉电阻R40接地，三极管Q5的发射极接地；光耦合器U13的第一引脚通过第一限流电阻R36与外接电源VCC连接，第二引脚通过二极管D3接地，第三引脚通过补偿电阻R31与光耦合器U12的第四引脚连接，第四引脚与光耦合器U11的第四引脚连接；光耦合器U14的第一引脚与光耦合器U13的第一引脚连接，第二引脚与三极管Q6的集电极连接，第三引脚与光耦合器U13的第三引脚连接，第四引脚连接有补偿电阻R32；三极管Q6的基极通过第二限流电阻R41与比较器U4的输出端连接，且通过下拉电阻R42接地，三极管Q6的发射极接地；光耦合器U15的第一引脚通过第一限流电阻R37与外接电源VCC连接，第二引脚通过二极管D4接地，第三引脚通过补偿电阻R32与光耦合器U14的第四引脚连接，第四引脚与光耦合器U11的第四引脚连接；光耦合器U16的第一引脚与光耦合器U15的第一引脚连接，第二引脚与三极管Q7的集电极连接，第三引脚与光耦合器U15的第三引脚连接，第四引脚连接有补偿电阻R33；三极管Q7的基极通过第二限流电阻R43与比较器U3的输出端连接，且通过下拉电阻R44接地，三极管Q7的发射极接地；光耦合器U17的第一引脚通过第一限流电阻R38与外接电源VCC连接，第二引脚通过二极管D5接地，第三引脚通过补偿电阻R33与光耦合器U16的第四引脚连接，第四引脚与光耦合器U11的第四引脚连接；光耦合器U18的第一引脚与光耦合器U17的第一引脚连接，第二引脚与三极管Q8的集电极连接，第三引脚与光耦合器U17的第三引脚连接，第四引脚连接有补偿电阻R34；三极管Q8的基极通过第二限流电阻R45与比较器U2的输出端连接，且通过下拉电阻R46接地，三极管Q8的发射极接地；补偿电阻R34相对连接光耦合器U18的另一端与光耦合器U11的第四引脚连接。

在本实施例中，补偿电阻R31、R32、R33、R34的阻值分别设置为1.25Ω、0.42Ω、0.205Ω、0.125Ω。当输入第一档的被测电流IA时，光耦合器U11的输出端导通，输入被测电流IA通过VI转换电阻R14转换为被测电压VIN1，并输入比较器U2~U5与比较电压进行比较，此时比较器U5输出高电平，比较器U2、U3、U4均输出低电平，输出档位信息KC1，此时NMOS管Q1导通，NMOS管Q2~Q4闭合，三极管Q5导通，光耦合器U12和U13导通，其余光耦合器闭合，此时被测电流IA流经光耦合器U12、补偿电阻R31、光耦合器U13、VI转换电阻R14、NMOS管Q1、采样电阻R13，此时的被测电流IA转化为被测电压VIN1，电路总阻值为R31+R14//R13=2.5Ω=R14，采样电压VIN的最大值为VIN=R14//R13×IA=0.5V；当输入第二档的被测电流IA时，光耦合器U11的输出端导通，输入被测电流IA通过VI转换电阻R14转换为被测电压VIN1，并输入比较器U2~U5与比较电压进行比较，此时比较器U5和U4输出高电平，比较器U2和U3输出低电平，输出档位信息KC1和KC2，此时NMOS管Q1和Q2导通，NMOS管Q3和Q4闭合，三极管Q5和Q6导通，光耦合器U12、U14和U15导通，其余光耦合器闭合，此时被测电流IA流经光耦合器U12、补偿电阻R31、光耦合器U14、补偿电阻R32、光耦合器U15、VI转换电阻R14、NMOS管Q1和Q2、采样电阻R13和R15，此时的被测电流IA转化为被测电压VIN1，电路总阻值为R31+R32+R14//R13//R15=2.5Ω=R14，采样电压VIN的最大值为VIN=R14//R13//R15×IA=0.5V；当输入第三档的被测电流IA时，光耦合器U11的输出端导通，输入被测电流IA通过VI转换电阻R14转换为被测电压VIN1，并输入比较器U2~U5与比较电压进行比较，此时比较器U3~U5输出高电平，比较器U2输出低电平，输出档位信息KC1、KC2和KC3，此时NMOS管Q1~Q3导通，NMOS管Q4闭合，三极管Q5~Q7导通，光耦合器U12、U14、U16、U17导通，其余光耦合器闭合，此时被测电流IA流经光耦合器U12、补偿电阻R31、光耦合器U14、补偿电阻R32、光耦合器U16、补偿电阻R33、光耦合器U17、VI转换电阻R14、NMOS管Q1~ Q3、采样电阻R13、R15和R19，此时的被测电流IA转化为被测电压VIN1，电路总阻值为R31+R32+R33+R14//R13//R15//R19=2.5Ω=R14，采样电压VIN的最大值为VIN=R14//R13//R15//R19×IA=0.5V；当输入第四档的被测电流IA时，光耦合器U11的输出端导通，输入被测电流IA通过VI转换电阻R14转换为被测电压VIN1，并输入比较器U2~U5与比较电压进行比较，此时比较器U2~U5均输出高电平，输出档位信息KC1、KC2、KC3和KC4，此时NMOS管Q1~Q4导通，三极管Q5~Q8导通，光耦合器U12、U14、U16、U18导通，其余光耦合器闭合，此时被测电流IA流经光耦合器U12、补偿电阻R31、光耦合器U14、补偿电阻R32、光耦合器U16、补偿电阻R33、光耦合器U18、补偿电阻R34、VI转换电阻R14、NMOS管Q1~Q4、采样电阻R13、R15、R19和R21，此时的被测电流IA转化为被测电压VIN1，电路总阻值为R31+R32+R33+R34+R14//R13//R15//R19//R21=2.5Ω=R14，采样电压VIN的最大值为VIN=R14//R13//R15//R19//R21×IA=0.5V。

图8所示为本实施例电压信号调试电路的电路原理图，在图8中，包括一个反相放大器和一个差分放大器。如图8所示，电阻R11的一端接地，其另一端与运算放大器U6的同相输入端连接；电阻R10的一端与档位匹配电路的输出端连接，即与NMOS管的d极连接，其另一端与运算放大器U6的反相输入端连接；运算放大器U6的反相输入端和输出端之间接入反馈电阻R12，从而组成反相放大器。电阻R16的一端与运算放大器U6的输出端连接，其另一端与运算放大器U7的反相输入端连接；电阻R26的一端接入基准电压VBIAS，其另一端与运算放大器U7的同相输入端连接；电阻R27的一端接地，其另一端与运算放大器U7的同相输入端连接；运算放大器U7的反相输入端和同相输入端之间接入反馈电阻R18，从而组成差分放大器。在运算放大器U7的输出端接入RC滤波电路，并通过RC滤波电路接入控制器，从而进行ADC采样，其中，RC滤波电路包括电阻R20和电容C4，电阻R20的两端分别连接运算放大器U7的输出端和控制器；电容C4的一端与电阻R20连接，其另一端接地。在本实施例中，通过反相放大器将输入的采样电压VIN放大，再通过一个差分放大器将放大的采样电压VIN与基准电压VBIAS叠加，从而使输出的电压信号零点在ADC采样范围中间，方便采样正负信号，再通过电容C4和电阻R20组成的滤波电路滤波后最终输出被采样电压Vadc1。具体地，在本实施例中，输入的采样电压VIN被放大30倍。在本实施例中，两个运算放大器的供电电源均为基准电压芯片U1所提供的参考基准电压VREF。优选地，在本实施例中，运算放大器U6和U7的型号均为TLV333IDBVR。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单通道多量程自动切换测量电路，其特征在于，包括测量电流输入转换电路、基准电压生成电路、档位信息生成电路、档位匹配电路、电压信号调试电路和控制器，其中，

所述档位信息生成电路包括n个比较器，n≥1，所述比较器的同相输入端输入被测电压，所述比较器的反向输入端输入比较电压，并从所述比较器的输出端输出档位信息；一个所述比较器用于一个输入电源档位信息的判断，并向档位匹配电路和控制器输出档位信息；

所述测量电流输入转换电路的输出端与各个比较器的同相输入端连接，所述测量电流输入转换电路用于输入被测电流，将被测电流转化为被测电压，并向档位信息生成电路输出被测电压；

所述基准电压生成电路用于输出参考基准电压和比较电压，其中，所述参考基准电压通过分压得到n个从小到大排列的比较电压，n个比较电压一一对应输入n个比较器的反相输入端；

所述档位匹配电路与测量电流输入转换电路连接，组成VI转换电路，所述档位匹配电路的输入端输入档位信息，用于根据档位信息将不同档位的输入被测电流转换为同一档位的采样电压，并将采样电压输出给电压信号调试电路；

所述电压信号调试电路的输入端输入采样电压，用于对采样电压进行放大，并将放大后的采样电压输出给控制器，以供控制器对采样电压进行采样；

所述控制器用于输入档位信息，根据档位信息对输入的被测电流档位进行识别，当被测电压小于第一个的比较电压时，输入的被测电流为第零档，当被测电压大于第n个比较电压时，输入的被测电流为第n档；所述控制器用于输入经放大后的采样电压，并对放大后的采样电压进行采样；

所述测量电流输入转换电路包括VI转换电阻，所述VI转换电阻的两端输入被测电流，用于将输入的被测电流转化为被测电压，并向档位信息生成电路输出被测电压；

所述档位匹配电路包括n个NMOS管和n个采样电阻；一个所述NMOS管的s极与一个采样电阻连接组成一个串联电路，n个所述NMOS管与n个采样电阻组成n个串联电路，n个串联电路并联组成档位匹配电路，其中，n个所述NMOS管的g极一一对应与n个比较器的输出端连接，n个所述NMOS管的d极相互连接，n个所述采样电阻与n个NMOS管连接的另一端均接地，所述档位匹配电路与VI转换电阻并联组成VI转换电路；

所述测量电流输入转换电路还包括电阻补偿电路，所述电阻补偿电路与VI转换电路串联，用于对所述VI转换电路进行电阻补偿，使所述电阻补偿电路与VI转换电路组成的串联电路总阻值始终与VI转换电阻的阻值相等。

2.根据权利要求1所述的一种单通道多量程自动切换测量电路，其特征在于，所述电阻补偿电路包括n个顺次连接的选择开关，其中，相邻的两个选择开关之间连接有一个补偿电阻，且在第n个选择开关的输出端连接有一个补偿电阻；所述选择开关包括第一光耦合器、二极管、第二光耦合器和三极管；所述第一光耦合器包括第一发光二极管和第一光电晶体管，第二光电耦合器包括第二发光二极管和第二光电晶体管，所述第一光耦合器的第一发光二极管阳极通过第一限流电阻与外接电源连接，第一发光二极管阴极通过二极管与地连接，第一光电晶体管发射极与VI转换电阻连接；所述第二光耦合器的第二发光二极管阳极与第一光耦合器的第一发光二极管阳极连接，第二发光二极管阴极与三极管的集电极连接，第二光电晶体管发射极与补偿电阻连接；所述三极管的基极通过第二限流电阻与比较器的输出端连接，并通过下拉电阻接地，所述三极管的发射极接地；第一个所述选择开关的第一光耦合器的第一光电晶体管集电极和第二光耦合器的第二光电晶体管集电极均输入被测电流；从第二个所述选择开关到第n个选择开关，其第一光耦合器的第一光电晶体管集电极和第二光耦合器的第二光电晶体管集电极连接，并通过补偿电阻与其上一个选择开关的第二光耦合器的第二光电晶体管发射极连接；第n个所述选择开关的第二光耦合器的第二光电晶体管发射极通过补偿电阻与VI转换电阻连接。

3.根据权利要求1所述的一种单通道多量程自动切换测量电路，其特征在于，所述测量电流输入转换电路还包括TVS管，所述TVS管与VI转换电阻并联，用于当输入的被测电流超过测量最大值时，对后级电路进行保护。

4.根据权利要求1所述的一种单通道多量程自动切换测量电路，其特征在于，所述基准电压生成电路包括基准电压芯片和分压电路，所述基准电压芯片用于生成参考基准电压，并向分压电路输入参考基准电压；所述分压电路包括n+1个串联的分压电阻，n+1个所述分压电阻串联而成的串联电路其一端输入参考基准电压，另一端接地，任意两个相邻分压电阻之间与一个比较器的反相输入端连接，用于对比较器输入大小不同的比较电压。

5.根据权利要求1所述的一种单通道多量程自动切换测量电路，其特征在于，在所述档位信息生成电路中，任意所述比较器的输出端外接一个上拉电阻和一个第三限流电阻，所述上拉电阻连接比较器的另一端连接外接电源；所述第三限流电阻连接比较器的另一端连接控制器。

6.根据权利要求1所述的一种单通道多量程自动切换测量电路，其特征在于，所述电压信号调试电路包括一个反相放大器和一个差分放大器，所述反相放大器的反相输入端输入采样电压，所述反相放大器的输出端与差分放大器的反相输入端连接；所述差分放大器的同相输入端输入叠加电压，所述差分放大器的输出端连接有一个滤波电路，且所述差分放大器的输出端通过滤波电路连接控制器，用于对控制器提供放大后的采样电压；其中，所述叠加电压为参考基准电压的二分之一，以使最终输入控制器的采样电压的信号零点在ADC采样电压有效范围的中间。

7.负荷监测单元，其特征在于，包括如权利要求1至6中任意一项所述的一种单通道多量程自动切换测量电路。