一款可變?cè)鲆娴碾妷盒盘?hào)采集電路設(shè)計(jì)

江振青 胡振山 呂海燕

摘 要：在現(xiàn)代電氣儀表和傳感器系統(tǒng)中，電壓信號(hào)采集電路應(yīng)用廣泛。文章通過對(duì)常用信號(hào)處理電路進(jìn)行整合與改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款能夠在保證精度的同時(shí)，可以使用低成本元件實(shí)現(xiàn)的可變?cè)鲆娴碾妷盒盘?hào)采集與變換電路。本設(shè)計(jì)避免了手動(dòng)擋位調(diào)整，增加了測量的靈活性。采用正負(fù)5 V雙電源供電，具有寬電壓輸入、高輸入阻抗、低輸出阻抗、增益可調(diào)、低功耗和小型化的特點(diǎn)。該電路輸出信號(hào)完整保留了輸入信號(hào)的信息，便于后級(jí)電路進(jìn)行信號(hào)處理。

關(guān)鍵詞：電氣儀表;電壓采集;自動(dòng)增益控制;精密整流電路

0? ? 引言

使用電子系統(tǒng)進(jìn)行處理的各項(xiàng)輸入量，無論是電氣量還是非電量，絕大多數(shù)最終轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行處理。在現(xiàn)代電子設(shè)備中，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行處理已經(jīng)成為趨勢，在ADC進(jìn)行采集的過程中，需要實(shí)現(xiàn)采集量和ADC輸入之間的信號(hào)匹配。[1]由此可見，信號(hào)調(diào)理電路與信號(hào)匹配電路對(duì)于現(xiàn)代自動(dòng)化測量而言具有重要的作用。本文采用運(yùn)算放大器LM358P與模擬開關(guān)CD4051B等元器件設(shè)計(jì)了一款可變?cè)鲆娴碾妷盒盘?hào)采集電路，能夠?yàn)橐话愕碾姎饬繙y試提供可靠的電壓信號(hào)采集轉(zhuǎn)換能力，該電路具有低成本、高可靠性、高準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，可供數(shù)字萬用表、傳感器采集網(wǎng)絡(luò)等作為信號(hào)調(diào)理電路使用。相對(duì)于市面上常見的信號(hào)調(diào)理電路，其往往針對(duì)某一特定使用場景而在設(shè)計(jì)中限定電壓范圍，無法應(yīng)用于更多的使用場景，有些場景采用了專門的集成電路芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)時(shí)容易遇到采購困難等問題。針對(duì)以上問題，該電路采用常見的電子元器件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，易于采購，且允許寬電壓輸入。

1? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該電路旨在提供電壓信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換，由初級(jí)電壓適配、可變?cè)鲆娣糯?、精密整流和相位檢測4個(gè)部分構(gòu)成。

1.1? 初級(jí)電壓適配

電壓采集使用傳統(tǒng)的電阻串聯(lián)分壓方式構(gòu)成分壓電路網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)初級(jí)電壓適配，并且決定整個(gè)系統(tǒng)的輸入電阻。寬電壓輸入采用多路分壓的方式，由信號(hào)繼電器實(shí)現(xiàn)不同增益的選擇，該設(shè)計(jì)旨在選擇合適的分壓比以降低測量誤差。對(duì)100～1 000 V的高壓測量，選擇250∶1的分壓比以適配初級(jí)電壓跟隨器的輸入，對(duì)于0～100 V的低壓測量，則選擇25∶1的分壓比。分壓后的電壓信號(hào)傳入電壓跟隨器。

1.2? 可變?cè)鲆娣糯?/p>

經(jīng)過初級(jí)分壓后的信號(hào)，進(jìn)入可變?cè)鲆娣糯箅娐?，該電路由運(yùn)算放大器與模擬開關(guān)共同構(gòu)成的同相放大電路實(shí)現(xiàn)。該部分電路主要對(duì)經(jīng)過初級(jí)衰減后的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，以充分發(fā)揮ADC的測量能力。

1.3? 精密整流

單電源供電的ADC無法進(jìn)行負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換，因此將負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓是需要的，無論是對(duì)直流負(fù)電壓還是交流電壓的負(fù)半周，均使用精密整流電路進(jìn)行整流。精密整流電路可以對(duì)電壓小信號(hào)進(jìn)行全波整流，克服了全橋整流存在的信號(hào)失真。

1.4? 相位檢測

精密整流后的電壓信號(hào)丟失了原本信號(hào)的相位信息。因此在進(jìn)行精密整流前進(jìn)行電壓相位的檢測是必要的。該部分電路使用運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓比較器將可變?cè)鲆娣糯箅娐返妮敵雠c零電位進(jìn)行比較，并且將比較結(jié)果以數(shù)字量進(jìn)行輸出，由此保留了原本信號(hào)的相位信息。

2? ? 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過該系統(tǒng)后，處理為直流電壓信號(hào)和相位信號(hào)進(jìn)行輸出，輸出端可以接單片機(jī)抑或是ADC芯片與現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的組合等方案，也可以接傳統(tǒng)的電氣儀表。輸入的電壓經(jīng)過初級(jí)電壓適配調(diào)整到能夠被運(yùn)算放大器接受的電壓范圍，可變?cè)鲆娣糯箅娐穼?duì)其進(jìn)行二次放大處理，由后級(jí)的控制信號(hào)將電壓信號(hào)調(diào)整到合適的范圍。精密整流電路將負(fù)電壓進(jìn)行反相操作，以實(shí)現(xiàn)直流正電壓的輸出，丟失的相位信息由相位檢測電路進(jìn)行保留。

2.2? 各單元電路及接口設(shè)計(jì)

2.2.1? 初級(jí)電壓適配電路

初級(jí)電壓適配電路如圖2所示，該部分電路由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、初級(jí)選擇電路與電壓跟隨器組成，信號(hào)由端子J1，J2輸入，控制信號(hào)由V_PC端子輸入，VCC采用+5 V供電，運(yùn)算放大器采用正負(fù)5 V雙電源供電，最終輸出信號(hào)由VOut端子輸出，該電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)信號(hào)的比例選擇并且將后級(jí)電路與輸入信號(hào)進(jìn)行隔離。

該部分電路工作時(shí)，當(dāng)電壓輸入后，經(jīng)過信號(hào)繼電器選擇相應(yīng)的分壓電路，并輸入后級(jí)的電壓跟隨器，以此實(shí)現(xiàn)初級(jí)電壓適配。信號(hào)繼電器與普通電磁繼電器相比，具有體積小、高可靠性、低功耗、高靈敏度等特點(diǎn)，適合信號(hào)控制領(lǐng)域，該設(shè)計(jì)使用信號(hào)繼電器控制初級(jí)的分壓電路選擇，同時(shí)可以用于耦合方式選擇、輸入阻抗選擇等多種應(yīng)用場景。

2.2.2? 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/p>

可變?cè)鲆娣糯箅娐啡鐖D3所示，可變?cè)鲆娣糯箅娐酚赡M開關(guān)、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器組成，信號(hào)由VIn端子輸入，量程由地址線A0，A1，A2輸入的地址碼進(jìn)行控制，VDD采用+5 V供電，VEE采用-5 V供電，最終輸出信號(hào)由VOut端子輸出，該電路可以實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娴碾妷盒盘?hào)放大。該電路采用模擬開關(guān)芯片進(jìn)行反饋回路的選擇，通過選擇電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了不同比例的電壓放大。

模擬開關(guān)芯片采用金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOS管）的開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)鏈路的關(guān)斷或者導(dǎo)通，具有低功耗、體積小、速度快、使用壽命長等特點(diǎn)，適合于中間級(jí)可變?cè)鲆娣糯蟆2]常用的模擬開關(guān)芯片有ADG408與CD4051，這兩款模擬開關(guān)芯片均為單一公共端與8路可選通道，對(duì)于可變?cè)鲆娣糯箅娐罚瑔温范嗤ǖ赖倪x擇更易于系統(tǒng)的集成化。

2.2.3? 精密整流電路

精密整流電路如圖4所示，該部分電路由運(yùn)算放大器作為主體，并采用電阻和二極管構(gòu)成精密整流電路。信號(hào)由VIn端子輸入，二極管采用1N4148開關(guān)二極管，該二極管具有更高的工作頻率，滿足電路工作需要，運(yùn)算放大器采用正負(fù)5 V雙電源供電，精密整流后的信號(hào)由VOut端子輸出。

該部分電路的具體工作原理介紹如下：

該部分電路可以視為由電阻R18，R19，開關(guān)二極管D2，D3與運(yùn)算放大器U3A組成的部分電路A與由電阻R17，R20，R21與運(yùn)算放大器U3B組成的部分電路B組合而成。

電路B為加法電路，取R17左端為輸入V1，R20左端為輸入V2，R21右端為輸出Vo，有Vo=-（V1+2V2）。

電路A取R18左端為輸入V1，R19右端為輸出Vo，當(dāng)VIn>0時(shí)，二極管D3導(dǎo)通，D2截止。電路作為反向比例放大器工作，其輸出為Vo=-V1。

當(dāng)VIn<0時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，D3截止，運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器工作，輸出為0。

綜上所述，對(duì)于整體電路而言，當(dāng)VIn>0時(shí)，輸出VOut=VIn，當(dāng)VIn<0時(shí)，輸出VOut=-VIn。由此實(shí)現(xiàn)了精密整流。相比于全橋整流，精密整流電路克服了由二極管開啟電壓的存在而產(chǎn)生的交越失真從而保證了小信號(hào)處理過程中的信號(hào)質(zhì)量。[3]設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是，在供電電壓過小的時(shí)候，該電路無法正常工作，該問題與具體的運(yùn)算放大器以及所使用的二極管參數(shù)有關(guān)。實(shí)測表明，在運(yùn)算放大器選擇LM358P，二極管使用1N4007，供電電壓為±2.5 V 時(shí)，該電路無法對(duì)交流電壓負(fù)半周進(jìn)行整流，供電電壓為±5 V時(shí)，電路工作正常。

2.2.4? 相位檢測電路

相位檢測電路如圖5所示，該電路由運(yùn)算放大器U4A構(gòu)成的電壓跟隨電路和運(yùn)算放大器U4B構(gòu)成的電壓比較電路組成，其中電壓跟隨電路可以省略。二極管D4采用1N4148開關(guān)二極管，該電路部分的核心功能實(shí)現(xiàn)部分為運(yùn)算放大器組成的電壓比較器，該部分通過對(duì)輸入信號(hào)與地電位進(jìn)行比較而檢測該輸入信號(hào)位于正半周抑或是負(fù)半周，需要注意的是，由于實(shí)際運(yùn)放的特性，相關(guān)門檻電壓的與電路損耗的存在，當(dāng)輸入信號(hào)小于毫伏級(jí)別的時(shí)候，該電路將無法正常工作。

2.3? 電路整體原理

整體電路如圖6所示，為各部分電路按照?qǐng)D1所示系統(tǒng)框圖連接而成，電壓信號(hào)由端子J1，J2輸入，經(jīng)過由地址信號(hào)A0，A1，A2及初級(jí)控制信號(hào)V_PC所組成的量程控制信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)量程控制后，進(jìn)入精密整流電路與相位檢測電路，最終電壓波形信號(hào)由VOut端子進(jìn)行輸出，相位信號(hào)由PhaseOut端子進(jìn)行輸出。

對(duì)于整體電路而言，電路增益為初級(jí)電壓適配電路增益與可變?cè)鲆娣糯箅娐吩鲆娴某朔e。

3? ? 電路性能分析

對(duì)于電路的實(shí)際性能，我們通過測試得到一系列的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)誤差分析并找到修正誤差的合適方法。

3.1? 測試結(jié)果

針對(duì)該電路工作在不同使用情況下的不同工作狀態(tài)，筆者分別對(duì)其在恒穩(wěn)直流輸入與交流輸入條件下的工作情況進(jìn)行測試，下面是不同輸入情況下的電路測試結(jié)果。

對(duì)于恒穩(wěn)直流信號(hào)的輸入，我們主要關(guān)注的是其工作增益與相位的輸出。

3.1.1? 直流輸入在不同增益情況下的電壓輸出

在該項(xiàng)測試中，采用0～500 V電壓范圍內(nèi)的不同電壓作為輸入，分別采用不同的電路電壓增益，相應(yīng)的輸出結(jié)果如表1所示。表中實(shí)際輸出電壓為實(shí)際測試獲得的電壓輸出，由萬用表實(shí)測獲得。理論輸出電壓為通過將輸入電壓與電路增益相乘得到的理論輸出電壓，如表1所示。

該電路的不同擋位分別對(duì)應(yīng)于不同的輸入電壓范圍，圖7使用測試中的1/25×8增益檔位獲得的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的理論輸出作圖，由圖7可知，實(shí)際輸出電壓與理論輸出電壓之間保持高度的貼合。該圖數(shù)據(jù)表明在1/25×8檔位，相對(duì)應(yīng)的0.5 V～10 V輸入電壓范圍內(nèi)，該電路具有良好的傳輸特性。圖7為輸入電壓分別為0.1 V，0.5 V和1 V實(shí)際輸出電壓與理論輸出電壓用常用對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制而成的曲線，可見在電壓輸入過小時(shí)，由于元器件的離散性和運(yùn)算放大器的靜態(tài)工作特性，實(shí)際輸出結(jié)果的相對(duì)誤差較大。

3.1.2? 直流輸入與各增益情況下的相位輸出

在該項(xiàng)測試中，采用0.001～5 V范圍內(nèi)的正反向直流輸入電壓進(jìn)行測試，通過觀察相位輸出，可以判斷系統(tǒng)相位檢測功能的工作情況。表2中輸出相位為通過萬用表實(shí)測獲得的相位輸出。理論輸出是按照輸入電壓的極性判斷得到。其中，0代表和輸入電壓同相，1代表和輸入電壓反相。

由表2可知，當(dāng)輸入電壓在10 mV及以上時(shí)，該電路的相位檢測均產(chǎn)生了正確的輸出，在輸入電壓為-1 mV時(shí)，該電路無法正確進(jìn)行相位檢測。結(jié)果表明，當(dāng)輸入信號(hào)過小時(shí)，由于運(yùn)算放大器的線性特性以及靜態(tài)工作點(diǎn)等因素，該部分電路無法正常工作。

3.1.3? 交流輸入與輸出

對(duì)于交流信號(hào)的輸入，需要測試電路的增益情況以及相位檢測的工作情況。在此使用正弦交流信號(hào)作為電路輸入，電路的輸出仍為輸入信號(hào)經(jīng)過電路處理后的幅度與相位輸出，在此我們采用測量輸出電壓與輸入電壓的峰值判斷電路增益情況，對(duì)于正弦交流信號(hào)輸入而言，相位檢測電路的輸出信號(hào)為與輸入正弦交流信號(hào)同頻率的方波信號(hào)，因此，通過判斷相位檢測信號(hào)輸出頻率來判斷電路相位檢測的工作情況。表3中，輸出電壓峰值與相位輸出頻率由Hantek 6022BL虛擬示波器實(shí)測獲得，頻率僅保留整數(shù)。

在該項(xiàng)測試中，使用了不同頻率與不同峰值的正弦輸入電壓，通過測試，得出了在各項(xiàng)輸入的條件下系統(tǒng)的輸出情況。表中輸出電壓峰值與相位輸出頻率為示波器實(shí)測獲得，理論輸出頻率為輸入信號(hào)頻率，理論輸出峰值為輸入電壓峰值與電路增益相乘獲得。

由表3可知，測試中分別采用了峰值為0.278 V，2.78 V，13.8 V的60 Hz交流信號(hào)，實(shí)際輸出的信號(hào)峰值與理論輸出的相位峰值之間的誤差均保持在10 mV以內(nèi)。當(dāng)采用14 V 500 Hz，619.1 V 50 Hz和612.8 V 100 Hz的交流信號(hào)時(shí)，該系統(tǒng)對(duì)于不同頻率信號(hào)的相位檢測均保持了正確的輸出。綜上可知，該電路在傳輸1 000 Hz及以下的交流信號(hào)時(shí)，具有良好的性能。

3.2? 測試誤差分析

本電路系統(tǒng)誤差主要由實(shí)際電阻元件阻值的離散性、實(shí)際運(yùn)算放大器的特性與分析中的近似導(dǎo)致。實(shí)際電阻元件在出廠測試時(shí)是基本呈正態(tài)分布的。因此在實(shí)際使用時(shí)，實(shí)際的阻值和標(biāo)定的阻值會(huì)有差別。另外，對(duì)于支路來說，焊點(diǎn)質(zhì)量、線路沉銅厚度、電路布線等因素均會(huì)使得支路電阻與理想的阻值具有差別。在實(shí)際電路中，運(yùn)算放大器的開環(huán)增益并非趨于無窮，因此在分析時(shí)的近似計(jì)算便與實(shí)際情況產(chǎn)生誤差。該誤差分布在各級(jí)電路中，并且由系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)而被逐級(jí)傳遞與放大。另外，當(dāng)增益選擇或輸入電壓過大的時(shí)候，過高的輸入電壓會(huì)使得運(yùn)算放大器進(jìn)入飽和。當(dāng)增益或輸入電壓過小的時(shí)候，運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)，使得深度負(fù)反饋條件被破壞，同樣會(huì)造成嚴(yán)重的失真，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中表現(xiàn)為系統(tǒng)在輸入信號(hào)小于1 mV時(shí)無法進(jìn)行正常工作。而在電路正常工作時(shí)，如果正確選擇了增益，則系統(tǒng)誤差可以通過后級(jí)電路處理時(shí)引入修正值得到補(bǔ)償，也可在初級(jí)電壓適配電路中加入直接耦合支路減少小信號(hào)的失真。

4? ? 結(jié)語

本文過設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)量程電壓采集電路，使其能夠精確地測量直流交流電壓并且盡可能保留原信號(hào)的完整信息，該電路在實(shí)現(xiàn)了電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，也易于小型化、集成化，且成本較低。通過實(shí)際測試，我們可以看到該電路具有良好的系統(tǒng)特性、穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差、更小的實(shí)現(xiàn)體積，能滿足對(duì)一般電氣量測量電壓的采集和轉(zhuǎn)換需求。

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（編輯 王雪芬）