MLCC电容测试正负信号采集电路和方法

技术领域

本发明涉及信号采集技术领域，尤其是涉及一种MLCC电容测试正负信号采集电路和方法。

背景技术

在MLCC电容测试领域，大量的MLCC电容测试电源和MLCC电容测试超绝缘计等设备的状态需要受到监控，而多种设备的传感器输出的信号种类多样，信号的电平高低不一致，导致需要用到多台信号采集监控设备，成本较高。当前有些监控设备虽然具有多路采集接口，但是接口的采集功能单一，往往只具备正信号采集的功能；而由于目标采集信号的多样性，导致设备的很多接口无法使用，造成资源的浪费。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种MLCC电容测试正负信号采集电路和方法，能够同时采集正负信号。

一方面，根据本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集电路，包括：

信号同相放大器，用于采集目标信号，并将所述目标信号放大；

信号反相器，用于对放大后的所述目标信号进行反相；

极性判断模块，用于判断所述目标信号的正负极性；

信号选择开关模块，所述信号选择开关模块的第一输入通道与所述信号同相放大器的输出端电连接，所述信号选择开关模块的第二输入通道与所述信号反相器的输出端电连接；

控制单元，所述控制单元的采样端口与所述信号选择开关模块的输出端电连接，所述控制单元的极性识别端口与所述极性判断模块的输出端电连接；

当所述极性判断模块判断所述目标信号的极性为正时，所述控制单元发出第一控制信号，控制所述信号选择开关模块的第一输入通道和输出端连通；当所述极性判断模块判断所述目标信号的极性为负时，所述控制单元发出第二控制信号，控制所述信号选择开关模块的第二输入通道和输出端连通。

根据本发明的一些实施例，所述信号同相放大器包括第一比较器、第一电阻和第二电阻，所述第一比较器的同相输入端用于连接所述目标信号，所述第一比较器的输出端通过依次串联连接的所述第二电阻和所述第一电阻接地，所述第一比较器的反相输入端与所述第一电阻和所述第二电阻之间的连接点电连接，所述第一比较器的输出端还与所述信号选择开关模块的第一输入通道电连接。

根据本发明的一些实施例，所述信号反相器包括第二比较器、第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的第一端与所述信号同相放大器的输出端电连接，所述第三电阻的第二端与所述第二比较器的反相输入端电连接，所述第三电阻的第二端还通过所述第四电阻与所述第二比较器的输出端电连接，所述第二比较器的同相输入端接地，所述第二比较器的输出端还与所述信号选择开关模块的第二输入通道电连接。

根据本发明的一些实施例，所述极性判断模块包括：

第三比较器，所述第三比较器的同相输入端与所述信号同相放大器的输出端电连接，所述第三比较器的反相输入端与所述第三比较器的输出端电连接，所述第三比较器的输出端通过串联连接的第五电阻和第六电阻接地；

第四比较器，所述第四比较器的反相输入端与所述第五电阻和所述第六电阻之间的连接点电连接，所述第四比较器的同相输入端接地，所述第四比较器的输出端通过上拉电阻连接+3.3V电源，所述第四比较器的输出端还与所述控制单元的极性识别端口电连接。

根据本发明的一些实施例，所述信号同相放大器的输入端与所述目标信号之间设置有第一限流滤波模块；所述信号选择开关模块的输出端与所述控制单元的采样端口之间设置有第二限流滤波模块；所述极性判断模块的输出端与所述控制单元的极性识别端口之间设置有第三限流滤波模块。

根据本发明的一些实施例，所述第一限流滤波模块包括：

第一限流电阻，所述第一限流电阻的第一端用于连接所述目标信号，所述第一限流电阻的第二端与所述信号同相放大器的输入端电连接；

第一二极管，所述第一二极管的阳极端与所述第一限流电阻的第二端电连接，所述第一二极管的阴极端连接+5V电源；

第二二极管，所述第二二极管的阳极端连接-5V电源，所述第二二极管的阴极端与所述第一限流电阻的第二端电连接；

第一滤波电容，所述第一滤波电容的第一端与所述信号同相放大器的输入端电连接，所述第一滤波电容的第二端接地。

根据本发明的一些实施例，所述第二限流滤波模块包括：

第二限流电阻，所述第二限流电阻的第一端与所述信号选择开关模块的输出端电连接，所述第二限流电阻的第二端与所述控制单元的采样端口电连接；

第三二极管，所述第三二极管的阳极端与所述第二限流电阻的第二端电连接，所述第三二极管的阴极端连接+3.3V电源；

第四二极管，所述第四二极管的阳极端接地，所述第四二极管的阴极端与所述第二限流电阻的第二端电连接；

第二滤波电容，所述第二滤波电容的第一端与所述控制单元的采样端口电连接，所述第二滤波电容的第二端接地。

根据本发明的一些实施例，所述第三限流滤波模块包括：

第三限流电阻，所述第三限流电阻的第一端与所述极性判断模块的输出端电连接，所述第三限流电阻的第二端与所述控制单元的极性识别端口电连接；

第五二极管，所述第五二极管的阳极端与所述第三限流电阻的第二端电连接，所述第五二极管的阴极端连接+3.3V电源；

第六二极管，所述第六二极管的阳极端接地，所述第六二极管的阴极端与所述第三限流电阻的第二端电连接；

第三滤波电容，所述第三滤波电容的第一端与所述控制单元的极性识别端口电连接，所述第三滤波电容的第二端接地。

另一方面，根据本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集方法，包括以下步骤：

获取目标信号；

将所述目标信号放大后，发送至信号选择开关模块的第一输入通道；

将放大后的所述目标信号反相后，发送至所述信号选择开关模块的第二输入通道；

判断所述目标信号的正负极性，并将判断结果发送至控制单元；

当所述目标信号的极性为正时，所述控制单元发出第一控制信号，控制所述信号选择开关模块的第一输入通道和输出端相连通；当所述目标信号的极性为负时，所述控制单元发出第二控制信号，控制所述信号选择开关模块的第二输入通道和输出端相连通。

根据本发明的一些实施例，还包括以下步骤：

当没有目标信号输入时，所述控制单元发出第三控制信号，控制所述信号选择开关模块的输出端与所述第一输入通道和所述第二输入通道均断开连接。

本发明提出的MLCC电容测试正负信号采集电路和方法，至少具有以下有益效果：当目标信号的极性为正时，信号经过信号同相放大器的放大后，通过信号选择开关模块发送至控制单元的采样端口，供控制单元进行采样；当信号的极性为负时，信号经过信号同相放大器的放大后，再经过信号反相器的反相，变为正信号后，再通过信号选择开关模块发送至控制单元的采样端口，供控制单元进行采样。根据本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集电路和方法，能够将微小信号进行放大，提高采样精度，而且能够同时采样正负信号，将采集信号的峰峰值提高一倍，能够广泛应用于各类MLCC电容测试电源或MLCC电容测试仪表的信号采样，从而减少所需的信号采集监控设备的数量，降低成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集电路的模块示意图；

图2为本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集电路的电路原理图；

图3为本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集方法的步骤流程图；

附图标记：

信号同相放大器100、信号反相器200、极性判断模块300、信号选择开关模块400、控制单元500。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

一方面，如图1所示，本发明实施例提出了一种MLCC电容测试正负信号采集电路，包括信号同相放大器100、信号反相器200、极性判断模块300、信号选择开关模块400和控制单元500；信号同相放大器100用于采集目标信号，并将目标信号放大；信号反相器200用于对放大后的目标信号进行反相；极性判断模块300用于判断目标信号的正负极性；信号选择开关模块400的第一输入通道与信号同相放大器100的输出端电连接，信号选择开关模块400的第二输入通道与信号反相器200的输出端电连接；控制单元500的采样端口与信号选择开关模块400的输出端电连接，控制单元500的极性识别端口与极性判断模块300的输出端电连接；当极性判断模块300判断目标信号的极性为正时，控制单元500发出第一控制信号，控制信号选择开关模块400的第一输入通道和输出端连通；当极性判断模块300判断目标信号的极性为负时，控制单元500发出第二控制信号，控制信号选择开关模块400的第二输入通道和输出端连通。

根据本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集电路，能够同时采集正负信号；当信号的极性为正时，信号经过信号同相放大器100的放大后，通过信号选择开关模块400发送至控制单元500的采样端口，供控制单元500进行采样；当信号的极性为负时，信号经过信号同相放大器100的放大后，再经过信号反相器200的反相，变为正信号后，再通过信号选择开关模块400发送至控制单元500的采样端口，供控制单元500进行采样。其中，控制单元500可以采用具备ADC采样功能的MCU、PLC、FPGA等，从而对目标信号进行采样。根据本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集电路，能够将微小信号进行放大，提高采样精度，而且能够同时采样正负信号，将采集信号的峰峰值提高一倍，便于广泛应用于各类MLCC电容测试电源或MLCC电容测试仪表的信号采样，减少所需的信号采集监控设备的数量，降低成本。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，信号同相放大器100包括第一比较器IC1A、第一电阻R1和第二电阻R2，第一比较器IC1A的同相输入端用于连接目标信号，第一比较器IC1A的输出端通过依次串联连接的第二电阻R2和第一电阻R1接地，第一比较器IC1A的反相输入端与第一电阻R1和第二电阻R2之间的连接点电连接，第一比较器IC1A的输出端还与信号选择开关模块400的第一输入通道(即IC2的ch0)电连接。第一比较器IC1A的第8引脚与直流电源+5V连接，第4引脚与直流电源-5V连接。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，信号反相器200包括第二比较器IC1B、第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3的第一端与信号同相放大器100的输出端(即第一比较器IC1A的输出端)电连接，第三电阻R3的第二端与第二比较器IC1B的反相输入端电连接，第三电阻R3的第二端还通过第四电阻R4与第二比较器IC1B的输出端电连接，第二比较器IC1B的同相输入端接地，第二比较器IC1B的输出端还与信号选择开关模块400的第二输入通道(即IC2的ch1)电连接。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，极性判断模块300包括第三比较器IC3和第四比较器IC4，第三比较器IC3的同相输入端与信号同相放大器100的输出端(即第一比较器IC1A的输出端)电连接，第三比较器IC3的反相输入端与第三比较器IC3的输出端电连接，第三比较器IC3的输出端通过串联连接的第五电阻R5和第六电阻R6接地；第四比较器IC4的反相输入端与第五电阻R5和第六电阻R6之间的连接点电连接，第四比较器IC4的同相输入端接地，第四比较器IC4的输出端通过上拉电阻R9连接+3.3V电源，第四比较器IC4的输出端还与控制单元500的极性识别端口电连接。其中，第三比较器IC3作为跟随同相缓冲器，能够应用其运放特征和高阻性隔离目标信号，减少对目标信号的影响，提高采样精度，同时提高极性判断时分压信号的抗干扰性；第五电阻R5和第六电阻R6构成分压电路，配合第四比较器IC4确定目标信号的正负极性。

在本发明的一些实施例中，信号选择开关模块400用于选择对应需要采集的信号，信号选择开关模块400可以采用信号多路选择器、电子开关、继电器等。如图2所示，在本示例中，信号选择开关模块400采用型号为CD4051BM96的多路复用芯片IC2，IC2的ch0与信号同相放大器100的输出端电连接，IC2的ch1与信号反相器200的输出端电连接，IC2的其它通道(ch2-ch7)均接地，IC2的通道选择信号A连接到控制单元500的IO输出引脚PA1，上拉电阻R7的一端与PA1连接，其另外一端与直流电源+3.3V连接；IC2的通道选择信号B连接到控制单元的IO输出引脚PA2，上拉电阻R8的一端与PA2连接，其另外一端与直流电源+3.3V连接；IC2的第6、8、9引脚接地；IC2的VDD引脚与直流电源+5V连接，VEE引脚与直流电源-5V连接；IC2的输出端COM与控制单元500的采样端口电连接。

在本发明的一些实施例中，信号同相放大器100的输入端与目标信号之间设置有第一限流滤波模块；信号选择开关模块400的输出端与控制单元500的采样端口之间设置有第二限流滤波模块；极性判断模块300的输出端与控制单元500的极性识别端口之间设置有第三限流滤波模块。

具体地，如图2所示，第一限流滤波模块包括第一限流电阻R11、第一二极管D1、第二二极管D2和第一滤波电容C1，第一限流电阻R11的第一端用于连接目标信号，第一限流电阻R11的第二端与信号同相放大器100的输入端(即第一比较器IC1A的同相输入端)电连接；第一二极管D1的阳极端与第一限流电阻R11的第二端电连接，第一二极管D1的阴极端连接+5V电源；第二二极管D2的阳极端连接-5V电源，第二二极管D2的阴极端与第一限流电阻R11的第二端电连接；第一滤波电容C1的第一端与信号同相放大器100的输入端电连接，第一滤波电容C1的第二端接地。第一限流电阻R11是为了防止电路中电流过大而烧毁芯片或电路；第一二极管D1和第二二极管D2是为了防止电路中信号的幅度过高影响到芯片的性能，甚至烧毁芯片等，第一滤波电容C1用于对目标信号进行滤波。

如图2所示，第二限流滤波模块包括第二限流电阻R12、第三二极管D3、第四二极管D4和第二滤波电容C2，第二限流电阻R12的第一端与信号选择开关模块400的输出端(即IC2的COM)电连接，第二限流电阻R12的第二端与控制单元500的采样端口电连接；第三二极管D3的阳极端与第二限流电阻R12的第二端电连接，第三二极管D3的阴极端连接+3.3V电源；第四二极管D4的阳极端接地，第四二极管D4的阴极端与第二限流电阻R12的第二端电连接；第二滤波电容C2的第一端与控制单元500的采样端口电连接，第二滤波电容C2的第二端接地。

如图2所示，第三限流滤波模块包括第三限流电阻R13、第五二极管D5、第六二极管D6和第三滤波电容C3，第三限流电阻R13的第一端与极性判断模块300的输出端(即第四比较器IC4的输出端)电连接，第三限流电阻R13的第二端与控制单元500的极性识别端口电连接；第五二极管D5的阳极端与第三限流电阻R13的第二端电连接，第五二极管D5的阴极端连接+3.3V电源；第六二极管D6的阳极端接地，第六二极管D6的阴极端与第三限流电阻R13的第二端电连接；第三滤波电容C3的第一端与控制单元500的极性识别端口电连接，第三滤波电容C3的第二端接地。

电容C4、C5、C6和C7为芯片供电引脚的正直流电源的耦合滤波电容，这几个电容相互并联后，一端与直流电源+5V连接，另外一端与GND连接，并且分别靠近芯片供电引脚布局；电容C8、C9、C10和C1为芯片供电引脚的负直流电源的耦合滤波电容，这几个电容相互并联后，一端与直流电源-5V连接，另外一端与GND连接，并且分别靠近芯片供电引脚布局。

根据本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集电路和方法，其工作原理如下：

目标信号Vin通过第一限流电阻R11进入，此时Vin＝VCC1(1)；根据运算放大器的“虚短”工作原理，可以得到第一比较器IC1A的反相输入端电压VCC2＝VCC1(2)，第二比较器IC1B的反相输入端电压VCC4＝GND(3)；第三比较器IC3的同相输入端电压等于输出端电压，即VCC3＝VCC8(4)；由基尔霍夫定律可以得到：

当R3＝R4时，可以得到：

由式(3)、(5)、(6)可以得到：

由电阻R5、R6分压可得：

由式(4)、(5)、(8)可得：

当目标信号Vin>0V时，由上述式(5)、式(7)和式(9)分别得到VCC3为正信号、VCC5为负信号、VCC9为正信号；由VCC9>0V可以知道，第四比较器IC4输出低电平，即VCC10＝0V；经过第三限流电阻R13后，电压VCC11＝VCC10＝0V；此时控制单元500的极性识别端口监测到VCC11为低电平，则驱动PA1、PA2输出均为低电平，使得IC2的ch0与COM建立好通道，将正信号VCC3送到控制单元500的采样端口，进行采样数据。

当目标信号Vin<0V时，由上述公式(5)、式(7)和式(9)分别得到VCC3为负信号、VCC5为正信号、VCC9为负信号；由VCC9<0V可以知道，第四比较器IC4输出高电平，即VCC10＝3.3V；经过第三限流电阻R13后，电压VCC11＝VCC10＝3.3V；此时控制单元500监测到VCC11为高电平，则驱动PA1输出高电平、PA2输出低电平，使得IC2的ch1与COM建立好通道，将正信号VCC5送到控制单元500的采样端口，进行采样数据。

当没有信号需要采集时，控制单元500输出PA2为高电平，此时ch0、ch1均与COM断开，使得VCC6＝GND，从而减小信号辐射。

另一方面，如图3所示，对应于上述的MLCC电容测试正负信号采集电路，本发明实施例还提出了一种MLCC电容测试正负信号采集方法，该方法包括以下步骤：

步骤S100：获取目标信号；

步骤S200：将目标信号放大后，发送至信号选择开关模块400的第一输入通道；

步骤S300：将放大后的目标信号反相后，发送至信号选择开关模块400的第二输入通道；

步骤S400：判断目标信号的正负极性，并将判断结果发送至控制单元500；

步骤S500：当目标信号的极性为正时，控制单元500发出第一控制信号，控制信号选择开关模块400的第一输入通道和输出端相连通；当目标信号的极性为负时，控制单元500发出第二控制信号，控制信号选择开关模块400的第二输入通道和输出端相连通。

具体地，首先，目标信号通过第一限流电阻R11进入信号同相放大器100，经过第一比较器IC1A的放大后，发送至信号选择开关模块400的第一输入通道(即IC2的ch0)；同时，经过第一比较器IC1A放大的目标信号发送至信号反相器200中，经过第二比较器IC1B的反相后，发送至信号选择开关模块400的第二输入通道(即IC2的ch1)；同时，经过第一比较器IC1A放大的目标信号还发送至极性判断模块300中，经过极性判断模块300判断极性后，将判断结果发送至控制单元500；控制单元500根据目标信号的极性，发出相应的控制信号给信号选择开关模块400，从而控制信号选择开关模块400的第一输入通道或第二输入通道与输出端相连通。当目标信号的极性为正时，控制单元500控制PA1、PA2的输出均为低电平，使得IC2的ch0与COM建立好通道，将正信号VCC3送到控制单元500的采样端口，进行采样数据；当目标信号的极性为负时，控制单元控制PA1输出高电平、PA2输出低电平，使得IC2的ch1与COM建立好通道，将正信号VCC5送到控制单元500的采样端口，进行采样数据；当没有信号需要采集时，控制单元500输出PA2为高电平，此时ch0、ch1均与COM断开，使得VCC6＝GND，从而减小信号辐射。

根据本发明实施例的MLCC电容测试正负信号采集电路和MLCC电容测试正负信号采集方法，能够将微小信号进行放大，提高采样精度，而且能够同时采样正负信号，将采集信号的峰峰值提高一倍，能够广泛应用于各类MLCC电容测试电源或MLCC电容测试仪表的信号采样，从而减少所需的信号采集监控设备的数量，降低成本。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。