一种自适应量程模拟量采集电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及信号采集技术领域，特别是涉及一种自适应量程模拟量采集电路及其控制方法。

背景技术

当前市场上带有输入检测的控制设备，需要在知道模拟量采样信号的电压或电流范围的情况下再进行选配符合采样参数的端口，无法动态调整端口允许输入范围的情况，统一采用宽范围的量程的采样电路采样相对量程范围变化比例较小的信号时，误差增加，大大降低采样精度，并且输入检测控制设备在系统调试组装连接线路过程中，误连线配置不相符的输入采集端口则可能造成不相符输入采集端口不可逆的损坏情况。

发明内容

基于此，有必要提供一种提供信号分辨率的自适应量程模拟量采集电路及其控制方法。

一种自适应量程模拟量采集电路，包括：第一量程选择模块、第二量程选择模块和第三量程选择模块，第一量程选择模块、第二量程选择模块连接于电路输入端和串级电阻之间，第三量程选择模块连接于串级电阻和并级电阻之间，其中，第一量程选择模块用于控制第一MOS管导通，以控制第一电阻接入，输入信号电阻与第一电阻并联后，与串级电阻和并级电阻串联，形成分压电路；第二量程选择模块用于控制第二MOS管导通，以控制第二电阻接入形成低阻抗回路并产生压差，压差信号经过串级电阻和并级电阻进行分压；第三量程选择模块用于控制第三MOS管导通，以控制第三电阻接入，第三电阻和并级电阻并联后与串级电阻串联，形成分压电路；其中，第一量程选择模块还用于控制第一MOS管截止、第二量程选择模块还用于控制第二MOS管截止、第三量程选择模块还用于控制第三MOS管截止，串级电阻和并级电阻形成分压电路。

进一步的，所述自适应量程模拟量采集电路，还包括：电压跟随器，连接于串级电阻和并级电阻之间，用于对输入的高阻抗信号输出低阻抗信号。

进一步的，所述自适应量程模拟量采集电路，还包括：与输入信号并联的瞬态抑制二极管，用于将输入信号由高阻抗变为低阻抗。

进一步的，所述第一量程选择模块包括第一低电平信号输入端、第一MOS管和第一三极管；其中，第一MOS管为NMOS管，第一三极管为PNP型三极管，第一MOS管的漏极连接第一三极管的基极，第一MOS管的源极接地，第一MOS管的栅极连接第一低电平信号输入端，第一三极管的发射极连接5V电源，第一三极管的集电极接入电路输入端和串级电阻之间。

进一步的，所述第二量程选择模块包括第二低电平信号输入端和第二MOS管；其中，第二MOS管为NMOS管，第二低电平信号输入端连接第二MOS管的栅极，第二MOS管的源极接地，第二MOS管的漏极接入电路输入端和串级电阻之间。

进一步的，所述第三量程选择模块包括第三低电平信号输入端和第三MOS管；其中，第三MOS管为NMOS管，第三低电平信号输入端连接第三MOS管的栅极，第三MOS管的源极接地，第三MOS管的漏极接入串级电阻和并级电阻之间。

一种自适应量程模拟量采集电路的控制方法，用于控制权利要求1-6任一项所述的自适应量程模拟量采集电路，所述方法包括以下步骤：

控制第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管截止，信号经过串级电阻和并级电阻分压处理后，输出信号计算公式为：

进一步的，所述自适应量程模拟量采集电路的控制方法，包括：

控制第一MOS管、第二MOS管截止，第三MOS管导通，当前状态下为电压检测模式，信号经过串级电阻、并级电阻与第三电阻并联回路分压处理后，输出信号计算公式为：

进一步的，所述自适应量程模拟量采集电路的控制方法，包括：

控制第一MOS管和第三MOS管截止，第二MOS管导通，当前状态下为电流检测模式，信号经过第二电阻形成的低阻抗回路并产生压差，压差信号经过串级电阻和并级电阻串进行分压，输出信号计算公式为：

进一步的，所述自适应量程模拟量采集电路的控制方法，包括：

控制第一MOS管导通，第二MOS管和第三MOS管截止，当前状态下为电阻检测模式，输入信号电阻与第一电阻形成分压电路得到一个电压信号，再经过串级电阻和并级电阻分压处理后，输出信号计算公式为：

上述的一种自适应量程模拟量采集电路及其控制方法，通过控制第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管的导通和截止，经过串级电阻、并级电阻和根据量程选择第一电阻、第二电阻或第三电阻接入，该设计提供两种量程选择方式，初始状态下可以先作用大量程24V情况下做输入检测，根据输入检测的值再调整量程检测，从而提高信号分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例的自适应量程模拟量采集电路结构示意图；

图2为一具体实施例自适应量程模拟量采集电路图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

在其中一个实施例中，如图1和图2所示，提供了一种自适应量程模拟量采集电路，包括：第一量程选择模块100、第二量程选择模块200和第三量程选择模块300，第一量程选择模块100、第二量程选择模块200连接于电路输入端和串级电阻之间，第三量程选择模块300连接于串级电阻和并级电阻之间；其中，第一量程选择模块100用于控制第一MOS管导通，以控制第一电阻R7021接入，输入信号电阻与第一电阻R7021并联后，与串级电阻R6017和并级电阻R6018串联，形成分压电路；第二量程选择模块200用于控制第二MOS管导通，以控制第二电阻R7024接入形成低阻抗回路并产生压差，压差信号经过串级电阻R6017和并级电阻R6018进行分压；第三量程选择模块300用于控制第三MOS管导通，以控制第三电阻R170接入，第三电阻R170和并级电阻R6018并联后与串级电阻R6017串联，形成分压电路；其中，第一量程选择模块100还用于控制第一MOS管截止、第二量程选择模块200还用于控制第二MOS管截止、第三量程选择模块300还用于控制第三MOS管截止，串级电阻R6017和并级电阻R6018形成分压电路。

其中，第一量程选择模块100、第二量程选择模块200和第三量程选择模块300可通过输入的高、低电平控制。第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管可为NMOS管或PMOS管。电路输入端为信号采集输入端。

本实施例所述的一种自适应量程模拟量采集电路，通过控制第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管的导通和截止，经过串级电阻、并级电阻和根据量程选择第一电阻、第二电阻或第三电阻接入，该设计提供两种量程选择方式，初始状态下可以先作用大量程24V情况下做输入检测，根据输入检测的值再调整量程检测，从而提高信号分辨率。

在其中一个实施例中，如图1和图2所示，所述一种自适应量程模拟量采集电路，还包括：电压跟随器400，连接于串级电阻R6017和并级电阻R6018之间，用于对输入的高阻抗信号输出低阻抗信号。

其中，电压跟随器400包括滤波电容C6012和放大器U52，滤波电容C6012一端连接于串级电阻R6017和并级电阻R6018之间，滤波电容C6012另一端接地，放大器U52的端口1连接于串级电阻R6017和并级电阻R6018之间，放大器U52的端口2接地，放大器U52的端口3通过电阻R133连接放大器U52的端口4，放大器U52的端口4连接输出端ADC2_IN2_PA5，放大器U52的端口5连接4.5V电源，放大器U52的端口5与4.5V电源之间通过电容C75接地。其中，电容C6012的电容值为0.1uF，电阻R133的阻值为10KΩ，电容C75的电容值为0.1uF。

在其中一个实施例中，如图1和图2所示，所述一种自适应量程模拟量采集电路，还包括：与输入信号并联的瞬态抑制二极管D38，用于将输入信号由高阻抗变为低阻抗。

如图2所示，“AI_IN4”网络连接符为自适应量程模拟量电路输入端，电路输入前级先并联一颗36V/600W的瞬态抑制二极管，当瞬态抑制二极管受到大于36V峰值脉冲电流瞬态高能量冲击时，能以10的负12次方秒级的速度，将其两极的高阻抗变为低阻抗，吸收其信号异常时的浪涌功率，从而达到保护输入采集电路的作用。

在其中一个实施例中，如图2所示，所述第一量程选择模块100包括第一低电平信号输入端ADC1_IN3_PA6、第一MOS管Q10和第一三极管Q7001；其中，第一MOS管Q10为NMOS管，第一三极管Q7001为PNP型三极管，第一MOS管Q10的漏极连接第一三极管Q7001的基极，第一MOS管Q10的源极接地，第一MOS管Q10的栅极连接第一低电平信号输入端ADC1_IN3_PA6，第一三极管Q7001的发射极连接5V电源，第一三极管Q7001的集电极接入电路输入端和串级电阻R6017之间。

可以理解的是，低电平信号输入端ADC1_IN3_PA6、第一MOS管Q10和第一三极管Q7001之间通过电阻进行连接。如图2所示，低电平信号输入端ADC1_IN3_PA6通过电阻R198连接第一MOS管Q10的栅极，电阻R198与第一MOS管Q10的栅极之间通过电阻R197连接第一MOS管Q10的源极，第一MOS管Q10的漏极通过电阻R201连接第一三极管Q7001的基极,电阻R201与第一三极管Q7001的基极之间通过电阻R200连接第一三极管Q7001的发射极，第一三极管Q7001的发射极通过磁珠LB29连接5V电源，第一三极管Q7001的集电极通过电阻R7021接入电路输入端和串级电阻之间。磁珠LB29的参数为600Ω@100MH，电阻R7021的阻值为1KΩ，电阻R200的阻值为10KΩ，电阻R201的阻值为4.7KΩ,电阻R197的阻值为10KΩ，电阻R198的阻值为10KΩ。

在其中一个实施例中，如图2所示，所述第二量程选择模块200包括第二低电平信号输入端PA1/ADC1_IN2/TIM5_CH2和第二MOS管Q7；其中，第二MOS管Q7为NMOS管，第二低电平信号输入端PA1/ADC1_IN2/TIM5_CH2连接第二MOS管Q7的栅极，第二MOS管Q7的源极接地，第二MOS管Q7的漏极接入电路输入端和串级电阻R6017之间。

其中，低电平信号输入端PA1/ADC1_IN2/TIM5_CH2和第二MOS管Q7之间通过电阻连接。例如，低电平信号输入端PA1/ADC1_IN2/TIM5_CH2通过电阻R153与第二MOS管Q7的栅极连接，电阻R153与第二MOS管Q7的栅极之间通过电阻R150接地，第二MOS管Q7的漏极通过电阻R7024接入电路输入端和串级电阻R6017之间。其中，电阻R153的阻值为10Ω，电阻R150的阻值为10KΩ，电阻R7024的阻值为200Ω。

在其中一个实施例中，如图2所示，所述第三量程选择模块300包括第三低电平信号输入端ADC2_IN5_PC4和第三MOS管Q8；其中，第三MOS管Q8为NMOS管，第三低电平信号输入端ADC2_IN5_PC4连接第三MOS管Q8的栅极，第三MOS管Q8的源极接地，第三MOS管Q8的漏极接入串级电阻R6017和并级电阻R6018之间。

其中，第三低电平信号输入端ADC2_IN5_PC4通过电阻R176和第三MOS管Q8的栅极连接，电阻R176与第三MOS管Q8的栅极之间通过电阻R171接地，第三MOS管Q8的漏极通过电阻R170接入串级电阻R6017和并级电阻R6018之间。其中，电阻R176的阻值为10Ω，电阻R171的阻值为10KΩ，电阻R170的阻值为3KΩ。

在一个实施例中，提供了一种自适应量程模拟量采集电路的控制方法，其特征在于，用于上述实施例所述的自适应量程模拟量采集电路，所述方法包括以下步骤：控制第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管截止，信号经过串级电阻和并级电阻分压处理后，输出信号计算公式为：

本实施例所述方法适用于低量程的信号采集。

在其中一个实施例中，一种自适应量程模拟量采集电路的控制方法，还包括以下步骤：

控制第一MOS管、第二MOS管截止，第三MOS管导通，当前状态下为电压检测模式，信号经过串级电阻、并级电阻与第三电阻并联回路分压处理后，输出信号计算公式为：

本实施例所述方法适用于高量程的信号采集。

在其中一个实施例中，一种自适应量程模拟量采集电路的控制方法，还包括以下步骤：

控制第一MOS管和第三MOS管截止，第二MOS管导通，当前状态下为电流检测模式，信号经过第二电阻形成的低阻抗回路并产生压差，压差信号经过串级电阻和并级电阻串进行分压，输出信号计算公式为：

本实施例所述方法适用于高量程的信号采集。

在其中一个实施例中，一种自适应量程模拟量采集电路的控制方法，还包括以下步骤：

控制第一MOS管导通，第二MOS管和第三MOS管截止，当前状态下为电阻检测模式，输入信号电阻与第一电阻形成分压电路得到一个电压信号，再经过串级电阻和并级电阻分压处理后，输出信号计算公式为：

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本实施例所述方法适用于低量程的信号采集。

上述自适应量程模拟量采集电路的控制方法，能够根据信号的范围，选择相应的高或低量程进行采集，满足不同需求的采样电路，提高采样精度。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。