一种宽范围的动态电压测量电路及方法与流程

本发明涉及电压测量领域，特别涉及一种宽范围的动态电压测量电路及方法。

背景技术：

在电压测量电路中，通常采用模拟数字转换器(A/D)，但是它的基准电压往往比较小，很难测量一些较高电压，并且如果采用独立的A/D模块，其成本将大大提高。对高电压的测量，通常采用电阻分压的方式检测，但是由于电阻自身精度的影响，会降低检测的结果，并且在从高电压变比为低电压时，往往会降低采样的精度。电阻分压检测难以对宽范围变化的电压进行采样。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种对宽范围电压、无需模拟数字转换器的电压测量电路及方法。

为了解决现有技术的问题，本发明的技术方案如下：.

一种宽范围的动态电压测量电路，包括基准电压发生电路、微处理器和比较器，所述基准电压发生电路的输入端与输入电源Vi相连接，其输出端输出基准电压并与所述比较器的第一比较输入端相连接，所述比较器的第二比较输入端与被测电压信号V_d相连接，所述微处理器与所述比较器和所述基准电压发生电路相连接，用于监测所述比较器的输出端输出电平变化并控制所述基准电压发生电路输出的基准电压值直至所述比较器的输出端输出电平发生反转；

所述基准电压发生电路包括第一电容、第二电容、第一电阻、开关电源芯片、数字电阻器、第一电感、第三电容和第四电容；

所述微处理器与所述数字电阻器之间通过I₂C总线进行数据通讯，所述微处理器控制所述数字电阻器的阻值进而控制所述基准电压发生电路输出的基准电压值；

所述输入电源Vi端口与第一电容的一端、第二电容的一端、开关电源芯片的VI引脚相连接，所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端接地；所述第一电阻的一端与开关电源芯片的FB引脚、数字电阻器的RL0引脚相连接，所述第一电阻的另一端接地；开关电源芯片的GND引脚接地，开关电源芯片的OUT引脚与第一电感的一端相连接；数字电阻器的RH端与第一电感的另一端、第三电容的一端、第四电容的一端、比较器的第一比较输入端相连接，数字电阻器的SDA引脚与微控制器的SDA引脚相连接，数字电阻器的SCL引脚与微控制器的SCL引脚相连接；第三电容的另一端和第四电容的另一端接地；比较器的输出端与微控制器的I/O端相连接，比较器的第二比较输入端与被测电压信号V_d相连接；第五电容的一端、比较器的VCC引脚和输入电源Vi相连接，第五电容的另一端接地。

优选地，所述开关电源芯片采用BUCK芯片LM2596-adj。

优选地，所述数字电阻器采用芯片X9241。

本发明还公开了一种宽范围的动态电压测量方法，包括以下步骤：

将基准电压发生电路产生的基准电压输入比较器的第一比较输入端；

将被测电压信号V_d输入比较器的第二比较输入端；

通过微处理器监测所述比较器的输出端输出电平变化；

微处理器控制基准电压发生电路中的数字变阻器使基准电压值发生变化；

当比较器的输出端输出电平发生反转时，微控制器获取数字变阻器的阻值并通过数字变阻器的阻值计算出被测电压信号V_d电压值。

优选地，所述基准电压发生电路的输入端与输入电源Vi相连接，其输出端输出基准电压并与所述比较器的第一比较输入端相连接，所述比较器的第二比较输入端与被测电压信号V_d相连接。

优选地，所述基准电压发生电路包括第一电容、第二电容、第一电阻、开关电源芯片、数字电阻器、第一电感、第三电容和第四电容；

所述输入电源Vi端口与第一电容的一端、第二电容的一端、开关电源芯片的VI引脚相连接，所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端接地；所述第一电阻的一端与开关电源芯片的FB引脚、数字电阻器的RL0引脚相连接，所述第一电阻的另一端接地；开关电源芯片的GND引脚接地，开关电源芯片的OUT引脚与第一电感的一端相连接；数字电阻器的RH端与第一电感的另一端、第三电容的一端、第四电容的一端、比较器的第一比较输入端相连接，数字电阻器的SDA引脚与微控制器的SDA引脚相连接，数字电阻器的SCL引脚与微控制器的SCL引脚相连接；第三电容的另一端和第四电容的另一端接地；比较器的输出端与微控制器的I/O端相连接，比较器的第二比较输入端与被测电压信号V_d相连接；第五电容的一端、比较器的VCC引脚和输入电源Vi相连接，第五电容的另一端接地。

采用本发明的技术方案，通过对数字电阻器的编程，实现电源芯片反馈电阻比值调整，从而实现对基准电压值的控制。微处理器主要完成对比较器输出值的采样，并利用I²C与数字电阻器进行数据通信，并迅速调整电阻值。利用开关电压输出电压值能达到电压宽范围调整的特点，实现对被测电压信号的宽范围检测，可用于变化范围较大的电压进行动态检测，无需模拟数字转换器。

附图说明

图1是本发明宽范围的动态电压测量电路的原理框图。

图2是本发明宽范围的动态电压测量电路的电路原理图。

图3是本发明中采用的BUCK芯片LM2596-adj结构示意图。

图4是本发明中采用的数字电阻器X9241结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

参见图1所示，本发明宽范围的动态电压测量电路的原理框图，包括基准电压发生电路、微处理器和比较器，基准电压发生电路的输入端与输入电源Vi相连接，其输出端输出基准电压并与比较器的第一比较输入端相连接，比较器的第二比较输入端与被测电压信号V_d相连接，微处理器与比较器和基准电压发生电路相连接，用于监测比较器的输出端输出电平变化并控制基准电压发生电路输出的基准电压值直至比较器的输出端输出电平发生反转。

参见图2所示，本发明宽范围的动态电压测量电路的电路原理图，其中，基准电压发生电路包括第一电容1、第二电容2、第一电阻3、开关电源芯片5、数字电阻器6、第一电感7、第三电容8和第四电容9；

所述输入电源Vi端口与第一电容1的一端、第二电容2的一端、开关电源芯片5的VI引脚相连接，所述第一电容1的另一端和所述第二电容2的另一端接地；所述第一电阻3的一端与开关电源芯片5的FB引脚、数字电阻器6的RL0引脚相连接，所述第一电阻3的另一端接地；开关电源芯片5的GND引脚接地，开关电源芯片5的OUT引脚与第一电感7的一端相连接；数字电阻器6的RH端与第一电感7的另一端、第三电容8的一端、第四电容9的一端、比较器10的第一比较输入端相连接，数字电阻器6的SDA引脚与微控制器的SDA引脚相连接，数字电阻器6的SCL引脚与微控制器的SCL引脚相连接；第三电容8的另一端和第四电容9的另一端接地；比较器10的输出端与微控制器的I/O端相连接，比较器10的第二比较输入端与被测电压信号V_d相连接；第五电容11的一端、比较器10的VCC引脚和输入电源Vi相连接，第五电容11的另一端接地。

上述电路中，被测电压信号V_d与比较器的第二比较输入端相连接，基准电压V_ref与比较器的第一比较输入端相连接，比较器的输出端与微控制器的检测引脚1相连接。从而可知，当比较器的输出端电压发生跳变时，说明基准电压V_ref与被测电压信号V_d的电压值相近。基准电压发生电路由DC/DC开关电源产生，其中开关电源可以采用BOOST型或BUCK型，开关电源输出端与比较器的引脚2相连接，通过开关电源引脚FB的电压值固定的关系，调整反馈电阻R1和数字电阻器的关系，可以改变开关电源的输出电压值，也就是基准电压V_ref的电压值。

在本发明一示例中，DC/DC开关电源采用BUCK芯片

LM2596-adj，它的输出电压调节范围在1.23V～37V，故可以用于对在此范围内的电压测量。LM2596-adj内部结构如图3所示，它的内部误差放大器的基准电压为1.23V，开关电源输出电压值：

V_out＝(1+R_f/R₁)×V_ref

电阻R1采用固定电阻，电阻R_f采用数字电阻器，通过改变数字电阻器与电阻R1的比值，就能实现改变输出电压的功能。其中数字电阻器采用X9241，它的结构如图4所示，它是一个4个数字控制电位器为一体的单块CMOS集成电路，每个数字电位器由63个电阻串联而成。每个数字电位器中有3个引脚控制，分别是RW、RL和RH，其中RW为电位器的可滑动端，用于调节本电位器的电阻值。通过对4个电位器进行级联，可以得到4倍单个电位器的阻值，如图4所示。数字电阻器X9241有4个地址引脚，可以用于多个数字电阻器的组合，用于扩大测量的量程。通过I₂C总线协议与微控制器进行通讯，I₂C总线速率最高能达到1Mb/s，能满足一般电压的动态检测。

比较器输出端做上拉电阻处理，并与微处理器的检测引脚相连接，设置检测引脚为沿触发，本示例设置为下降沿触发。软件设计，采用逐次渐进型方法。首先，将基准电压V_ref设置为V_max，然后基准电压V_ref与被测电压信号V_d进行比较，如果基准电压V_ref大于被测电压信号V_d，则将基准电压设置为V_max/2，如果基准电压V_ref仍然大于被测电压信号V_d，则将基准电压设置为V_max/4，继续进行比较，这时如果基准电压V_ref小于被测电压信号V_d，则可以求出被测电压信号V_d的范围为(V_max/4，V_max/2)，在进行基准电压等量变化的检测，直至在合理范围内，并触发比较器输出端电平反转。

本发明还公开了一种宽范围的动态电压测量方法，包括以下步骤：

将基准电压发生电路产生的基准电压输入比较器的第一比较输入端；

将被测电压信号V_d输入比较器的第二比较输入端；

通过微处理器监测所述比较器的输出端输出电平变化；

微处理器控制基准电压发生电路中的数字变阻器使基准电压值发生变化；

当比较器的输出端输出电平发生反转时，微控制器获取数字变阻器的阻值并通过数字变阻器的阻值计算出被测电压信号V_d电压值。

本发明所要解决的技术问题在于提供给应用电路一种宽范围的动态电压测量的方法，创新点在于检测方式采用电压比较器，利用对被测电压信号V_d和基准电压V_ref之间的比较的结果，通过比较器输出电压跳变的结果，从而知道测量电压V_d的电压值，这时，V_d就等于V_ref。利用开关电源反馈回路中，反馈电阻的比值关系和反馈引脚电压固定的条件，进行对开关电源输出电压的宽范围调节，其输出电压值与V_ref相连接。微控制器通过对数字电阻器进行编程，改变其数字电阻器的电阻值与开关电源反馈电阻的比值关系，从而实现调节的功能，而微控制器与数字电阻器通过I²C总线进行通信，从而实现了动态调节的功能。

上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。