一种兼容单双极性模拟信号采样电路的制作方法
【专利摘要】一种兼容单双极性模拟信号采样电路，属于涉及电力系统的电力变换控制系统中对信号的采集、调理【技术领域】。该电路包括信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD单元、外扩FPGA单元、DSP主控制单元等五部分，传感器将采集的信号送到模拟信号调理电路，调理电路处理后的信号送到片外AD或DSP的片内AD，片外AD先与外扩FPGA单元分配的采样引脚相连，外扩FPGA单元再通过总线方式与DSP主控制单元相连接，以实现对片外采样数据的读取。优点在于，该电路支持多通道输入并且结构简单，功能性强。该采样电路具有兼容单极性和双极性信号调理的功能，具有良好的兼容性、灵活性、选择性、适用性和高精度。
【专利说明】一种兼容单双极性模拟信号采样电路
【技术领域】
[0001] 本发明属于涉及电力系统的电力变换控制系统中对信号的采集、调理【技术领域】， 特别是涉及一种兼容单双极性模拟信号采样电路，该电路支持多通道输入并且结构简单， 功能性强。该采样电路具有兼容单极性和双极性信号调理的功能，具有良好的兼容性、灵活 性、选择性、适用性和高精度。
【背景技术】
[0002] 目前，一般的信号采样电路都是先将强电信号通过传感器转换成弱电信号，再经 过模拟信号调理电路将信号放大、偏置和滤波等，最后进入AD转换芯片和微处理器，进行 运算和处理。
[0003] -方面，某些处理器自带的AD采样芯片的精度不够，会给采样带来误差，不能满 足高精度场合的要求；输入信号会有单、双极性之分，需要转换单、双极性采样电路，灵活性 不足且成本较高。
[0004] 另一方面，一般的信号调理模块都是先经过采样电阻，将霍尔元件输出的电流信 号转换为电压信号，然后经过一电压跟随器，以增强带负载能力；由于采集后的信号可经过 片外AD变换后送到DSP进行运算，而若用DSP的片内AD采样，则所能接受的电平范围为 OV以上；所以，需要经过比例运算电路，将信号幅值适当地放大或减小，再经过运放组成的 加减法运算电路进一步进行电平偏置。最后将信号经过滤波电路滤除干扰，即可进行AD变 换。因此，调理电路一般实现四个功能，分别为实现跟随、比例运算、电平偏置和滤波。然 而，在电平偏置时，一般该电路只能对单极性信号或双极性信号中的一种进行电平偏置，在 实现另一种信号调理时只能重新设计电路，通用性差。
【发明内容】
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[0005] 本发明的目的在于提供一种兼容单双极性模拟信号采样电路，克服了对不同极性 信号采样时功能性不足、运算速度和精度不够、灵活性差等问题。为单双极性信号采样提供 了便捷的切换方式，有利于缩短开发周期、增强扩展性。
[0006] 本发明采用信号调理电路的改进设计和外扩AD采样芯片相结合的方法。该电路 分包括信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD单元、外扩FPGA单元、DSP主控制单元等 五部分，传感器将采集的信号送到模拟信号调理电路，调理电路处理后的信号送到片外AD 或DSP的片内AD，片外AD先与外扩FPGA单元分配的采样引脚相连，外扩FPGA单元再通过 总线方式与DSP主控制单元相连接，以实现对片外采样数据的读取。
[0007] 信号采集电路通过霍尔传感器采集主回路中电压和电流模拟信号，再将采集后 的信号传送给模拟信号调理电路。霍尔电压传感器型号为LV28-P，霍尔电流传感器是 LA100-P。
[0008] 模拟信号调理电路分为五部分：采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置 电路、信号滤波，采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置电路、信号滤波次串联；各 部分芯片的电源电压均采用±15V。采样电阻为误差在0. 1%左右的精密电阻，阻值的大小 与输入信号的幅值相对应。电压跟随电路由运算放大器0P07构成，其负输入端与输出端相 连。电压放大器由运放LF353构成，在其输出端和负输入端之间接滑线变阻器，以调节调理 电压的幅值大小。电压偏置电路采用LF353,并在电压放大器的正输入端接输入信号的单、 双极性设置选择切换开关，进行选择性调整，使得信号电平与AD采样芯片的管脚电平相兼 容，并使有、无电平偏置模块的一体化。信号滤波电路为简单的RC滤波器，由电阻和电容组 成。
[0009] 信号经过信号调理电路处理后，信号分别进入DSP的片内AD和片外AD进行采样。
[0010] 在进入片内AD采样时，必须为经过调理后的单极性信号，且DSP的片内AD采样管 脚ADCINxx与信号调理电路相连，通过DSP初始化和使能片内AD采样模块，对调理后的信 号进行存储和计算。DSP采用的是TI公司新推出的一款C2000系列的浮点型数字信号处理 器 TMS320F28335。
[0011] 外扩采样电路所用的芯片主要包括DSP芯片、FPGA芯片和AD采样芯片，DSP芯片 与FPGA芯片相连，AD采样芯片与FPGA芯片相连。模拟信号控制单元将采集的模拟信号送 到FPGA和DSP主控单元，DSP向FPGA下发使能和采样指令，FPGA再使能并启动AD芯片，AD 芯片将模拟信号转换成数字信号，FPGA芯片读取AD芯片的数字信号，并进行存储，DSP再读 取FPGA内部的数字信号，在DSP上进行处理计算和控制信号输出。FPGA采用的是ALTERA 公司的Cyclone系列的第四代产品EP4C115F23C8 ;AD芯片采用的是2片AD7606。
[0012] 所述电路中，当输入为双极性信号时，可通过信号调理电路的切换开关，加上偏置 电压，使得采样电压与DSP的管脚相兼容，也可不加偏置电压，用外扩AD芯片进行采样；当 输入为单极性信号时，不需偏置电压，则片内和片外AD均可用于采样。
[0013] 通过改变信号调理电路中电压偏置环节的设计结构、增加 DSP的片外采样和控制 芯片后，可根据采样信号的不同和精度的要求，选择不同的采样方法；通过DSP使能不同的 采样模块来进行良好的切换，无需更多改变硬件电路，使用器件少，且能很好实现上述全部 功能。
[0014] 有益效果：
[0015] 本发明的有益效果为，在完成原电路所有功能外，减少了硬件电路开发周期，结构 简单，支持多通道信号采样，可行性强。
【专利附图】
【附图说明】：
[0016] 图1为本发明的信号采样电路功能框图。
[0017] 图2为本发明的信号采样和调理部分的电路原理图。其中，精密电阻R1，普通电 阻R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9,陶瓷电容Cl、C2,光隔离运放U1，运算放大器U2A、U2B，信 号输入端XI，偏置电平输入端BAIS，电信号输出端X0UT，切换开关S2。
[0018] 图3为本发明的片内AD采样程序流程图。
[0019] 图4为本发明的片外AD7606采样程序流程图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明包括信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD单元、外扩FPGA单元、DSP 主控制单元等五部分，传感器将采集的信号送到模拟信号调理电路，调理电路处理后的信 号送到片外AD或DSP的片内AD，片外AD先与外扩FPGA单元分配的采样引脚相连，外扩 FPGA单元再通过总线方式与DSP主控制单元相连接，以实现对片外采样数据的读取。
[0021] 下面结合附图进一步说明。
[0022] 本发明的整体设计思路如图1所示，采样信号先经过传感器转换成弱电信号，然 后经过信号调理电路进行调整，使得采样信号与AD采样芯片的管脚兼容，然后分别输入到 片内或片外AD转换芯片；DSP内部自带12位AD采样模块，可满足一定精度的要求，且只可 采样单极性信号；外扩AD芯片为2片16位高精度AD7606,可采样双极性信号，DSP向FPGA 下发采样指令，通过FPGA来控制片外AD，这样也增加了采样通道数。DSP采用的是TI公司 的浮点型数字信号处理器TMS320F28335。FPGA采用的是ALTERA公司的Cyclone系列的第 四代产品EP4C115F23C8 ;AD芯片采用的是2片AD7606。
[0023] 信号采样与调理电路的原理设计如图2所示，该电路的通用性表现在：通过采用 切换开关S1，使该电路既适用于单极性信号采样，也适用于双极性信号采样。若利用片外双 极性AD采样芯片进行采样，则不需要电平偏置；但若用片内AD采样，则需要增加电平偏置 模块。本设计通过一个切换开关Sl实现了有、无电平偏置模块的一体化设计。
[0024] 切换开关Sl的单双极性信号选择的工作原理如下：
[0025] 在此将图2中的R8、R9、R1(l、R 11取150K，电平偏置电路各参数计算表达式如下：
【权利要求】
1. 一种兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，包括信号采集电路、模拟信号调 理电路、外扩AD单元、外扩FPGA单元、DSP主控制单元五部分，传感器将采集的信号送到模 拟信号调理电路，调理电路处理后的信号送到片外AD或DSP的片内AD，片外AD先与外扩 FPGA单元分配的采样引脚相连，外扩FPGA单元再通过总线方式与DSP主控制单元相连接， W实现对片外采样数据的读取； 信号采集电路通过霍尔传感器采集主回路中电压和电流模拟信号，再将采集后的信号 传送给模拟信号调理电路； 模拟信号调理电路分为五部分：采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置电路、 信号滤波，采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置电路、信号滤波次串联，电压跟 随电路由运算放大器0P07构成，其负输入端与输出端相连。电压放大器由运放LF353构 成，在其输出端和负输入端之间接滑线变阻器，W调节调理电压的幅值大小；电压偏置电路 采用LF353,并在电压放大器的正输入端接输入信号的单、双极性设置选择切换开关，进行 选择性调整，使得信号电平与AD采样芯片的管脚电平相兼容，并使有、无电平偏置模块的 一体化；信号滤波电路为RC滤波器，由电阻和电容组成； 信号经过信号调理电路处理后，信号分别进入DSP的片内AD和片外AD进行采样； 在进入片内AD采样时，必须为经过调理后的单极性信号，且DSP的片内AD采样管脚 ADCmxx与信号调理电路相连，通过DSP初始化和使能片内AD采样模块，对调理后的信号进 行存储和计算。
2. 根据权利要求1所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，霍尔电压传 感器型号为LV28-P，霍尔电流传感器是LA100-P。
3. 根据权利要求1所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，采样电阻为 误差在0. 1 %的精密电阻，阻值的大小与输入信号的幅值相对应。
4. 根据权利要求1所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，外扩采样电 路所用的芯片包括DSP芯片、FPGA芯片和AD采样芯片，DSP芯片与FPGA芯片相连，AD采样 芯片与FPGA芯片相连。模拟信号控制单元将采集的模拟信号送到FPGA和DSP主控单元， DSP向FPGA下发使能和采样指令，FPGA再使能并启动AD芯片，AD芯片将模拟信号转换成 数字信号，FPGA芯片读取AD芯片的数字信号，并进行存储，DSP再读取FPGA内部的数字信 号，在DSP上进行处理计算和控制信号输出。
5. 根据权利要求4所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，FPGA采用的 是EP4C115F23C8 ;AD芯片采用的是2片AD7606。
6. 根据权利要求4所述的兼容单双极性模拟信号采样电路，其特征在于，所述电路中， 当输入为双极性信号时，通过信号调理电路的切换开关，加上偏置电压，使得采样电压与 DSP的管脚相兼容，或者不加偏置电压，用外扩AD芯片进行采样；当输入为单极性信号时， 不需偏置电压，则片内和片外AD均可用于采样。
【文档编号】G05B19/042GK104460462SQ201410773973
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月13日 优先权日:2014年12月13日
【发明者】刘其辉, 葛立坤, 孙亮亮 申请人:华北电力大学