一种输入电压量程自动可变的全范围电压变换电路

本发明涉及模拟电子技术，特别涉及一种电压变换电路。

背景技术：

在实际应用中，电压测量是电子电路测量的重要内容，也是许多电参量测量的基础。通过对电路电压的监测可以反映出电路是否工作在正常状态，对系统运行的稳定性和安全性提供重要数据支持。在电路电压的检测过程中，待测电压的大小可能存在跨度过大的现象，使得部分电压或由于过小而无法准确地采集和测量，或由于过大超过测量量程而对测量电路的部分元件造成损害。

技术实现要素：

本发明提供一种输入电压量程自动可变的全范围电压变换电路，以解决现有技术中采集电压时因测量电压范围过大而无法测量的问题，提高了测量电压的精准性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种输入电压量程自动可变的全范围电压变换电路，包括控制信号输出电路、自动选择缩放电路、自动整合输出电路；

该控制信号输出电路由4个电压比较电路模块和3个或门组成，电压比较电路模块由一个电压比较器组成，电压比较器的正输入端与输入电压信号相连，负输入端与给定的分段基准电压相连，通过与给定的分段基准电压比较，得到用高低电平表示的电压比较结果，比较后的输出结果通过或门电路输出，输出高低电平表示的控制信号a0、a1、a2，将输入电压信号分为5mv-50mv、50mv-500mv、500mv-24v三段；

该自动选择缩放电路由1个模拟开关和3个缩放电路模块构成，模拟开关在控制信号输出电路输出的a0、a1、a2控制下，自动选择接通相应的缩放电路模块输出电源电压信号，当输入电压信号为5mv-50mv时，模拟开关将输入电压选择接通到放大倍数为60倍的缩放电路模块一，当输入电压信号为50mv-500mv时，模拟开关将输入电压选择接通到放大倍数为10倍的缩放电路模块二，当输入电压信号为500mv-24v时，模拟开关将输入电压选择接通到缩小倍数为5倍的缩放电路模块三。

该自动整合输出电路由1个模拟开关构成，模拟开关在控制信号电路输出的a0、a1、a2控制下，自动整合三个缩放电路模块输出的电压信号，进行综合输出。

输入电压量程自动可变的全范围电压变换电路包括两个模拟开关，两个模拟开关的连接形式不同：

自动选择缩放电路中的第一模拟开关的电压输入端与输入的电压信号连接，将控制信号输出电路输出的a0、a1、a2作为控制信号，自动在8路输出端口中选择1路作为输入电压信号的输出端；

自动整合输出电路中的第二模拟开关的8路输入端分别与对应的自动选择缩放电路的输出信号连接，将控制信号电路输出的a0、a1、a2作为控制信号，在8路输入端口中自动选择1路进行输出；

将控制信号输出电路输出的a0、a1、a2的控制信号单独引出作为辅助信号，通过辅助信号确认选通的缩放电路模块及对应的缩放倍数，便于对缩放处理后测量信号进行还原，实现输入信号与输出信号的对应，得到原始信号的测量值。

本发明提出的一种缩小输入电压范围的变压电路，其优点在于：

(1)本发明通过分段的方法，将由于电压范围变化过大而无法测量的待测电压通过比例运算变换到可以测量的范围内，对小电压信号进行放大，使待测信号测量的更加精准，对大电压信号进行缩小，防止由于电压信号过大而损坏采集测量仪器并提高测量的准确性，再通过控制信号的辅助判断，对缩放处理后的电压信号进行还原，得到初始值，完成信号的测量；

(2)本发明运用了两个模拟开关，通过控制信号的控制，使电路能够自动完成对缩放电路模块的选择，并对缩放后的输出信号进行整合，使输入的电压信号能够被精准测量；

(3)本发明可操作性强，便于实现，且在实际应用中成本较低。

附图说明

为了能更清楚的说明本发明案例实施或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍。

图1为电路结构图；

图2为控制信号输出电路原理图；

图3为自动选择缩放电路的模拟开关原理图；

图4为自动选择缩放电路的缩放模块一原理图；

图5为自动选择缩放电路的缩放模块二原理图；

图6为自动选择缩放电路的缩放模块三原理图；

图7为自动整合输出电路原理图；

图8、9为电路输出的示波器输出波形；（图8输入电压0-24v波形图9输出电压0.1-5v波形）；

图10为matlab仿真结果；

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，并不是全部的实施例，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为本发明提供的一种输入电压量程自动可变的全范围电压变换电路的结构示意图。如图1所示，电路由控制信号输出电路、自动选择缩放电路、自动整合输出电路三部分组成。

控制信号输出电路主要由电压比较电路模块、或门和电阻组成，其中4个电压比较电路模块由电压比较器和给定的分段基准电压组成，分别包括第一电压比较器ua、第二电压比较器ub、第三电压比较器uc、第四电压比较器ud，或门包括第一或门d1、第二或门d2、第三或门d3，电阻包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3。基于lm339形成的电压比较电路模块将输入的5mv-24v的电压分成5mv-50mv、50mv-500mv、500mv-24v三个部分。

具体的，电压比较电路模块中，第一电压比较器ua、第二电压比较器ub、第三电压比较器uc、第四电压比较器ud的正输入端作为输入端口接输入电压，第一电压比较器ua的负输入端接v1基准电压5mv，第二电压比较器ub的负输入端接v2基准电压0.05v，第三电压比较器uc的负输入端接v3基准电压0.5v，第四电压比较器ud的负输入端接v4基准电压24v。

电压比较器将正输入端和负输入端的电压进行对比，若正输入端电压高于负输入端则电压比较器的输出端输出高电平，若正输入端电压低于负输入端则电压比较器的输出端输出低电平。

第一电压比较器ua用于判断输入电压是否大于5mv，第二电压比较器ub用于判断输入电压是否大于50mv，第三电压比较器uc用于判断输入电压是否大于500mv，第四电压比较器ud用于判断输入电压是否大于24v并起到保护电路不超载的作用。当输入电压小于5mv时，四个电压比较器的输出端均输出低电平；当输入电压大于5mv且小于50mv时，第一电压比较器ua输出高电平，其余三个电压比较器均输出低电平；当输入电压大于50mv且小于500mv时，第一电压比较器ua与第二电压比较器ub输出高电平，第三电压比较器uc与第四电压比较器ud输出低电平；当输入电压大于500mv且小于24v时，第一、二、三电压比较器均输出高电平，第四电压比较器ud输出低电平。

第一电压比较器ua的输出端与第二电压比较器ub的输出端分别接第一或门d1的两个输入端，第二电压比较器ub的输出端与第三电压比较器uc的输出端分别接第二或门d2的两个输入端，第三电压比较器uc的输出端与第四电压比较器ud的输出端分别接第三或门d3的两个输入端。

当或门的两个输入端中出现高电平时，或门的输出端输出高电平；当或门的两个输入端均为低电平时，或门的输出端输出低电平。

综合电压比较器和或门来看，通过电压比较器及或门，对输入量进行模数转换，将输入电压根据电压的数值大小分为5mv-50mv、50mv-500mv、500mv-24v三段，并对三段电压范围进行编码。当输入电压大于5mv且小于50mv时，第一或门d1输出高电平，第二、三或门d2、d3输出低电平；当输入电压大于50mv且小于500mv时，第一、二或门d1、d2输出高电平，第三或门d3输出低电平；当输入电压大于500mv且小于24v时，第一、二、三或门d1、d2、d3均输出高电平。

第一或门d1的输出端通过第一电阻r1作为控制信号a0，第二或门d2的输出端通过第二电阻r2作为控制信号a1，第三或门d3的输出端通过第三电阻r3作为控制信号a2，后接入模拟开关的控制端控制模拟开关的开断情况。

自动选择缩放电路主要由1个模拟开关和3个缩放电路模块组成，选用adg408作为第一模拟开关，在电路中当作八选一的模拟开关使用，通过a0、a1、a2三个控制端的高低电平输入情况控制八个开关的闭合和断开，输入端直接接输入电压，输出端分别接到后续各个缩放电路模块。第一或门d1通过第一电阻r1接入模拟开关的a0口，第二或门d2通过第二电阻r2接入模拟开关的a1口，第三或门d3通过第三电阻r3接入模拟开关的a2口。

综合电压比较电路模块和模拟开关来看，当输入电压大于5mv且小于50mv时，模拟开关控制端输入a2、a1、a0的数字量为001，模拟开关中的第二开关闭合，将输入电压接入缩放电路模块一；当输入电压大于50mv且小于500mv时，模拟开关控制端输入a2、a1、a0的数字量为011，模拟开关中的第四开关闭合，将输入电压接入缩放电路模块二；当输入电压大于500mv且小于24v时，模拟开关控制端输入a2、a1、a0的数字量为111，模拟开关中的第八开关闭合，将输入电压接入缩放电路模块三；

缩放电路模块主要由运算放大器和电阻组成，2个反向比例运算电路的串联组成一个缩放电路模块，三个缩放电路模块的输入端与相应的自动选择缩放电路中的模拟开关输出端口连接，利用反向比例运算电路的反向缩放，实现分级放大，将5mv-50mv、50mv-500mv、500mv-24v三部分的电压分别放大60倍、放大10倍、缩小5倍。

具体的，缩放电路模块中的运算放大器选用lm358。

当输入电压为5mv-50mv时，第一模拟开关s1控制端a0、a1、a2输入的数字量为001，第一模拟开关s1的第二开关s1.2闭合，第一模拟开关s1输出的电压信号通过第四电阻r4接入第一运算放大器u1的负输入端，第一运算放大器u1输出端通过第五电阻r5与第二运算放大器u2的负输入端相连接，在第一运算放大器u1的负输入端与第一运算放大器u1的输出端之间连接第六电阻r6，在第二运算放大器u2的负输入端与第二运算放大器u2的输出端之间连接第七电阻r7，第二运算放大器u2的输出是缩放电路模块一的输出，通过缩放电路模块一，使输入电压放大了60倍，最终输出电压变为0.3v-3v；

当输入电压为50mv-500mv时，第一模拟开关s1控制端a0、a1、a2输入的数字量为011，第一模拟开关s1的第四开关s1.4闭合，第一模拟开关s1的输出电压信号通过第八电阻r8接入第三运算放大器u3的负输入端，第三运算放大器u3的输出端通过第九电阻r9与第四运算放大器u4的负输入端相连接，在第三运算放大器u3的负输入端和正输出端之间连接第十电阻r10，在第四运算放大器u4的负输入端和输出端之间连接第十一电阻r11，第四运算放大器u4的输出是缩放电路模块二的输出，通过缩放电路模块二，使输入电压放大了10倍，使输出电压变为0.5v-5v；

当输入电压为500mv-24v时，第一模拟开关s1控制端a0、a1、a2输入的数字量为111，第一模拟开关s1的第八开关s1.8闭合，第一模拟开关s1的输出电压信号通过第十二电阻r12接入第五运算放大器u5的负输入端，第五运算放大器u5的输出端通过第十三电阻r13与第六运算放大器u6的负输入端相连接，在第五运算放大器u5的负输入端和输出端之间连接第十四电阻r14，在第六运算放大器的负输入端和输出端之间连接第十五电阻r15，第六运算放大器u6的输出是缩放电路模块三的输出，通过缩放电路模块二，使输入电压缩小了5倍，使输出电压变为0.1v-4.8v；

整体来说，缩放电路使输出电压的范围缩小到0.1v-5v。

自动整合输出电路主要由一个模拟开关组成，通过控制信号输出电路产生的控制信号a0、a1、a2，使缩放电路模块一、缩放电路模块二、缩放电路模块三的输出分别与模拟开关的输入端连接，输入的电压信号在模拟开关的控制信号的控制下实现自动开断，将缩放电路模块的输出电压自动整合后，从模拟开关输出相应的电压信号；

具体的，自动整合输出电路选用的是第二模拟开关s2，缩放电路模块一的输出端与第二模拟开关s2的s2.2口连接，当控制信号输出电路产生的控制信号a0、a1、a2为001时，第二模拟开关s2的第二开关闭合，第二模拟开关的输出为自动整合输出电路的输出，通过a0、a1、a2的判断，选出输出电压的区间为5mv-50mv，当控制信号a0、a1、a2为001时，则需对输出的电压值乘60还原到原始输入信号，得到输入电压信号；

缩放电路模块二的输出端与第二模拟开关s2的s2.4口连接，当控制信号输出电路产生的控制信号a0、a1、a2为011时，第二模拟开关s2的第四开关闭合，第二模拟开关的输出为自动整合输出电路的输出，通过a0、a1、a2的判断，选出输出电压的区间50mv-500mv，当控制信号a0、a1、a2为011时，则需对输出的电压值乘10还原到原始输入信号，得到输入电压信号；

缩放电路模块三的输出端与第二模拟开关的s2的s2.8口连接，当控制信号输出电路产生的控制信号a0、a1、a2为111时，第二模拟开关s2的第八开关闭合，第二模拟开关的输出为自动整合输出电路的输出，通过a0、a1、a2的判断，选出输出电压的区间500mv-24v，当控制信号a0、a1、a2为111时，则需对输出的电压值除以5还原到原始输入信号，得到输入电压信号。