多通道信号采集装置及采集方法
【专利摘要】本发明提供了一种多通道信号采集装置及采集方法，该多通道信号采集装置包括配置网络、模拟开关、A/D转换器、阻抗匹配和限幅电路，所述模拟开关一端与所述配置网络相连，所述模拟开关另一端与所述阻抗匹配和限幅电路一端相连；所述阻抗匹配和限幅电路另一端与所述A/D转换器相连。本发明的有益效果是在本发明中，将模拟信号、数字信号采集集中于一种电路中，每个信号的配置非常简单，只用调节基准电压和调整电阻值，采集电路可以通用，当输入信号类型或幅值改变时，不用改变PCB电路；本发明采集电路结构简单，PCB电路设计容易。可以在非隔离、实时性要求不高、信号比较复杂的数据采集系统中应用。
【专利说明】多通道信号采集装置及采集方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及采集电路，尤其涉及多通道信号采集装置及采集方法。
【背景技术】
[0002]传统的信号采集电路一般将模拟信号采集和数字开关量采集分开，模拟信号经过运算放大电路进行信号调理变成标准的模拟信号送到A/D转换器；如图1，模拟输入信号Ainl、Ain2、Ain3…AinN分别经过信号调理电路1、信号调理电路2、信号调理电路3…信号调理电路N转换成标准模拟信号，再经模拟开关，送给A/D转换器进行模数转换。数字开关量信号经过信号调理变成标准的TTL或CMOS电平信号送到数字缓冲器进行数字采集。如图2，开关量输入信号Dinl、Din2、Din3…DinN经过信号调理电路1、信号调理电路2、信号调理电路3...信号调理电路N转换成标准数字信号后进入数字缓冲器，信号调理电路必须将开关量调理成标准的数字电平信号。对于不同类型的模拟输入信号，要用不同的运算电路进行信号调理，需要较多的运算放大电路；不同的输入开关量信号调理电路也不一样，并且信号调理电路必须将输入的开关量信号调理成标准的电平信号，电路比较复杂。当输入信号类型或信号范围发生变化时，电路结构必须改变，PCB也要重新设计。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种多通道信号采集装置。
[0004]本发 明提供了一种多通道信号采集装置，包括配置网络、模拟开关、A/D转换器、阻抗匹配和限幅电路，所述模拟开关一端与所述配置网络相连，所述模拟开关另一端与所述阻抗匹配和限幅电路一端相连；所述阻抗匹配和限幅电路另一端与所述A/D转换器相连。
[0005]作为本发明的进一步改进，所述配置网络包括可调基准单元、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一电容，所述第一电阻一端与输入信号相连，所述第一电阻另一端分别与第三电阻和第四电阻相连，所述第二电阻一端与可调基准单元相连，所述第二电阻另一端分别与第四电阻、第一电容和输出信号相连，所述第三电阻一端与工作电源地相连，所述第三电阻另一端分别与第一电阻和第四电阻相连，所述第一电容一端与工作电源地相连，所述第一电容另一端分别与第二电阻、第四电阻和输出信号相连。
[0006]作为本发明的进一步改进，所述阻抗匹配和限幅电路包括第一运算放大器、第一二极管和第二二极管，所述第一运算放大器的正输入端与输入信号相连，所述第一运算放大器负输入端分别与第一运算放大器输出端、第一二极管正极、第二二极管负极和输出信号相连，所述第一二极管负极与工作电源相连，所述第二二极管正极与工作电源地相连。
[0007]作为本发明的进一步改进，所述配置网络为多个。
[0008]本发明提供了一种使用所述的多通道信号采集装置的采集方法，在配置网络中，当输入信号为双极性电压信号和负电压信号时，第三电阻断开，输入模拟电压信号在第一电阻R1、第四电阻R4和第二电阻上与所述可调基准单元的输出电压进行电压分配，调节可调基准单元的输出电压和第一电阻、第四电阻和第二电阻的值，能够调整输出信号。[0009]本发明提供了一种使用所述的多通道信号采集装置的采集方法，在配置网络中，当输入信号为正电压信号时，第二电阻R2断开，输入电压信号在第一电阻Rl和第三电阻R3进行分压，调节第一电阻和第三电阻的值，能够调整输出信号。
[0010]本发明提供了一种使用所述的多通道信号采集装置的采集方法，在配置网络中，当输入信号为双极性电流信号或负电流信号时，输入电流信号经第一电阻和第三电阻时形成电压信号，经过第一电阻和第三电阻进行分压，产生双极性或负电压信号，调节可调基准单元输出电压和第一电阻、第三电阻、第四电阻和第二电阻的值，能够调整输出信号。
[0011]本发明提供了一种使用所述的多通道信号采集装置的采集方法，在配置网络中，当输入信号为正电流信号时，断开第二电阻，输入电流信号经第一电阻和第三电阻时形成电压信号，经过第一电阻和第三电阻进行分压，产生正电压信号，调节第一电阻、第三电阻、第四电阻和第二电阻的值，能够调整输出信号。
[0012]本发明提供了一种使用所述的多通道信号采集装置的采集方法，在配置网络中，当输入信号为开关量输出信号时，断开第三电阻，第一电阻和第四电阻之和小于第二电阻，当开关量输出信号时，输出信号=ov，否则输出信号=可调基准单元的输出电压值。
[0013]本发明提供了一种使用所述的多通道信号采集装置的采集方法，在配置网络中，在配置网络中，当输入信号为开关量干接点信号时，断开第三电阻，第一电阻与第四电阻阻值之和小于第二电阻R2阻值，当干接点闭合时，输出信号=0V，否则输出信号=可调基准单兀的输出电压值。
[0014]本发明的有益效果是:在本发明中，将模拟信号、数字信号采集集中于一种电路中，每个信号的配置非常简单，只用调节基准电压和调整电阻值，采集电路可以通用，当输入信号类型或幅值改变时，不用改变PCB电路；在采集开关量信号时，当输入信号幅度变化范围较大时，信号调理电路不需精准的调理成标准电平信号，将A/D转换的信号采集值与预设的阀值进行比较，就可以判断出开关量的状态。另多个信号统一阻抗匹配，不需要很多的运算放大电路。本发明采集电路结构简单，PCB电路设计容易。可以在非隔离、实时性要求不高、信号比较复杂的数据采集系统中应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是【背景技术】的模拟信号采集电路图。
[0016]图2是【背景技术】的开关量信号采集电路图。
[0017]图3是本发明的多通道信号采集装置原理示意图。
[0018]图4是本发明的配置网络电路示意图。
[0019]图5是本发明的阻抗匹配和限幅电路示意图。
【具体实施方式】
[0020]如图3所示，本发明公开了一种多通道信号采集装置，包括配置网络10、模拟开关20、A/D转换器40、阻抗匹配和限幅电路30，所述模拟开关20 —端与所述配置网络10相连，所述模拟开关20另一端与所述阻抗匹配和限幅电路30 —端相连；所述阻抗匹配和限幅电路30另一端与所述A/D转换器40相连。
[0021]如图4所示，所述配置网络10包括可调基准单元101、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一电容Cl,所述第一电阻Rl —端与输入信号Ai相连,所述第一电阻Rl另一端分别与第三电阻R3和第四电阻R4相连，所述第二电阻R2 —端与可调基准单元101相连，所述第二电阻R2另一端分别与第四电阻R4、第一电容Cl和输出信号AO相连，所述第三电阻R3—端与工作电源地相连，所述第三电阻R3另一端分别与第一电阻Rl和第四电阻R4相连，所述第一电容Cl 一端与工作电源地相连，所述第一电容Cl另一端分别与第二电阻R2、第四电阻R4和输出信号AO相连。
[0022]如图5所示，所述阻抗匹配和限幅电路30包括第一运算放大器301、第一二极管Vl和第二二极管V2，所述第一运算放大器301的正输入端与输入信号相连，所述第一运算放大器301负输入端分别与第一运算放大器301输出端、第一二极管Vl正极、第二二极管V2负极和输出信号相连，所述第一二极管Vl负极与工作电源相连，所述第二二极管V2正极与工作电源地相连。
[0023]所述配置网络10为多个。
[0024]本发明还公开了一种使用所述多通道信号采集装置的采集方法，根据输入信号的不同，调整配置网络10的电阻和调节配置网络10的可调基准，进行信号调理。本发明所述采集电路可以采集不同的电压和电流信号，可以采集的模拟量信号有:双极性电压信号、负电压信号、正电压信号、双极性电流信号、负电流信号和正电流信号；可以采集的开关量信号有:干接点信号、OC门输出信号、电压信号和电流信号。
[0025]根据输入信号的不同进行计算配置，将输入信号转换成适合采集的电压信号，由于此电压信号是经过电阻分压产生的，配置网络10的输出信号输出阻抗不同，直接进行A/D转换会产生较大的误差，配置网络10的输出信号通过模拟开关20后经过由运算放大器组成的跟随器进行阻抗匹 配，再送入A/D转换器40。限幅电路是为了防止在前端电路损坏、模拟开关通道切换过程中电压超出工作电压范围而损坏A/D转换器40。
[0026]在本发明中，输入信号Ainl、Ain2、Ain3…AinN、A/D转换基准电压Vref和通道选择控制信号SLOT [1: N]。
[0027]所述的可调基准单元101由可调基准电路组成，通过调整第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和可调基准单元101的输出电压值Vadj，可以使采集电路适用于不同的输入信号。第一电容Cl用于信号滤波。
[0028]在配置网络10中，当输入信号Ai为双极性电压信号和负电压信号时，第三电阻R3断开，输入模拟电压信号Ai在第一电阻R1、第四电阻R4和第二电阻R2上与可调基准单元101的输出电压Vadj进行电压分配，调节可调基准的输出电压Vadj和第一电阻R1、第四电阻R4和第二电阻R2的值，可调整输出信号A0，使输出信号AO在正常采集信号范围内。
[0029]在配置网络10中，当输入信号Ai为正电压信号时，第二电阻R2断开，输入电压信号Ai在第一电阻Rl和第三电阻R3进行分压，调节第一电阻Rl和第三电阻R3的值，可调整输出信号A0，使输出信号AO在正常采集信号范围内。
[0030]在配置网络10中，当输入信号Ai为双极性电流信号或负电流信号时，输入电流信号Ai经第一电阻Rl和第三电阻R3时形成电压信号，经过第一电阻Rl和第三电阻R3进行分压，产生双极性或负电压信号，调节可调基准的输出电压Vadj和第一电阻R1、第三电阻R3、第四电阻R4和第二电阻R2的值，可调整输出信号A0，使输出信号AO在正常采集信号范围内。[0031]在配置网络10中，当输入信号Ai为正电流信号时，断开第二电阻R2，输入电流信号Ai经第一电阻Rl和第三电阻R3时形成电压信号，经过第一电阻Rl和第三电阻R3进行分压，产生正电压信号，调节第一电阻Rl、第三电阻R3、第四电阻R4和第二电阻R2的值，可调整输出信号A0，使输出信号AO在正常采集信号范围内。
[0032]在配置网络10中，当输入信号Ai为开关量OC输出信号时，断开第三电阻R3，第一电阻Rl和第四电阻R4之和远远小于第二电阻R2，当OC输出信号时，Ao=OV,否则Ao=Vadj。
[0033]在配置网络10中，当输入信号Ai为开关量干接点信号时，断开第三电阻R3，第一电阻Rl与第四电阻R4阻值之和远远小于第二电阻R2阻值，当干接点闭合时，Ao=OV,否则Ao=Vadj。
[0034]输入信号Ainl、Ain2、Ain3…AinN在配置网络10中经过不同的信号调理，其输出信号AO的输出阻抗也不同，如果直接进行A/D转换，因阻抗不匹配会影响采样精度；另外因干扰或其他原因造成匹配网络10的输出信号过高或过低，会损坏A/D转换器，本发明采用模拟开关20将多通道信号通过多选一开关送入到阻抗匹配和限幅电路30，经过阻抗匹配和限幅送到A/D转换器 40，保证了 A/D采样精度和对A/D转换器的保护。
[0035]在本发明中，通过配置所述调节配置网络10中的电阻值和调整可调基准的电压值实现信号调理，实现信号调理电路在模拟信号采集和开关量信号采集之间的通用性。采集的开关量信号变化范围可以很大。
[0036]在本发明中，将模拟信号、数字信号采集集中于一种电路中，每个信号的配置非常简单，只用调苄基准电压和调整电阻值，采集电路可以通用，当输入信号类型或幅值改变时，不用改变PCB电路；在采集开关量信号时，当输入信号幅度变化范围较大时，信号调理电路不需精准的调理成标准电平信号，将A/D转换的信号采集值与预设的阀值进行比较，就可以判断出开关量的状态。另多个信号统一阻抗匹配，不需要很多的运算放大电路。本发明采集电路结构简单，PCB电路设计容易。可以在非隔离、实时性要求不高、信号比较复杂的数据采集系统中应用。
[0037]本发明采用一种通用的多通道信号采集电路，通过调整配置网络内的电阻和调节基准电压，可以兼顾采样多通道的电流和电压信号，任何通道输入的信号既可以是模拟信号也可是数字开关量信号，通过灵活配置，在同一 PCB电路板上实现不同类型的信号采集，另外利用A/D转换器采样开关量信号，对开关量信号幅度要求不高，信号调理电路也非常简单，开关量信号抗干扰性强，较好地解决了现有技术中存在的问题。
[0038]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种多通道信号采集装置，其特征在于:包括配置网络、模拟开关、A/D转换器、阻抗匹配和限幅电路，所述模拟开关一端与所述配置网络相连，所述模拟开关另一端与所述阻抗匹配和限幅电路一端相连；所述阻抗匹配和限幅电路另一端与所述A/D转换器相连。
2.根据权利要求1所述的多通道信号采集装置，其特征在于:所述配置网络包括可调基准单元、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一电容，所述第一电阻一端与输入信号相连，所述第一电阻另一端分别与第三电阻和第四电阻相连，所述第二电阻一端与可调基准单元相连，所述第二电阻另一端分别与第四电阻、第一电容和输出信号相连，所述第三电阻一端与工作电源地相连，所述第三电阻另一端分别与第一电阻和第四电阻相连，所述第一电容一端与工作电源地相连，所述第一电容另一端分别与第二电阻、第四电阻和输出信号相连。
3.根据权利要求1所述的多通道信号采集装置，其特征在于:所述阻抗匹配和限幅电路包括第一运算放大器、第一二极管和第二二极管，所述第一运算放大器的正输入端与输入信号相连，所述第一运算放大器负输入端分别与第一运算放大器输出端、第一二极管正极、第二二极管负极和输出信号相连，所述第一二极管负极与工作电源相连，所述第二二极管正极与工作电源地相连。
4.根据权利要求1所述的多通道信号采集装置，其特征在于:所述配置网络为多个。
5.使用权利要求2至4任一项所述的多通道信号采集装置的采集方法，其特征在于，在配置网络中，当输入信号为双极性电压信号和负电压信号时，第三电阻断开，输入模拟电压信号在第一电阻R1、第四电阻R4和第二电阻上与所述可调基准单元的输出电压进行电压分配，调节可调基准单元的输出电压和第一电阻、第四电阻和第二电阻的值，能够调整输出信号。
6.使用权利要求2至4任一项所述的多通道信号采集装置的采集方法，其特征在于，在配置网络中，当输入信 号为正电压信号时，第二电阻R2断开，输入电压信号在第一电阻Rl和第三电阻R3进行分压，调节第一电阻和第三电阻的值，能够调整输出信号。
7.使用权利要求2至4任一项所述的多通道信号采集装置的采集方法，其特征在于，在配置网络中，当输入信号为双极性电流信号或负电流信号时，输入电流信号经第一电阻和第三电阻时形成电压信号，经过第一电阻和第三电阻进行分压，产生双极性或负电压信号，调节可调基准单元输出电压和第一电阻、第三电阻、第四电阻和第二电阻的值，能够调整输出信号。
8.使用权利要求2至4任一项所述的多通道信号采集装置的采集方法，其特征在于，在配置网络中，当输入信号为正电流信号时，断开第二电阻，输入电流信号经第一电阻和第三电阻时形成电压信号，经过第一电阻和第三电阻进行分压，产生正电压信号，调节第一电阻、第三电阻、第四电阻和第二电阻的值，能够调整输出信号。
9.使用权利要求2至4任一项所述的多通道信号采集装置的采集方法，其特征在于，在配置网络中，当输入信号为开关量输出信号时，断开第三电阻，第一电阻和第四电阻之和小于第二电阻，当开关量输出信号时，输出信号=0V，否则输出信号=可调基准单元的输出电压值。
10.使用权利要求2至4任一项所述的多通道信号采集装置的采集方法，其特征在于，在配置网络中，当输入信号为开关量干接点信号时，断开第三电阻，第一电阻与第四电阻阻值之和小于第二电阻R2阻值，当干接点闭合时，输出信号=0V，否则输出信号=可调基准单兀的输 出电压值。
【文档编号】H03M1/12GK103634008SQ201310620330
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】魏烈祥 申请人:深圳市虹远通信有限责任公司