一种基于ADS131E04芯片的多路高精度直流电力参数采样电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种基于ads131e04芯片的多路高精度直流电力参数采样电路。

背景技术：

目前，直流供电网络被广泛用到城市轨道交通和微电网中。直流网络的状态监测、直流电能计量、直流电能质量监测与分析、直流系统对交流系统的影响程度研究等，都离不开对直流电力参数的多采样通道、高精度的采集和处理。现有技术中，大部分直流电测量，均通过使用霍尔传感器将大电流、大电压转为小电流、小电压输入采样电路中，许多厂家的直流电力参数的采样电路测量通道少，数据采样精度低，对于测量不同范围的直流电时需要更换相应的测量范围的仪表，传统的监测直流电电力参数的仪表中主要的采样电路，采样通道少，生产成本高。

例如，中国专利公开号cn204855683u公开了一种双路直流高压精密智能电力仪表，包括用于采集双路直流信号的传感单元，用于基于所述传感单元采集的双路直流信号进行处理的主控单元，用于显示所述主控单元的处理结果、并对主控单元的工作参数进行设置的人机交互单元，以及用于对所述主控单元和传感单元进行供电的电源模块；所述主控单元，分别与传感单元和人机交互单元连接；所述电源模块，分别与传感单元和主控单元连接。该专利的技术方案的采样电路为双路采样，其直流电力参数的采样电路测量通道较少。

因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种集多采样通道、高精度、多量程于一体，且具备高兼容性的直流电力参数采样技术显得尤为重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于避免现有技术中的不足之处，而提供一种基于ads131e04芯片的多路高精度直流电力参数采样电路，该电路设计对于采集电路能测量的范围，实现了远程遥控调整三种量程，其量程分别为0~25ma、0~50ma、0~100ma，可适用于500a以下测量范围的直流电；通过使用ads131e04芯片的采样电路，其数据运行的速率可高达64ksps，采样电流精度为0.2级，为监控直流用电设备的电能质量提供精确的数据。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种基于ads131e04芯片的多路高精度直流电力参数采样电路，所述采样电路包括电源电路、采样转换调理电路、模数转换电路、数据传输接线端子、继电器电路、mcu电路；

所述模数转换电路与电源电路、采样转换调理电路、数据传输接线端子连接；所述继电器电路与采样转换调理电路连接；所述mcu电路与继电器电路连接；

所述电源电路配置为向所述模数转换电路供电；所述mcu电路配置为发送信号至继电器电路，控制所述继电器电路与采样转换调理电路接通，以实现选择不同量程进行采样；

所述模数转换电路配置为接收采样转换调理电路传输的模拟信号，并将所述模拟信号转换为数字信号输出至数据传输接线端子。

所述电源电路包括三个子电路和电源接线端子，其中，三个子电路分别为dvdd电源电路、avdd电源电路和avss电源电路；所述电源接线端子包括svcc、+5vcc和公共负端（gnd），用于外接电源；

所述dvdd电源电路与svcc端连接，以使所述dvdd电源电路将接收到的外接电源svcc进行滤波后输出模数转换参考电压至模数转换电路；

具体的，通过电源电路中的dvdd电源电路外接电源svcc进过滤波后得到的电源dvdd（dvdd，模数转换参考电压），为模数转换电路的ads131e04芯片供电。

所述avdd电源电路包括低压差线性稳压芯片；所述avdd电源电路与+5vcc端连接，以使所述avdd电源电路将接收到的+5vcc电压（5vcc是指必须通过开关处于开的位置才对地有5v电压）经过低压差线性稳压芯片转换为模数转换参考电压输出至模数转换电路，为模数转换电路的电压基准芯片和ads131e04芯片供电；

所述avss电源电路包括dc-dc电源芯片和低压差线性稳压芯片；所述avss电源电路与+5vcc端连接，以使所述avss电源电路将接收到的+5vcc电压经过dc-dc电源芯片和低压差线性稳压芯片转换为avss电压（即模拟电路地）输出至模数转换电路，为模数转换电路的电压基准芯片和ads131e04芯片供电。

具体的，所述电源电路，先由外接电源svcc进过滤波后得到的电源dvdd（dvdd，模数转换参考电压），为模数转换电路的ads131e04芯片供电，+5vcc依次经过低压差线性稳压芯片转换为avdd，+5vcc依次经过dc-dc电源芯片和低压差线性稳压芯片转换为avss,从而avdd和avss为电压基准芯片和ads131e04芯片提供一个稳定、可靠的工作电源。

所述继电器电路包括六个相同构造的子电路，其中，每个子电路包括一个继电器和一个光耦合器；所述继电器包括线圈、公共触点和常开触点；所述继电器线圈的一端接+5vcc电源，继电器线圈的另一端与光耦合器集电极连接；所述继电器公共触点接地gnd，所述继电器常开触点与采样转换调理电路连接；所述光耦合器的发光二极管正极接vdd33电源，负极接mcu电路；

所述mcu电路包括控制芯片，所述控制芯片与继电器电路连接，控制芯片输出信号至所述继电器电路。

以上的，所述控制芯片包括六个电平输出端口，六个电平输出端口与继电器电路中的六个子电路对应连接。

具体的，当控制芯片输出低电平（即do0低电平）至继电器电路的光耦合器时，光耦合器的发光二极管工作发亮，光耦合器的ce极导通，继电器的线圈导通，继电器触点由常开变为常闭转态，从而yk1和地（com1）连接在一起，此时采样转换调理电路的电流输入范围为0-25ma；同理当do1为低电平，do0、do2为高电平时，yk2和地（com1）连接在一起，此时采样转换调理电路的电流输入范围为0-50ma；当do2为低电平，do0、do1为高电平时，yk3和地（com1）连接在一起，此时采样转换调理电路的电流输入范围为0-100ma。

所述采样转换调理电路包括两路相同结构的可调量程采样电路和两路相同结构的不可调量程采样电路；其中，所述可调量程采样电路、不可调量程采样单元均包括与外部传感单元连接的信号输入端，以及与模数转换电路连接的信号输出端；

所述可调量程采样电路包括三个精密采样电阻、第一tvs二极管、第一电阻和第一电容，第一tvs二极管具有三个引脚，分别为第一阴极、第二阴极和阳极；所述三个精密采样电阻分别为第一精密采样电阻、第二精密采样电阻和第三精密采样电阻；所述第一tvs二极管的第二阴极与第一电阻连接，第一电阻另一端接信号输入端；所述第一电容的两端分别接第一tvs二极管的第二阴极和阳极；所述第一电阻和第一电容构成第一rc滤波器，所述第一rc滤波器用于滤除可调量程采样电路输入信号的噪声；

所述第一精密采样电阻、第二精密采样电阻、第三精密采样电阻的一端均与信号输入端连接，第一精密采样电阻、第二精密采样电阻、第三精密采样电阻的另一端分别与继电器电路的线圈常开触点对应连接。

具体的，由于可调量程采样电路具有两个，则两个可调量程采样电路共具有六个精密采样电阻，这六个精密采样电阻分别与继电器电路的六个子电路对应连接，从而实现量程范围的选中。

具体的，第一精密采样电阻、第二精密采样电阻、第三精密采样电阻分别作为量程0-25ma、0-50ma、0-100ma采样电路的精密采样电阻；通过mcu电路输出电平信号，从而选中特定的可调量程采样电路通路，实现量程的选择。

具体的，tvs二极管能确保输入电压限制到0-5v，以保护模数转换电路。

所述不可调采样电路包括第四精密采样电阻、第二tvs二极管、第二电阻和第二电容，第二tvs二极管具有三个引脚，分别为第一阴极、第二阴极和阳极；所述第二tvs二极管的第二阴极与第二电阻连接，第二电阻另一端接信号输入端；所述第二电容的两端分别接第二tvs二极管的第二阴极和阳极；所述第二电阻和第二电容构成第二rc滤波器，所述第二rc滤波器用于滤除不可调量程采样电路输入信号的噪声。

所述第四精密采样电阻一端接地，另一端与信号输入端连接；

以上的，所述采样转换调理电路将接收到的外部传感单元的小电流信号经精密采样电阻转换为小于等于4.096v的电压信号并输出至芯片ads131e04。

优选的，所述第一精密采样电阻、第二精密采样电阻、第三精密采样电阻和第四精密采样电阻是精度为0.1%，温度系数为10ppm/℃的电阻。

优选的，所述tvs二极管的型号为pesd5v0l2bt。

所述模数转换电路包括电压基准芯片和ads131e04芯片；所述电压基准芯片的vin引脚与电源电路的avdd电源电路连接，所述电压基准芯片的gnd引脚与电源电路的avss电源电路连接，电压基准芯片的out引脚接ads131e04芯片的vrefp引脚，用于接收电压基准芯片输出的基准电压。

所述ads131e04芯片包括与采样转换调理电路信号输出端连接的输入引脚，以及多个输出数字信号的输出引脚，所述输出引脚与数据传输接线端子连接。

具体的，ads131e04芯片为模数转换器，用于将接收到的模拟信号转换为数字信号输出。

优选的，所述电压基准芯片的型号为ref5040。

以上的，所述数据传输接线端子包括en端（使能端），所述en端与电源电路连接。

具体的，所述的模数转换电路将采样转换调理电路采集到的直流电压的模拟信号和直流电流的模拟信号转换为数字信号，再通过数据传输接线端子与外界单片机通信。

优选的，所述控制芯片的型号为stm8s003。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的采样电路，其具有两路可调量程采样电路和两路不可调量程采样电路，其采样精度高，可测量的直流电范围宽，且具有四路采样通道，采样范围可通过外界设备控制mcu模块进行调控；该电路采用网络的方式实现直接调整采样电流的采样范围，实现了远程遥控调整三种量程，其量程分别为0~25ma、0~50ma、0~100ma，可适用于500a以下测量范围的直流电；通过使用ads131e04芯片的采样电路，其数据运行的速率可高达64ksps，采样电流精度为0.2级，为监控直流用电设备的电能质量提供精确的数据。

附图说明

图1为本实用新型提供的采样电路的电路模块连接示意图；

图2为本实用新型提供的采样电路的电源电路连接示意图；

图3为本实用新型提供的采样电路的采样转换调理电路连接示意图；

图4为本实用新型提供的采样电路的继电器电路连接示意图；

图5为本实用新型提供的采样电路的mcu电路连接示意图；

图6为本实用新型提供的采样电路的模数转换电路连接示意图；

图7为本实用新型提供的采样电路的数据传输接线端子示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

如图1~7所示，一种基于ads131e04芯片的多路高精度直流电力参数采样电路，所述采样电路包括电源电路1、采样转换调理电路2、模数转换电路3、数据传输接线端子4、继电器电路5、mcu电路6；

所述模数转换电路3与电源电路1、采样转换调理电路2、数据传输接线端子4连接；所述继电器电路5与采样转换调理电路2连接；所述mcu电路6与继电器电路5连接；

所述电源电路1配置为向所述模数转换电路3供电；所述mcu电路6配置为发送信号至继电器电路5，控制所述继电器电路5与采样转换调理电路2接通，以实现选择不同量程进行采样；

所述模数转换电路3配置为接收采样转换调理电路2传输的模拟信号，并将所述模拟信号转换为数字信号输出至数据传输接线端子4。

所述电源电路1包括三个子电路和电源接线端子，其中，三个子电路分别为dvdd电源电路、avdd电源电路和avss电源电路；所述电源接线端子包括svcc、+5vcc和公共负端gnd，用于外接电源；

所述dvdd电源电路与svcc端连接，以使所述dvdd电源电路将接收到的外接电源svcc进行滤波后输出模数转换参考电压（dvdd）至模数转换电路3；

所述dvdd电源电路包括电容c39、c40、c41、c42，电感l2；其中，电容c40、c41为滤波电容；所述电感l2一端接电容c40正极和svcc端，另一端接电容c41正极且作为电压输出端为模数转换电路3提供电压，所述电容c40、c41的负极接公共负端；所述电容c39与电容c40并联，所述电容c42与电容c41并联。

具体的，通过电源电路中的dvdd电源电路外接电源svcc进过滤波后得到的电源dvdd，为模数转换电路3的ads131e04芯片u1供电。

所述avdd电源电路包括低压差线性稳压芯片u5；所述avdd电源电路与+5vcc端连接，以使所述avdd电源电路将接收到的+5vcc电压经过低压差线性稳压芯片u5转换为模数转换参考电压（avdd）输出至模数转换电路3，为模数转换电路3的电压基准芯片u2和ads131e04芯片u1供电；

所述avss电源电路包括dc-dc电源芯片u6和低压差线性稳压芯片u7；所述avss电源电路与+5vcc端连接，以使所述avss电源电路将接收到的+5vcc电压经过dc-dc电源芯片u6和低压差线性稳压芯片u7转换为avss电压（即模拟电路地）输出至模数转换电路3，为模数转换电路3的电压基准芯片u2和ads131e04芯片u1供电。

具体的，所述电源电路，先由外接电源svcc进过滤波后得到的电源dvdd（dvdd，模数转换参考电压），为模数转换电路3的ads131e04芯片u1供电，+5vcc依次经过低压差线性稳压芯片u5转换为avdd，+5vcc依次经过dc-dc电源芯片u6和低压差线性稳压芯片u7转换为avss,从而avdd和avss为电压基准芯片u2和ads131e04芯片u1提供一个稳定、可靠的工作电源。

所述采样转换调理电路2包括两路相同结构的可调量程采样电路和两路相同结构的不可调量程采样电路；其中，所述可调量程采样电路、不可调量程采样单元均包括与外部传感单元连接的信号输入端（in1-、in1+、in2-、in2+、……、in4-、in4+），以及与模数转换电路3连接的信号输出端（in1n、in1p、……、in4n、in4p）；

所述可调量程采样电路包括三个精密采样电阻、第一tvs二极管、第一电阻和第一电容，第一tvs二极管具有三个引脚，分别为第一阴极、第二阴极和阳极；所述三个精密采样电阻分别为第一精密采样电阻、第二精密采样电阻和第三精密采样电阻；所述第一tvs二极管的第二阴极与第一电阻r5连接，第一电阻另一端接信号输入端；所述第一电容c2的两端分别接第一tvs二极管的第二阴极和阳极；所述第一电阻和第一电容构成第一rc滤波器，所述第一rc滤波器用于滤除可调量程采样电路输入信号的噪声；

所述第一精密采样电阻、第二精密采样电阻、第三精密采样电阻的一端均与信号输入端连接，第一精密采样电阻、第二精密采样电阻、第三精密采样电阻的另一端分别与继电器电路5的线圈常开触点对应连接。

为了更好地说明可调量程采样电路的结构，具体如图3所示，一共有两个可调量程采样电路，以其中第一个可调量程采样电路为例进行说明，其包括第一精密采样电阻r2、第二精密采样电阻r3、第三精密采样电阻r4、第一tvs二极管u8、第一电阻r5和第一电容c2，第一tvs二极管u8具有三个引脚，分别为第一阴极c1、第二阴极c2和阳极a；所述第一tvs二极管u8的第二阴极c2与第一电阻r5连接，第一电阻r5另一端接信号输入端in1+；所述第一电容c2的两端分别接第一tvs二极管的第二阴极c2和阳极a；所述第一电阻r5和第一电容c2构成第一rc滤波器，所述第一rc滤波器用于滤除可调量程采样电路输入信号的噪声；第二个可调量程采样电路结构一致，故在此不再赘述其具体连接关系。两路可调量程采样电路，用户可根据需求连接其中一路或两路可调量程采样电路，增强实用性。

具体的，由于可调量程采样电路具有两个，则两个可调量程采样电路共具有六个精密采样电阻（r2、r3、r4、r8、r9、r10，这六个精密采样电阻分别与继电器电路5的六个子电路对应连接，从而实现量程范围的选中。

具体的，第一精密采样电阻r2/r8、第二精密采样电阻r3/r9、第三精密采样电阻r4/r10分别作为量程0-25ma、0-50ma、0-100ma采样电路的精密采样电阻；通过mcu电路6输出电平信号，从而选中特定的可调量程采样电路通路，实现量程的选择。tvs二极管能确保输入电压限制到0-5v，以保护模数转换电路3。

所述不可调采样电路包括第四精密采样电阻、第二tvs二极管、第二电阻和第二电容，第二tvs二极管具有三个引脚，分别为第一阴极、第二阴极和阳极；所述第二tvs二极管的第二阴极与第二电阻r15连接，第二电阻r15另一端接信号输入端；所述第二电容c6的两端分别接第二tvs二极管的第二阴极和阳极；所述第二电阻和第二电容构成第二rc滤波器，所述第二rc滤波器用于滤除不可调量程采样电路输入信号的噪声。

所述第四精密采样电阻一端接地，另一端与信号输入端连接；

为了更好地说明不可调量程采样电路的结构，具体如图所3示，一共有两个不可调量程采样电路，以其中第一个不可调量程采样电路为例进行说明，其包括第四精密采样电阻r14、第二tvs二极管u10、第二电阻r15和第二电容c6，第二tvs二极管u10具有三个引脚，分别为第一阴极c1、第二阴极c2和阳极a；所述第二tvs二极管的第二阴极c2与第二电阻r15连接，第二电阻r15另一端接信号输入端in3+；所述第二电容c6的两端分别接第二tvs二极管的第二阴极c2和阳极a；所述第二电阻r15和第二电容c6构成第二rc滤波器，所述第二rc滤波器用于滤除不可调量程采样电路输入信号的噪声。

以上的，所述采样转换调理电路2将接收到的外部传感单元的小电流信号经精密采样电阻转换为小于等于4.096v的电压信号并输出至芯片ads131e04。

在本实施例中，所述第一精密采样电阻r2、r8，第二精密采样电阻r3、r9，第三精密采样电阻r4、r10和第四精密采样电阻r14、r15是精度为0.1%，温度系数为10ppm/℃的电阻。

在本实施例中，所述tvs二极管的型号采用pesd5v0l2bt。

所述继电器电路5包括六个相同构造的子电路，其中，每个子电路包括一个继电器和一个光耦合器；所述继电器包括线圈、公共触点和常开触点；所述继电器线圈的一端接+5vcc电源，继电器线圈的另一端与光耦合器集电极连接；所述继电器公共触点接地gnd，所述继电器常开触点与采样转换调理电路2连接；所述光耦合器的发光二极管正极接vdd33电源，负极接mcu电路6；

为了更好地说明子电路的结构，具体如图所4示，一共有六个子电路，以其中第一个子电路为例进行说明，第一个子电路包括继电器rl1和光耦合器u12；所述继电器rl1包括线圈（具有两个引脚，如图4示脚1、2）、公共触点（脚4）和常开触点（脚3）；所述继电器rl1线圈的一端接+5vcc电源，继电器rl1线圈的另一端与光耦合器u12集电极连接；所述继电器公共触点（脚4）接地gnd，所述继电器常开触点（脚3）与采样转换调理电路2连接。其他子电路结构相同，子电路中具体元件的连接关系均相同，故在此不再赘述。

所述mcu电路6包括控制芯片u16，所述控制芯片u16与继电器电路5连接，控制芯片u16输出信号至所述继电器电路5。

以上的，所述控制芯片u16包括六个电平输出端口（pb5、pb4、pc3、pd6、pd5、pd4），分别输出电平信号do0、do1、do2、do3、do4、do5；六个电平输出端口与继电器电路5中的六个子电路对应连接。

应当说明的是，可任意选用控制芯片的其中六个输出端口作为电平输出，选择哪些端口与不同芯片的端口性质以及用户的选择有关。

具体的，当控制芯片u16的pb5引脚输出低电平（即do0低电平）至继电器电路5的光耦合器u12时，光耦合器u12的发光二极管工作发亮，光耦合器u12的ce极导通，继电器rl1的线圈导通，继电器rl1触点由常开变为常闭转态，从而yk1和地（com1）连接在一起，此时采样转换调理电路2的电流输入范围为0-25ma；同理当do1为低电平并输出至光耦合器u13时，且do0、do2为高电平时，yk2和地（com1）连接在一起，此时采样转换调理电路2的电流输入范围为0-50ma；当do2为低电平并输出至光耦合器u14时，do0、do1为高电平时，yk3和地（com1）连接在一起，此时采样转换调理电路2的电流输入范围为0-100ma。同理，由于可调量程采样电路具有两路，故第二路可调量程采样电路的控制方式与上述一致，控制芯片u16的pd6引脚输出低电平（即do3低电平）至继电器电路5的光耦合器u15时，且do4、do5为高电平时，yk4和地（com2）连接在一起，此时采样转换调理电路2的电流输入范围为0-25ma。由于原理相同，其他控制不再赘述。

所述模数转换电路3包括电压基准芯片u2和ads131e04芯片；所述电压基准芯片u2的vin引脚与电源电路的avdd电源电路连接，所述电压基准芯片u2的gnd引脚与电源电路的avss电源电路连接，电压基准芯片u2的out引脚接ads131e04芯片的vrefp引脚，用于接收电压基准芯片u2输出的基准电压。

所述ads131e04芯片包括与采样转换调理电路2信号输出端连接的输入引脚（如图所6示，第9~16引脚），以及多个输出数字信号的输出引脚，所述输出引脚与数据传输接线端子4连接。

具体的，ads131e04芯片为模数转换器，用于将接收到的模拟信号转换为数字信号输出。在本实施例中，所述电压基准芯片u2的型号为ref5040。

以上的，所述数据传输接线端子4包括en端（使能端），所述en端与电源电路1连接。所述的模数转换电路3将采样转换调理电路2采集到的直流电压的模拟信号和直流电流的模拟信号转换为数字信号，再通过数据传输接线端子4与外界单片机通信。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。