一种信号自动采样电路的制作方法

1.本发明涉及一种信号自动采样电路，属于直流控制保护装置领域。


背景技术：

2.直流保护装置采样及新能源电力系统电流电压采样电路的设计，目前主要通过以下三种方法实现高精度采样：
3.1)装置内部硬件嵌入一个高精度低零漂、多采样位数的ad采样芯片。本方法虽然采用了一个高精度低零漂多位ad芯片，但是这就造成了硬件设计回路的复杂性，扩大了空间位置，同时增加了硬件成本。但这也就要求硬件的体积较大，成本很高，限制了芯片的应用空间及范围。
4.2)装置硬件采样回路中采用多路运放回路芯片，对输入的电流电压信号先进行放大调理，然后进行缩小调理还原的方式进行采样。本方法虽然采用了放大与缩小还原的方式实现采样，但是由于ad芯片本身固有问题，使得采样过程中不能100％还原，从而限制且衰减了ad芯片的精度范围，降低了精度值。
5.3)通过对同一个电流电压信号进行多路重采样方式，每路通道采样一段采样值，以保证电流电压信号的实时稳定性。本方法虽然可以高精度采样，但是本方法同样使用了多路采样回路，增加了外部接线数量，增加了外部成本，增大了事故发生概率。
6.授权公告号为cn108693495b的中国专利文件公开了一种采样自适应的直流电子式互感器检测转换器，通过控制模块控制多路选择器的多路通道之间的切换，实现大电流信号转换为小电压信号输入，小电流或小电压信号维持原本数值大小输入电路。但是该对比文件中大电流与小电流之间的采样切换不能够连续进行，从而导致电路在采样过程中存在部分缺陷。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种信号自动采样电路，用以解决现有技术中的采样电路在采样大信号和小信号之间不能够连续采样的问题。
8.为实现上述目的，本发明的技术方案以及相应的有益效果包括：
9.本发明的一种信号自动采样电路，包括控制器、正极采样端、负极采样端、开关选通装置、分压支路和两个运算放大器，分压支路上串设有两个分压电阻，所述两个运算放大器分别为第一运算放大器和第二运算放大器，所述两个分压电阻分别为第一分压电阻和第二分压电阻；所述开关选通装置包括固定端、第一选通端和第二选通端，控制器控制连接开关选通装置，实现固定端和第一选通端连通或者固定端和第二选通端连通；开关选通装置的固定端连接正极采样端，分压支路的一端连接开关选通装置的第一选通端，分压支路的分压点连接开关选通装置的第二选通端，分压支路的另一端连接负极采样端；第一分压电阻的两端分别连接第一运算放大器的同相输入端和反相输入端，第二分压电阻的两端分别连接第二运算放大器的同相输入端和反相输入端，第一运算放大器和第二运算放大器的输
出端均连接控制器。
10.上述技术方案的有益效果为：本发明提供的信号自动采样电路包括两个采样端子：正极采样端和负极采样端，正极采样端连接选通装置，控制器控制选通装置，就可以控制接入采样电路的电阻大小，从而可以随时控制切换信号自动采样电路的信号通路，实现采样电流或电压信号范围的延伸。本发明能够实现信号采集不需要进行信号的放大和缩小，从而保证了采集信号的精准性，还能够实现采样大信号与小信号之间的无缝采样，并且本发明采用的硬件电路，结构简单，成本较低。
11.进一步地，当正极采样端和负极采样端采样的信号值小于设定值时，控制器控制开关选通装置的固定端和第二选通端连通；当正极采样端和负极采样端采样的信号值大于或者等于设定值时，控制器控制开关选通装置的固定端和第一选通端连通。
12.上述技术方案的有益效果为：根据采样信号的大小，控制器控制选通装置工作在不同工作状态下，从而能够保证在采样大信号到采样小信号或在采样小信号到采样大信号的转换时能够及时且准确。
13.进一步地，控制器通过无缝采样切换装置连接开关选通装置，所述无缝采样切换装置包括第三运算放大器和逻辑门，第三运算放大器的同相输入端连接第一运算放大器的输出端，第三运算放大器的反向输入端连接控制器，第三运算放大器的输出端连接逻辑门的第一输入端，控制器连接逻辑门的第二输入端，逻辑门的输出端控制连接开关选通装置，在第一运算放大器输出的信号小于设定值时，固定端和第一选通端连通；第一运算放大器输出的信号大于或等于设定值时，固定端和第二选通端连通。
14.上述技术方案的有益效果为：通过第三运算放大器实时比较控制器输出的电平信号和第一运算放大器输出的电平信号，避免短路上电时采样误差现象的发生。
15.进一步地，所述开关选通装置包括第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关和第二控制开关均包括控制端、输入端和输出端；第一控制开关和第二控制开关的控制端均连接控制器，由控制器控制实现第一控制开关导通且第二控制开关关断、或者第二控制开关导通且第一控制开关关断，第一控制开关的输出端连接分压支路的分压点，第二控制开关的输出端连接分压支路的一端，第一控制开关和第二控制开关的输入端均连接正极采样端。
16.进一步地，所述第一控制开关和第二控制开关均为三极管，第一控制开关和第二控制开关均包括的控制端、输入端和输出端分别对应为三极管的基极、集电极和发射极。
17.进一步地，还包括自检检验端，所述自检检验端连接至分压支路的一端。
18.上述技术方案的有益效果为：本发明还额外设计了自检检验端，从而可以实现电路内部自检，通过自检检验端能够验证电路电流电压信号通路的连续性、完整性和有效性，从而保证了电路的稳定性和可靠性。
19.进一步地，所述逻辑门为与非门。
20.上述技术方案的有益效果为：逻辑门采用与非门的方式控制三极管，利用控制器控制与非门实现电流电压采样无缝高精度连续采样。
21.进一步地，所述第一运算放大器和第二运算放大器的输出端均通过vf转换模块连接控制器。
22.上述技术方案的有益效果为：使用vf转换电路来将运算放大器输出的信号转换为
频率信号发送给控制器，而不使用传统ad采样，节约了成本并缩小了pcb空间，达到宽范围的信号采样。
23.进一步地，正极采样端和负极采样端之间还设置有防护支路，防护支路上串设有第一防反二极管，所述第一防反二极管的阳极连接负极采样端；自检检验端与分压支路的一端的连接线路上串设有第二防反二极管，所述第二防反二极管的阳极连接自检检验端。
24.上述技术方案的有益效果为：在正极采样端和负极采样端之间设置防反二极管，能够有效防止反向电流流入正极采样端，保证电路安全。同时在自检检验端设置防反二极管，能够防止采样电路中的电流电压信号反向输入到自检检验端口。
25.进一步地，第一分压电阻与第一运算放大器之间的连接线路上设置有第一滤波模块；第二分压电阻与第二运算放大器之间的连接线路上设置有第二滤波模块；第一运算放大器和第二运算放大器的输出端与vf转换模块之间的连接线路上设置有第三滤波模块。
26.上述技术方案的有益效果为：在分压支路和运算放大器之间设置有滤波电路，能够使得运算放大器的输出信号更加精确，同时在运算放大器与vf转换电路之间设置有滤波电路，能够使得进入vf转换电路中的电流电压信号更为准确，进而保证了电流电压采样的准确性。
附图说明
27.图1是本发明信号自动采样电路的原理方框图；
28.图2是本发明信号自动采样电路的电气电路图；
29.图3是本发明信号自动采样电路的电路时序图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
31.实施例：
32.本发明提供一种信号自动采样电路，原理图图1所示，包括检验电路、二段采样输入电路(二段采样输入电路即为无缝扩展的采样输入电路)和一段采样输入电路(一段采样输入电路为高精度的采样输入电路)。采样输入控制电路控制连接一段采样输入电路和二段采样输入电路，一段采样输入电路连接一段采样滤波调理电路，通过滤波调理后经过一段采样输出电路输出至vf转换电路。二段采样输入电路连接二段采样滤波调理电路，通过滤波调理后经过二段采样输出电路输出至vf转换电路。检验电路通过防护电路连接至二段采样滤波电路，通过检验电路验证电路内部电流电压信号通路的有效性。
33.通过采样输入控制单路控制一段采样输入电路和二段采样输入电路，可以随时自由切换电流电压采样电流的信号通路，并且二段采样输出电路和一段采样输出电路输出的电流电压信号不再需要进行信号的放大与缩小，通过vf转换电路保证电流电压的高精度采样。
34.具体本发明的信号自动采样电路的电路图如图2所示，本发明的信号自动采样电路主要用于电流或电压的采样，a1端和com端分别为正极采样端和负极采样端，a1端依次连接第一三极管q100、电阻r100和com端形成一段采样输入电路；a1端依次连接第二三极管q200、电阻r200、电阻r100和com端形成二段采样输入电路。第一三极管q100和第二三极管
q200的基极通过r103连接到vc，同时第一三极管q100和第二三极管q200的基极还连接与非门的输入端。电阻r102和电容c102组成的一段采样滤波调理电路(也称为第一滤波模块)，电阻r101和电容c100组成二段采样滤波调理电路(也称为第二滤波模块)。一段采样输入电路中的第一三极管q100的输出端通过连接一段采样滤波电路连接到第一运算放大器(第一运算放大器为高精度的运算放大器)u11的同相输入端，第一运算放大器u11的反相输入端连接com端；二段采样输入电路中的第二三极管q200的输出端通过连接二段采样滤波电路连接到第二运算放大器u12的同相输入端，第二运算放大器(第二运算放大器为无缝扩展的运算放大器)u12的反相输入端通过电阻r102、电阻r100和com端连接至com端。第一运算放大器u11的输出端通过连接电阻r106和电容c103组成的滤波电路连接到vf转换电路的i2端，第二运算放大器u12的输出端通过连接电阻r105和电容c104组成的滤波电路连接到vf转换电路的i1端。第一运算放大器u11的输出端同时还连接第三运算放大器(第三运算放大器为轨到轨运算放大器)的同相输入端，第三运算放大器的反向输入端通过上来电阻r109和下拉电阻r110分压形成一个稳定的电平信号，该电平信号通过控制器控制，并且该电平信号需要通过r108和c105形成的滤波模块进行滤波，第三运算放大器的输出端连接至与非门的第一输入端，与非门的第二输入端通过r111连接vc，并且还直接连接控制器，控制器发出的电平信号通过r104和c101形成的滤波模块进行滤波后输入。vf转换电路将一段采样输入电路和二段采样输入电路采样到的电流电压信号转换为频率信号发送给cpu。
35.其中，第一三极管q100为npn型三极管，第二三极管q200为pnp型三极管。与非门第二输入端连接的vc电源、第三运算放大器连接的vc电源和与非门输出端连接的vc电源为同一个vc电源。
36.本发明的信号自动采样电路的还包括自检检验端a2端，a2端通过第二防反二极管d1连接到第二三极管q200的输出端。并且为保护电路安全，本发明还在a1端和com端之间设置有防护支路，防护支路上串设有第一防反二极管d3，在第一三极管q100的控制端连接电阻r103之前的电路上防反二极管d2。第二防反二极管d1的阳极连接a2端，第一防反二极管d3的阳极连接com端，防反二极管d2的阳极连接逻辑门所在的一端。第二防反二极管d1用于防止采样电路反相输出到自检检验端口，避免引入了误操作电气信号。第一防反二极管d3用于保证电路直接导通，避免错误信号的产生。防反二极管d2用于防止采样电压串入装置内部电源系统。
37.本发明的信号自动采样电路连接直流保护装置的高精度跟随器电路，当直流保护装置上电后，采样的电流或电压对应小于设定值时，直流保护装置内部产生vcc电源，vcc电源为搞电平信号，此时第三运算放大器的反向输入端连接的电平信号大于同相输入端的电平信号，则第三运算放大器不导通，则与非门的第一输入端输入为低电平，与非门的第二输入端输入为高电平，二者进行与非处理，则输出为高电平。与非门输出端和与非门输出端连接的vc电源同为高电平，使得第一三极管q100导通，第二三极管q200关断，从而保证一段采样输入电路导通，二段采样输入电路截止。此时利用一段采样输入电路进行电流电压的采样，一段采样输入电路在电阻r100产生的电流电压信号通过一段采样滤波调理电路施加到第一运算放大器u11的同相输入端，通过第一运算放大器u11将采样的电流或电压输入至vf转换电路，通过vf转换电路将电流或电压信号转换为频率发送给cpu。
38.当采样的电流或电压对应大于设定值时，第三运算放大器的同相输入端的电平信
号大于反向输入端的输入的vcc的电平信号，第三运算放大器导通，则第三运算放大器的输出端输出为高电平，此时与非门的第一输入端为高电平，第二输入端为高点平，二者进行与非处理，则输出为低电平。与非门输出端输出的低电平直接使得第一三极管q100关断，第二三极管q200导通，从而保证一段采样输入电路截止，二段采样输入电路导通，实现小信号采样到大信号采样的自动切换。此时利用二段采样输入电路进行电流电压的采样，二段采样输入电路在电阻r200产生的电流电压信号通过二段采样滤波调理电路施加到第二运算放大器u12的同相输入端，通过第二运算放大器u12将采样的电流或电压输入至vf转换电路；二段采样输入电路在电阻r100产生的电流电压信号通过一段采样滤波调理电路施加到第一运算放大器u11的同相输入端，通过第一运算放大器u11将采样的电流或电压输入至vf转换电路，通过vf转换电路将电流或电压信号转换为频率发送给cpu。
39.a2端与com端之间直接施加模拟采样信号，可以在第一运算放大器u11和第二运算放大器u12之间均产生一个输入信号，在电路调试过程中没有大的采样信号时，利用a2端验证信号自动采样电路的正确性。
40.如图3所示为本发明信号自动采样电路的电路时序图，电压采样随时间增大线性增长，当处于一段采样输入电路时，采样的电流或电压小于设定值，则利用vf转换电路转换的频率较慢；当处于二段采样输入电路时，采样的电流或电压大于设定值，则利用vf转换电路转换的频率较快。
41.本发明提供的信号自动采样电路，能够实现高精度电流电压的采样，并且仅采用三个端子采样一路电流电压信号的方式，本发明不存在信号的衰减问题，也不用增加外部引线，既降低了成本又节省了布置空间。
42.本实施例中，第一运算放大器u11和第二运算放大器u12均通过vf转换电路连接至控制器cpu。作为其他实施方式，第一运算放大器u11和第二运算放大器u12还可均通过ad转换电路连接至控制器cpu。
43.本实施例中，开关选通装置包括两个三极管，分别为第一三极管q100和第二三极管q200，在整个采样电路工作过程中，控制器cpu控制两个三极管择一导通。作为其他实施方式，两个三极管可替换为其他功率器件，例如场效应管等，其工作方式同样为择一导通，同样可实现开关选通装置的功能。
44.本实施例中，设置了多个滤波调理电路，均为rc滤波电路。作为其他实施方式，这些滤波调理电路可设置为现有技术中的其他滤波电路，例如lcl滤波电路。
45.本发明提供的信号自动采样电路能够实现不同输入信号之间的无缝的、连续的采样，还能够实现1:1采样，避免了信号失真；并且本发明的采样电路节约了成本且缩小了pcb空间，采样电路中使用的vf转换电路能够达到宽范围的信号采样；除此之外，本发明的自检检验端可以实现对采样电路的导通与断开进行检测。