专利名称：取样电路档位快速切换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种取样电路档位的快速切换装置，其核心是将负载切换和采样 信号切换分离，由此降低负载切换器件对采样信号带来的影响，进而提高取样电路档位切 换速度和精度的一种取样电路档位切换装置。
背景技术：
在信号处理和测量领域，常常需要对信号进行采样，并进一步对采样信号进行处 理，以便通过对采样信号的测量，来计算被测对象的工作参数，例如我们需要测试某一个 电路的电流消耗，所采取的方案就是在电路回路中串联一个取样电阻，通过测量取样电阻 两端的电压，然后通过欧姆定律来计算被测电路的电流，这个电阻就被称为是取样电阻。欧 姆定律的内容是电流=电压/电阻串联的电阻两端会产生压降，所以，串联的电阻的电阻值必须被精心选择，过大的 取样电阻会导致压降太大，影响被测电路的工作状态，过小的取样电阻会导致取样信号过 小，影响测试精度。所以，当需要宽范围测量的时候，一般都是将测量范围分成几档，然后不同的档位 采用不同的取样电阻，在测量过程中，通过切换合适的取样电阻来获取最佳的测量结果。图 1和图2描述了传统的高端电流采样档位切换电路其中，
图1是采样电阻并联连接的传统 电流采样档位切换电路，图2是采样电阻串联的传统电流采样档位切换电路。在图1和2，中，S1、S2为档位切换开关，Rsesl和Rses2为取样电阻，RL为负载电 阻，工作时通过Si、S2的切换，选择合适的档位，即选择合适的取样电阻，来实现档位切换 的目的。这种电路有一个特点，即切换的执行器件S1/S2串联在负载回路中，同时担负取 样信号和负载的切换，由于执行器件也存在接触电阻，在精密测量或大电流测量的场合下， S1/S2对测量的结果影响较大。为了解决这个问题，通常采用接触阻抗小的器件，例如继电器来作为档位切换器 件，但是因为继电器的动作时间很慢，一般的继电器吸合或释放时间在零点几到几个毫秒， 这样的切换速度，在现代高速测量的领域里是不可接受的由于元器件技术的进步，场效应晶体管，即MOSFET已经可以做到很低的导通电 阻，例如市场可以购得的ME2303型场效应管，在VGS = 4. 5V时，RDS可以低至85毫欧姆， 由于场效应晶体管的切换速度极快，所以完全有可能用场效应晶体管取代S1/S2，达到档位 快速切换的目的。图3和图4为这个解决方案的图示；其中，图3是取样电阻并联连接的 用MOSFET作为档位切换开关器件的电流采样档位切换电路；图4是取样电阻串联连接的用 MOSFET作为档位切换开关器件的电流采样档位切换电路。在现代高精度测量应用中，要求极高的测试精度和测试稳定性，上述的方案仍然 不能满足要求，因为以下原因[0011]1、场效应晶体管的导通内阻仍然有数十毫欧姆，这在精密测量应用中是不被允许 的；2、场效应晶体管的导通内阻具有离散性，同一型号、同一批次生产的器件，其导通 内阻都不同，这对于测量应用增加了器件误差；3、场效应晶体管的导通内阻随着通过电流、电压的变化而变化，这将带来明显的
测量误差。鉴于上述原因，实用新型人设计了下述技术方案。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是为了克服上述现有技术开关器件内阻带来的测 量误差和开关器件的执行速度影响档位切换速度的缺陷，提供一种高精度和高速度的取样 电路档位的快速切换装置。为解决上述技术问题，采用如下技术方案取样电路档位快速切换装置，包括信号采样模块、负载切换模块、采样信号切换模 块、采样信号处理模块和档位切换控制模块；所述信号采样模块采集信号，所述负载切换模 块切换采样模块和负载之间的连接，所述采样信号切换模块连接采样信号和采样信号处理 模块，所述采样信号处理模块对采样到的信号进行处理和判断，所述档位切换控制模块控 制负载切换模块和采样信号切换模块的切换动作，所述负载切换模块和采样信号切换模块 分离。所述负载切换模块与其采样信号处理回路无连接；所述信号采样模块内部有多个 采样元件；所述采样信号切换模块内部有多个信号切换元件；所述负载切换模块内部有多 个负载切换元件；所述档位切换控制信号模块内部有多个控制信号。所述档位切换控制信号模块中，其档位切换的开关执行元件为场效应晶体管或具 有近似特性的有源器件。所述负载切换和采样信号切换模块的控制信号并联。其信号采样模块具有高的输入阻抗。其工作原理为多个采样器件，例如，取样电阻；一组负载切换电路，用于切换采 样器件和负载之间的连接；一组采样信号切换电路，用于切换采样信号与信号处理单元之 间的连接；通过负载切换电路和采样信号切换电路的分离，来消除采样信号通过切换器件 所产生的额外的信号损失其中，信号采样模块，负责对信号进行取样。负载切换模块负责切换信号采样模块和负载之间的连接。采样信号切换模块负责切换信号采用模块和采样信号处理模块之间的连接。档位切换控制元件用于控制负载切换模块和采样信号切换模块。信号采样模块负责对信号进行采集，为了达到较宽的采集范围，本模块内部有若 干个采样元件，每个采样元件对应一个合适的测量范围。在电路工作时，主要工作电流通过采样模块，然后通过负载切换模块，流到负载。在电流通过信号采样模块时，会在采样元件之一或采样元件之二上，产生压降，这 组电压经过采样信号切换模块，送到采样信号处理模块，由采样信号处理模块进行放大和
4处理，以便获取测量结果。由于电流信号直接由信号采样模块，通过采样信号切换模块耦合至采样信号处理 模块，所以，负载切换模块的内阻不会影响到采样信号，也即负载切换模块不影响测量精度。因为采样信号切换模块和负载切换模块的控制信号来自于档位切换控制信号模 块，信号切换元件之一和信号切换元件之二与负载切换元件之一和负载切换元件之二的控 制信号是并联的，所以保证了负载切换和采样信号切换的同步。因为信号切换元件和负载切换元件的开关速度极高，所以本方案可以实现非常高 的档位切换速度。综上所述，本实用新型的有益效果是可以有效解决采样切换电路的切换速度和 切换器件带来的信号损失这一矛盾，可以广泛应用于仪器仪表等多种领域，较好的解决了 开关器件内阻带来的测量误差和开关器件的执行速度影响档位切换速度的问题。
以下结合附图及具体实施方式
，对本实用新型作进一步说明。图1是采样电阻并联连接的传统电流采样档位切换电路；图2是采样电阻串联的传统电流采样档位切换电路；图3是取样电阻并联连接的用MOSFET作为档位切换开关器件的电流采样档位切 换电路；图4是取样电阻串联连接的用MOSFET作为档位切换开关器件的电流采样档位切 换电路；图5本实用新型实施例的连接关系图；图6本实用新型实施例的电路图。附图标识信号采样模块1、采样元件之一 11、采样元件之二 12、采样信号切换模 块2、信号切换元件之一 21、信号切换元件之二 22、负载切换模块3、负载切换元件之一 31、 负载切换元件之二 32、采样信号处理模块4、负载5、档位切换控制信号模块6、控制信号之 一 61、控制信号之二 62。
具体实施方式
如图5所示，信号采样模块1负责对信号进行采集，为了达到较宽的采集范围，本 模块内部有若干个采样元件，每个采样元件对应一个合适的测量范围。在电路工作时，主要工作电流通过采样模块1，然后通过负载切换模块3，流到负 载5。在电流通过信号采样模块1时，会在采样元件之一 11或采样元件之二 12上，产生 压降，这组电压经过采样信号切换模块2，送到采样信号处理模块4，由采样信号处理模块4 进行放大和处理，以便获取测量结果。由于电流信号直接由信号采样模块1，通过采样信号切换模块2耦合至采样信号 处理模块4，所以，负载切换模块3的内阻不会影响到采样信号，也即负载切换模块3不影响 测量精度。[0046]因为采样信号切换模块2和负载切换模块3的控制信号来自于档位切换控制信号 模块6，信号切换元件之一 21和信号切换元件之二 22与负载切换元件之一 31和负载切换 元件之二 32的控制信号是并联的，所以保证了负载切换和采样信号切换的同步。因为信号切换元件和负载切换元件的开关速度极高，所以本方案可以实现非常高 的档位切换速度。图6本实用新型实施例的电路图。在图中，2R1、2R2、2R3、2R4构成了电流信号采 样模块1，电流流经取样电阻后就会产生压降。2Q3、2Q6、2Q9、2Q12构成了负载切换模块3。 2Q2、2Q5、2Q8、2Q11构成了信号切换模块2，2U1及其周边电路构成了采样信号处理模块4， 控制信号来源于 RANGE 1、RANGE2、RANGE3、RANGE4。2LED1、2LED2、2LED3、2LED4 为档位显示 电路。工作时，控制信号控制负载切换模块3和信号切换模块2进行档位选择，负载电流的 流向为通过采样电阻、到负载切换模块3，再到负载5，虽然负载电流流经负载切换模块3会 产生压降，但是因为负载切换模块3不在信号处理回路中，所以对测试结果基本上没有影 响。信号的流向为依次从采样电阻、到信号切换模块2、再到采样信号处理模块，然后转换成 电压信号送到测量ADC，由于采样信号处理模块4的输入阻抗非常高，尽管信号切换模块2 有一定的内阻，但是相比信号处理模块的输入阻抗，仍然可以小到忽略不计，所以信号可以 完全不受影响的到达信号处理模块。由于MOSFET的切换速度非常快，解决了切换器件对信 号的损失和继电器等器件切换速度慢的缺点。所以，本电路实现了取样电路档位快速切换。该设计目前已经批量应用于USB设备的负载电流测试，工作稳定可靠，证明了本 实用新型的解决方案具有实际的应用价值。综上所述，本实用新型可以解决传统取样电路档位切换的速度慢或切换元件影响 测量精度的问题，实现高精度、高速度的档位切换，为高精度、高速度、宽范围的测量提供了 ■石出。
权利要求1.一种取样电路档位快速切换装置，包括信号采样模块、负载切换模块、采样信号切 换模块、采样信号处理模块和档位切换控制模块；所述信号采样模块采集信号，所述负载切 换模块切换采样模块和负载之间的连接，所述采样信号切换模块连接采样信号和采样信号 处理模块，所述档位切换控制模块控制负载切换模块和采样信号切换模块的切换动作，其 特征在于所述负载切换模块和采样信号切换模块分离。
2.根据权利要求1所述的取样电路档位快速切换装置，其特征在于所述负载切换模 块与其采样信号处理回路无连接；所述信号采样模块内部有多个采样元件；所述采样信号 切换模块内部有多个信号切换元件；所述负载切换模块内部有多个负载切换元件。
3.根据权利要求1或2所述的取样电路档位快速切换装置，其特征在于所述档位切 换控制信号模块中，其档位切换的开关执行元件为场效应晶体管或具有近似特性的有源器 件。
专利摘要本实用新型涉及一种取样电路档位快速切换装置，其核心是将负载切换和采样信号切换分离，由此降低负载切换器件对采样信号带来的影响。其技术方案为取样电路档位快速切换装置，包括信号采样模块、负载切换模块、采样信号切换模块、采样信号处理模块和档位切换控制模块；信号采样模块采集信号，负载切换模块切换采样模块和负载之间的连接，采样信号切换模块连接采样信号和采样信号处理模块，采样信号处理模块对采样到的信号进行处理和判断，档位切换控制模块控制负载切换模块和采样信号切换模块的切换动作，负载切换模块和采样信号切换模块分离。本实用新型的有益效果是较好的解决了开关器件内阻带来的测量误差和开关器件的执行速度影响档位切换速度的问题。
文档编号H03K17/04GK201904769SQ20102051606
公开日2011年7月20日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者文祚明 申请人:文祚明