信号调理电路及测量装置的制作方法

1.本技术涉及信号调理技术领域，特别是涉及一种信号调理电路及测量装置。


背景技术：

2.信号调理电路是把模拟信号变换为能够用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出等的数字信号的电路。对电压信号的采样调理是信号调理电路中的主要组成部分。
3.在实际的电压采样过程中，由于输入电压范围非常宽。当输入电压偏大时，将超过采样电路量程；当输入电压偏小，将导致采样精度不足或者采样不到。通常采用固定的放大倍数对输入电压进行放大采样，采样精度低，无法对电压连续性调理。若采用微控制器控制分段采样，则电路较为复杂，成本高。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述现有的电压采样调理方式中存在的问题，提供一种能够增加电压采样调理的适用采样范围，实现分段电压连续性调理，提高采样精度，拓宽电压采样电路适用场景的信号调理电路及测量装置。
5.第一方面，本技术提供一种信号调理电路，包括：
6.电压门槛电路，电压门槛电路被配置输出电压门槛信号；
7.分段电压调理电路，分段电压调理电路包括第一分段电压调理子电路和第二分段电压调理子电路；第一分段电压调理子电路被配置为根据接收到的第一导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第一输出电压信号；第二分段电压调理子电路被配置为根据接收到的第二导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第二输出电压信号；
8.选择电路，选择电路分别连接电压门槛电路、第一分段电压调理子电路和第二分段电压调理子电路；选择电路被配置为接收输入电压信号和电压门槛信号；选择电路还被配置为在输入电压信号的电压值小于电压门槛信号的门槛值时，输出第一导通信号，在输入电压信号的电压值大于电压门槛信号的门槛值时，输出第二导通信号。
9.可选的，选择电路包括第一比较器和第二比较器；
10.第一比较器的第一输入端用于接收输入电压信号，第一比较器的第二输入端连接电压门槛电路的输出端，第一比较器的输出端连接第一分段电压调理子电路；电压门槛电路的电源端用于连接直流供电电源；
11.第二比较器的第一输入端连接电压门槛电路的输出端，第二比较器的第二输入端用于接收输入电压信号，第二比较器的输出端连接第二分段电压调理子电路。
12.可选的，电压门槛电路包括第一电阻和第二电阻；
13.第一电阻的第一端连接直流供电电源，第一电阻的第二端连接第二电阻的第一端，第二电阻的第二端连接地线，第一比较器的第二输入端、第二比较器的第一输入端分别连接在第一电阻的第二端与第二电阻的第一端之间。
14.可选的，第一分段电压调理子电路包括第一开关管和第一比例运算放大子电路；
15.第一开关管的栅极连接第一比较器的输出端，第一开关管的漏极用于接入输入电压信号；第一开关管的源极连接第一比例运算放大子电路的同相输入端，第一比例运算放大子电路的输出端被配置为输出第一比例放大电压信号。
16.可选的，第二分段电压调理子电路包括第二开关管、第二比例运算放大子电路、第一差分放大子电路和连续输出调节电路；
17.第二开关管的栅极连接第二比较器的输出端，第二开关管的漏极用于接入输入电压信号；第二开关管的源极连接第二比例运算放大子电路的同相输入端，第二比例运算放大子电路的输出端被配置为向第一差分放大子电路的同相输入端传输第二比例放大电压信号，第一差分放大子电路的反相输入端连接连续输出调节电路；第一差分放大子电路的输出端被配置为输出调节后的第二比例放大电压信号。
18.可选的，第一分段电压调理子电路还包括第一电压跟随子电路；
19.第一电压跟随子电路的同相输入端连接第一比例运算放大子电路的输出端。
20.可选的，第二分段电压调理子电路还包括第二电压跟随子电路；
21.第二电压跟随子电路的同相输入端连接第一差分放大子电路的输出端。
22.可选的，连续输出调节电路包括第三电阻和第四电阻；
23.第三电阻的第一端连接直流供电电源，第三电阻的第二端连接第四电阻的第一端，第四电阻的第二端连接地线，第一差分放大子电路的反相输入端连接在第三电阻的第二端与第四电阻的第一端之间。
24.可选的，第一比较器为运算比较器；第二比较器为运算比较器。
25.第二方面，本技术提供一种信号测量装置，信号测量装置包括如上述任意一项的信号调理电路。
26.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
27.上述的信号调理电路中，包括电压门槛电路、分段电压调理电路和选择电路；分段电压调理电路包括第一分段电压调理子电路和第二分段电压调理子电路；通过电压门槛电路被配置输出电压门槛信号；选择电路分别连接电压门槛电路、第一分段电压调理子电路和第二分段电压调理子电路；选择电路被配置为接收输入电压信号和电压门槛信号；选择电路还被配置为在输入电压信号的电压值小于电压门槛信号的门槛值时，输出第一导通信号，进而第一分段电压调理子电路根据接收到的第一导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第一输出电压信号；选择电路在输入电压信号的电压值大于电压门槛信号的门槛值时，输出第二导通信号，进而第二分段电压调理子电路根据接收到的第二导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第二输出电压信号，实现高精度宽范围的电压信号调理。本技术通过对电压信号调理进行优化设计，针对电压自动分段调理，增加灵活性，通过设计分段电压调理电路，基于选择电路分别连接电压门槛电路、第一分段电压调理子电路和第二分段电压调理子电路，进而实现分段电压连续性调理；针对不同分段的电压采样不同的增益方式，增加电压采样调理的适用采样范围，提高采样精度和通用性，从而拓宽电压采样调理的适用场景，提高电路的通用性和采样调理的准确性，且降低电路成本。
附图说明
28.图1为本技术实施例中信号调理电路的第一电路结构示意图。
29.图2为本技术实施例中信号调理电路的第二电路结构示意图。
30.图3为本技术实施例中信号调理电路的第三电路结构示意图。
31.图4为本技术实施例中信号调理电路的第四电路结构示意图。
32.图5为本技术实施例中信号调理电路的第五电路结构示意图。
33.图6为本技术实施例中信号调理电路的第六电路结构示意图。
34.附图标记：
35.电压门槛电路100；分段电压调理电路200；第一分段电压调理子电路210；第一比例运算放大子电路212；第一电压跟随子电路214；第二分段电压调理子电路220；第二比例运算放大子电路222；第一差分放大子电路224；连续输出调节电路226；第二电压跟随子电路228；选择电路300；第一比较器b1；第二比较器b2；第一开关管q1；第二开关管q2；第一电阻r1；第二电阻r2；第三电阻r3；第四电阻r4；第五电阻r5；第六电阻r6；第七电阻r7；第八电阻r8；第九电阻r9；第十电阻r10；第十一电阻r11；第十二电阻r12。
具体实施方式
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
37.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
39.为了解决现有的电压采样调理方式中存在的上述问题。在一个实施例中，如图1所示，提供了一种信号调理电路，该信号调理电路包括电压门槛电路100、分段电压调理电路200和选择电路300。
40.电压门槛电路100被配置输出电压门槛信号；分段电压调理电路200包括第一分段电压调理子电路210和第二分段电压调理子电路220；第一分段电压调理子电路210被配置为根据接收到的第一导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第一输出电压信号；第二分段电压调理子电路220被配置为根据接收到的第二导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第二输出电压信号；选择电路300分别连接电压门槛电路100、第一分段电压调理子电路210和第二分段电压调理子电路220；选择电路300被配置为接收输入电压信号和电压门槛信号；选择电路300还被配置为在输入电压信号的电压值小于电压门槛信号的门槛值时，输出第一导通信号，在输入电压信号的电压值大于电压门槛信号的门槛值时，输出第二导通信号。
41.电压门槛电路100连接选择电路300，可通过对电压门槛电路100配置电阻值，进而
使得电压门槛电路100可向选择电路300输出电压门槛信号。其中，第一电压门槛信号的门槛值指的是相应的电压门槛值。分段电压调理电路200可包括2个相应的子电路。例如，分段电压调理电路200200可包括第一分段电压调理子电路210和第二分段电压调理子电路220。第一分段电压调理子电路210可基于第一预设放大比例，对输入电压信号进行信号调理，进而输出第一输出电压信号；第二分段电压调理子电路220可基于第二预设放大比例，对输入电压信号进行信号调理，进而输出第二输出电压信号。
42.选择电路300可设置输入接口，输入接口用来接收输入电压信号。基于选择电路300连接电压门槛电路100，进而选择电路300可接收输入电压信号和电压门槛信号，并将输入电压信号与电压门槛信号进行比较处理，并根据比较的结果，在输入电压信号的电压值小于电压门槛信号的门槛值时，向第一分段电压调理子电路210输出第一导通信号，使得第一分段电压调理子电路210根据接收到的第一导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第一输出电压信号。选择电路300300在输入电压信号的电压值大于电压门槛信号的门槛值时，输出第二导通信号，使得第二分段电压调理子电路220根据接收到的第二导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第二输出电压信号。基于设定的分段电压范围的信号调理通道，实现对输入电压信号的两段式电压范围的电压信号调理。
43.上述实施例中，通过设置电压门槛电路100、分段电压调理电路200和选择电路300；分段电压调理电路200设置成2路(第一分段电压调理子电路210和第二分段电压调理子电路220)，通过对电压信号调理进行优化设计，针对电压自动分段调理，增加灵活性，进而实现分段电压连续性调理；针对不同分段的电压采样不同的增益方式，增加电压采样调理的适用采样范围，提高采样精度和通用性，从而拓宽电压采样调理的适用场景，提高电路的通用性和采样调理的准确性，且降低电路成本。
44.在一个示例中，如图2所示，选择电路300包括第一比较器b1和第二比较器b2。
45.第一比较器b1的第一输入端用于接收输入电压信号，第一比较器b1的第二输入端连接电压门槛电路100的输出端，第一比较器b1的输出端连接第一分段电压调理子电路210；电压门槛电路100的电源端用于连接直流供电电源。第二比较器b2的第一输入端连接电压门槛电路100的输出端，第二比较器b2的第二输入端用于接收输入电压信号，第二比较器b2的输出端连接第二分段电压调理子电路220。
46.其中，第一比较器b1、第二比较器b2均可以采用运算比较器。
47.示例性的，第一比较器b1、第二比较器b2采用运算比较器为例进行说明。第一比较器b1的第一输入端指的是第一比较器b1的反相输入端，第一比较器b1的第二输入端指的是第一比较器b1的同相输入端。第二比较器b2的第一输入端指的是第二比较器b2的反相输入端，第二比较器b2的第二输入端指的是第二比较器b2的同相输入端。
48.基于电压门槛电路100的电源端连接直流供电电源，电压门槛电路100可对直流供电电源进行分压，进而输出电压门槛信号。基于第一比较器b1的第一输入端接收输入电压信号，第一比较器b1的第二输入端接收电压门槛信号，第一比较器b1对输入电压信号和第一电压门槛信号进行电压幅值比较，在输入电压信号的电压幅值大于电压门槛信号的电压幅值时，第一分段电压调理子电路210保持断开状态；在输入电压信号的电压幅值小于电压门槛信号的电压幅值时，向第一分段电压调理子电路210传输第一导通信号，进而第一分段电压调理子电路210根据接收到的第一导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第一输出
电压信号。示例性的，第一导通信号可以是高电平信号。例如，第一比较器b1在输入电压信号的电压幅值大于电压门槛信号的电压幅值时，向第一分段电压调理子电路210传输低电平信号，进而第一分段电压调理子电路210保持断开状态；在输入电压信号的电压幅值小于电压门槛信号的电压幅值时，向第一分段电压调理子电路210传输高电平信号，进而第一分段电压调理子电路210导通工作。
49.基于第二比较器b2的第一输入端接收电压门槛信号，第二比较器b2的第二输入端接收输入电压信号，第二比较器b2对输入电压信号和电压门槛信号进行电压幅值比较，在输入电压信号的电压幅值小于电压门槛信号的电压幅值时，第二分段电压调理子电路220保持断开状态；在输入电压信号的电压幅值大于电压门槛信号的电压幅值时，向第二分段电压调理子电路220传输第二导通信号，进而第二分段电压调理子电路220根据接收到的第二导通信号，对输入电压信号进行调理，输出第二输出电压信号。示例性的，第二导通信号可以是高电平信号。例如，第二比较器b2在输入电压信号的电压幅值小于电压门槛信号的电压幅值时，向第二分段电压调理子电路220传输低电平信号，进而第二分段电压调理子电路220保持断开状态；在输入电压信号的电压幅值大于电压门槛信号的电压幅值时，向第二分段电压调理子电路220传输高电平信号，进而第二分段电压调理子电路220导通工作。
50.上述实施例中，通过设置电压门槛电路100、分段电压调理电路200和选择电路300，选择电路300包括第一比较器b1和第二比较器b2，通过划分2个输入电压范围，对输入电压信号进行比较处理，在输入电压信号的电压幅值落入相应输入电压范围时，则导通相应的电压调理子电路(第一电压调理子电路和第二电压调理子电路)，实现高精度宽范围的电压信号调理。本技术通过对电压信号调理进行优化设计，针对电压自动分段调理，增加灵活性，实现分段电压连续性调理；针对不同分段的电压采样不同的增益方式，增加电压采样调理的适用采样范围，提高采样精度和通用性，从而拓宽电压采样调理的适用场景，提高电路的通用性和采样调理的准确性，且降低电路成本。
51.在一个示例中，如图3所示，电压门槛电路100包括第一电阻r1和第二电阻r2。第一电阻r1的第一端连接直流供电电源，第一电阻r1的第二端连接第二电阻r2的第一端，第二电阻r2的第二端连接地线，第一比较器b1的第二输入端、第二比较器b2的第一输入端分别连接在第一电阻r1的第二端与第二电阻r2的第一端之间。
52.其中，基于第一电阻r1和第二电阻r2的上述连接关系，假设第一电阻r1的阻值为r1，第二电阻r2的阻值为r2，直流供电电源的电压值为vcc，则电压门槛电路100的电压门槛信号的电压门槛值为
53.示例性的，第一电阻r1和第二电阻r2可以是可调电阻。
54.基于对电压门槛电路100的电压门槛值设置，进而可将输入电压(vin)的检测范围划分为如下2段：第一段为vin＜vth1；第二段为vin＞vth1。
55.在一个示例中，如图4所示，第一分段电压调理子电路210包括第一开关管q1和第一比例运算放大子电路212。第一开关管q1的栅极连接第一比较器b1的输出端，第一开关管q1的漏极用于接入输入电压信号；第一开关管q1的源极连接第一比例运算放大子电路212的同相输入端，第一比例运算放大子电路212的输出端被配置为输出第一比例放大电压信号。
56.其中，第一比例运算放大子电路212用于对输入电压信号进行第一预设比例的放大处理。第一开关管q1可以是mos管，例如，第一开关管q1可以是n型mos管。
57.在输入电压信号的电压幅值vin小于电压门槛信号的电压门槛值vth1时，第一比较器b1输出高电平信号(即第一导通信号)，第一开关管q1的栅极接收到第一导通信号，则第一开关管q1导通；基于第一开关管q1的漏极用于接入输入电压信号；第一开关管q1的源极连接第一比例运算放大子电路212的同相输入端，进而第一比例运算放大子电路212的同相输入端接收输入电压信号，通过第一比例运算放大子电路212的第一预设比例放大处理，进而输出第一比例放大的电压信号。
58.在一个示例中，如图4所示，第二分段电压调理子电路220包括第二开关管q2、第二比例运算放大子电路222、第一差分放大子电路224和连续输出调节电路226。第二开关管q2的栅极连接第二比较器b2的输出端，第二开关管q2的漏极用于接入输入电压信号；第二开关管q2的源极连接第二比例运算放大子电路222的同相输入端，第二比例运算放大子电路222的输出端被配置为向第一差分放大子电路224的同相输入端传输第二比例放大电压信号，第一差分放大子电路224的反相输入端连接连续输出调节电路226；第一差分放大子电路224的输出端被配置为输出调节后的第二比例放大电压信号。
59.其中，第二比例运算放大子电路222用于对输入电压信号进行第二预设比例的放大处理。第一差分放大子电路224具有电路对称性的特点，可以起到稳定工作点的作用。连续输出调节电路226用来调节输出电压，使得输出电压具有连续性。例如，连续输出调节电路226用来输出第一连续输出调节信号。
60.在输入电压信号的电压幅值vin大于电压门槛信号的电压门槛值vth1时，第二比较器b2输出高电平信号(即第二导通信号)，第二开关管q2的栅极接收到第二导通信号，则第二开关管q2导通；基于第二开关管q2的漏极用于接入输入电压信号；第二开关管q2的源极连接第二比例运算放大子电路222的同相输入端，进而第二比例运算放大子电路222的同相输入端接收输入电压信号，通过第二比例运算放大子电路222的第二预设比例放大处理，进而向第一差分放大子电路224的同相输入端传输第二比例放大的电压信号。基于第一差分放大子电路224的反相输入端连接连续输出调节电路226，进而第一差分放大子电路224的反相输入端接入第一连续输出调节信号，通过第一差分放大子电路224的差分放大处理，进而第一差分放大子电路224的输出端输出调节后的第二比例放大电压信号。
61.通过对电压信号调理进行优化设计，针对输入电压的大小自动分段调理，针对不同分段的电压采样不同的增益方式，增加电压采样调理的适用采样范围，提高采样精度和通用性，且降低电路成本。通过设置连续输出调节电路226，实现电压输出连续性，拓宽电压采样调理的适用场景，提高电路的通用性和采样调理的准确性。
62.在一个示例中，如图5所示，第一分段电压调理子电路210还包括第一电压跟随子电路214。第一电压跟随子电路214的同相输入端连接第一比例运算放大子电路212的输出端。
63.基于第一电压跟随子电路214的同相输入端连接第一比例运算放大子电路212的输出端，第一电压跟随子电路214起到缓冲隔离作用，使得第一比例运算放大子电路212与后端电路之间互不影响，提高电压信号调理的可靠性。
64.在一个示例中，如图5所示，第二分段电压调理子电路220还包括第二电压跟随子
电路228。第二电压跟随子电路228的同相输入端连接第一差分放大子电路224的输出端。
65.基于第二电压跟随子电路228的同相输入端连接第一差分放大子电路224的输出端，第一电压跟随子电路214起到缓冲隔离作用，使得第一差分放大子电路224与后端电路之间互不影响，提高电压信号调理的可靠性。
66.在一个示例中，如图6所示，连续输出调节电路226包括第三电阻r3和第四电阻r4。第三电阻r3的第一端连接直流供电电源，第三电阻r3的第二端连接第四电阻r4的第一端，第四电阻r4的第二端连接地线，第一差分放大子电路224的反相输入端连接在第三电阻r3的第二端与第四电阻r4的第一端之间。
67.其中，基于第三电阻r3和第四电阻r4的上述连接关系，假设第三电阻r3的阻值为r3，第四电阻r4的阻值为r4，直流供电电源vcc的电压值为vcc，则连续输出调节电路226的第一连续输出调节信号的电压调节值为：第一连续输出调节信号的电压调节值为：
68.示例性的，第三电阻r3和第四电阻r4可以是可调电阻。
69.在一个示例中，如图6所示，电压门槛子电路包括第一电阻r1和第二电阻r2。第一电阻r1的阻值为r1，第二电阻r2的阻值为r2，第三电阻r3的阻值为r3，第四电阻r4的阻值为r4，直流供电电源vcc的电压为vcc。
70.通过设置第一电阻r1的阻值r1，第二电阻r2的阻值r2，进而设置第一电压门槛信号的电压门槛值vth1为：
71.输入电压vin通过选择电路300与第一电压门槛信号的电压门槛值vth1进行比较，当vin＜vth1时，第一分段电压调理子电路210的第一开关管q1被闭合，第二开关管q2被断开，则第一分段电压调理子电路210导通工作，第二分段电压调理子电路220断开不工作；当vth1＜vin时，第一分段电压调理子电路210的第二开关管q2被闭合，第一开关管q1被断开，则第二分段电压调理子电路220导通工作，第一分段电压调理子电路210断开不工作。
72.具体而言，如图6中，第一比例运算放大子电路212包括第一运算放大器、第五电阻r5(阻值为r5)和第六电阻r6(阻值为r6)；第二比例运算放大子电路222包括第二运算放大器、第七电阻r7(阻值为r7)和第八电阻r8(阻值为r8)；第一差分放大子电路224224包括第三运算放大器、第九电阻r9(阻值为r9)、第十电阻r10(阻值为r10)、第十一电阻r11(阻值为r11)和第十二电阻r12(阻值为r12)。
73.当vin＜vth1时，第一分段电压调理子电路210的第一开关管q1被闭合，第二开关管q2被断开，则第一分段电压调理子电路210导通工作，第二分段电压调理子电路220断开不工作，进而输出电压为：需要说明的是，输出电压可根据需求进行偏置和按设计比例放大。
74.当vth1＜vin时，第一分段电压调理子电路210的第二开关管q2被闭合，第一开关管q1被断开，则第二分段电压调理子电路220导通工作，第一分段电压调理子电路210断开不工作，定义r9＝r10＝r11＝r12，此时不工作，定义r9＝r10＝r11＝r12，此时为实现输出连
续性，将vth2电压设置为：续性，将vth2电压设置为：进而输出电压为：进而输出电压为：
75.即实现对输入电压vin调理，则输出结果为：
[0076][0077]
上述实施例中，通过划分2个输入电压范围，对输入电压信号进行比较处理，在输入电压信号的电压幅值落入相应输入电压范围时，则导通相应的电压调理子电路(第一电压调理子电路和第二电压调理子电路)，实现2段式的电压信号调理。本技术通过对电压信号调理进行优化设计，针对电压自动分段调理，增加灵活性；针对不同分段的电压采样不同的增益方式，增加电压采样调理的适用采样范围，提高采样精度和通用性，从而拓宽电压采样调理的适用场景，提高电路的通用性和采样调理的准确性，且降低电路成本。
[0078]
在一个实施例中，还提供一种信号测量装置，信号测量装置包括如上述任意一项的信号调理电路。
[0079]
其中，上述的信号调理电路的具体说明请参照上述实施例的描述，在此不再赘述。
[0080]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0081]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。