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    • 专利摘要:
    本实用新型公开了一种测量电路，包括采样电路和隔离装置，采样电路与被测对象输出端连接，用于对输入信号进行采样，采样后的信号经隔离装置送入示波器进行后续测量。应用以上技术方案，由于隔离装置可有效隔离信号采样端和示波器低压测量端的电压，进而在输入信号为高压时，采样电路与隔离装置连接处也为高压，采样电路两端没有压差，不会被击穿，因此无需采用高压电阻增大差分臂的耐压值，采样电路的电压和示波器的电压之间也不会产生干扰，因此在满足测量精度要求的同时，能够适用于高共模电位测量较小电压信号的场景，方便了不同悬浮电位上信号的采样测量。
    公开号:CN214335500U
    申请号:CN202023219826.7U
    申请日:2020-12-28
    公开日:2021-10-01
    发明作者:刘宇航；牛根艺；赵跃东；赵倩倩；胡述静；高跃；曾宽；张舒窈；宗凯凯；张冉
    申请人:Wolong Electric Shanghai Central Research Institute Co ltd；Zhejiang Longchuang Motor Technology Innovation Co ltd；Wolong Electric Group Co Ltd；
    IPC主号:G05B19-042
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及测量技术领域，特别是涉及一种基于单模光纤隔离的测量电路。
    [n0002] 测量电路中主要通过采样电路对输入信号进行采样，常用的采样电路可通过差分电路实现。差分电路因其具有结构简洁、使用方便、可测量直流和超低频信号、功耗低等特点，在家电控制、工业设备、串联电池组检测等诸多领域得到了日益广泛的应用。图1为现有技术提供的一种差分电路的电路原理图。如图1所示，差分电路包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，差分臂上的第一电阻R1和第二电阻R2分别与信号输入端的负极N-和正极P+连接，第一运算放大器U1经第五电阻R5将输出信号OUT送入示波器进行后续测量。第一电阻R1和第二电阻R2均采用普通的测量电阻，导致该差分电路耐压值较低。若输入信号的电压很高，尤其在高共模电位测量较小电压信号时，由于示波器为低压端，差分电路两端压差过大会将电路击穿，进而导致示波器损坏。若采用高压电阻作为第一电阻R1和第二电阻R2，增大差分臂耐压值，则会造成成本和体积的增加，同时高阻抗引入的噪声使测量的信噪比明显降低，无法满足测量精度的要求。
    [n0003] 鉴于上述现有技术，寻求一种适用范围广的测量电路是本领域技术人员亟待解决的问题。
    [n0004] 本实用新型的目的是提供一种测量电路，能够适用于高共模电位测量较小电压信号的场景，方便不同悬浮电位上信号的采样测量。
    [n0005] 为解决上述技术问题，本实用新型提供一种测量电路，其特征在于，包括与被测对象信号输出端连接，用于对输入信号进行采样的采样电路和分别与所述采样电路和示波器连接，用于将所述采样电路与所述示波器进行隔离的隔离装置。
    [n0006] 优选地，所述隔离装置具体为单模光纤收发器，所述单模光纤收发器的单模光纤发送器与所述采样电路连接，所述单模光纤收发器的单模光纤接收器与所述示波器连接。
    [n0007] 优选地，还包括信号还原电路，所述信号还原电路分别与所述单模光纤接收器和所述示波器连接，用于将所述单模光纤接收器输出的信号转化为与所述输入信号极性相同的信号并输出至示波器。
    [n0008] 优选地，还包括分别与所述采样电路和所述单模光纤发送器连接的第一微处理器，所述第一微处理器包括ADC模块和第一USART接口，所述采样电路的输出端与所述ADC模块的输入端连接，所述ADC模块的输出端经所述第一USART接口与所述单模光纤发送器连接。
    [n0009] 优选地，所述输入信号为双极性信号，所述信号还原电路具体包括第二微处理器和单双极性转换电路，所述第二微处理器包括DAC模块和第二USART接口，所述DAC模块的输入端与所述单模光纤接收器连接，所述DAC模块的输出端经所述第二USART接口与所述单双极性转换电路的输入端连接，所述单双极性转换电路的输出端与所述示波器连接。
    [n0010] 优选地，还包括滤波电路，所述滤波电路的输入端与所述DAC模块的输出端连接，所述滤波电路的输出端与所述单双极性转换电路的输入端连接。
    [n0011] 优选地，所述单双极性转换电路包括电压跟随器、反向放大电路和零点修正电路，所述电压跟随器的同向输入端与所述DAC模块连接，所述电压跟随器的输出端与所述反向放大电路的输入端连接，所述零点修正电路与所述反向放大电路的输入端连接，所述反向放大电路的输出端为信号输出端。
    [n0012] 优选地，还包括电荷泵，所述电荷泵与所述单双极性转换电路的电源输入端连接。
    [n0013] 优选地，所述采样电路具体为差分电路，则还包括电池和低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器与所述电池连接，用于将所述电池输出的电压转换为所述差分电路的供电电压。
    [n0014] 优选地，还包括与所述低压差线性稳压器连接，用于为所述差分电路提供偏置电压的偏置电压电路。
    [n0015] 本实用新型所提供的测量电路包括采样电路和隔离装置，采样电路与被测对象输出端连接，用于对输入信号进行采样，采样后的信号经隔离装置送入示波器进行后续测量。应用以上技术方案，由于隔离装置可有效隔离信号采样端和示波器低压测量端的电压，进而在输入信号为高压时，采样电路与隔离装置连接处也为高压，采样电路两端没有压差，不会被击穿，因此无需采用高压电阻增大差分臂的耐压值，采样电路的电压和示波器的电压之间也不会产生干扰，因此在满足测量精度要求的同时，能够适用于高共模电位测量较小电压信号的场景，方便了不同悬浮电位上信号的采样测量。
    [n0016] 为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
    [n0017] 图1为现有技术提供的一种差分电路的电路原理图；
    [n0018] 图2为本实用新型实施例提供的一种测量电路的结构示意图；
    [n0019] 图3为本实用新型实施例提供的另一种测量电路的结构示意图；
    [n0020] 图4为本实用新型实施例提供的一种采样电路的供电电路原理图；
    [n0021] 图5为本实用新型实施例提供的一种差分电路与第一微处理器的电路原理图；
    [n0022] 图6为本实用新型实施例提供的一种第一微处理器器与单模光纤发送器示意图；
    [n0023] 图7为本实用新型实施例提供的一种第二微处理器与单模光纤接收器示意图；
    [n0024] 图8为本实用新型实施例提供的一种单双极性转换电路原理图；
    [n0025] 图9为本实用新型实施例提供的一种单双极性转换电路的供电电路原理图；
    [n0026] 附图标记如下：
    [n0027] 1为被测对象信号输出端，2为采样电路，3为示波器，4为隔离装置，5为信号还原电路，6为第一微处理器，7为第二微处理器，8为单双极性转换电路，9为滤波电路，10为差分电路，11为偏置电压电路。
    [n0028] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护范围。
    [n0029] 本实用新型的核心是提供一种测量电路，能够适用于高共模电位测量较小电压信号的场景，方便不同悬浮电位上信号的采样测量。
    [n0030] 为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
    [n0031] 图2为本实用新型实施例提供的一种测量电路的结构示意图。如图2所示，该测量电路包括与被测对象信号输出端1连接，用于对输入信号IN进行采样的采样电路2和分别与采样电路2和示波器3连接，用于将采样电路2与示波器3进行隔离的隔离装置4。
    [n0032] 在具体实施中，利用采样电路2作为前级信号检测部分，与被测对象信号输出端1连接，采样电路2输出的采样信号经隔离装置4，送入示波器3，用于满足后续的测量要求。
    [n0033] 需要说明的是，本申请实施例对于隔离装置4的具体结构不作限定，隔离电路可以采用光纤隔离或者光耦隔离，光纤隔离可以采用在线式光隔离器、自由空间光隔离器、保偏光纤隔离器或者偏振相关隔离器，本申请均不作限定。此外，本申请对于采样电路2的具体结构不作限定，可以通过差分电路实现，也可以通过其他方式实现。
    [n0034] 本实用新型所提供的测量电路包括采样电路和隔离装置，采样电路与被测对象输出端连接，用于对输入信号进行采样，采样后的信号经隔离装置送入示波器进行后续测量。应用以上技术方案，由于隔离装置可有效隔离信号采样端和示波器低压测量端的电压，进而在输入信号为高压时，采样电路与隔离装置连接处也为高压，采样电路两端没有压差，不会被击穿，因此无需采用高压电阻增大差分臂的耐压值，采样电路的电压和示波器的电压之间也不会产生干扰，因此在满足测量精度要求的同时，能够适用于高共模电位测量较小电压信号的场景，方便了不同悬浮电位上信号的采样测量。
    [n0035] 图3为本实用新型实施例提供的另一种测量电路的结构示意图。如图3所示，作为一种优选地实施例，隔离装置4具体为单模光纤收发器U0，单模光纤收发器U0的单模光纤发送器U01与采样电路2连接，单模光纤收发器U0的单模光纤接收器U02与示波器3连接。
    [n0036] 进一步地，还包括信号还原电路5，信号还原电路5分别与单模光纤接收器U02和示波器3连接，用于将单模光纤接收器U02输出的信号转化为与输入信号极性相同的信号并输出至示波器3。
    [n0037] 可以理解，输入信号可以是单极性信号，即单一极性电平的脉冲信号，例如+5V或者-5V；也可以是双极性信号，即具有双向极性电平的脉冲信号，例如+5V与-5V。如果输入信号为单极性信号，则信号还原电路5也输出单极性信号，如果输入信号为双极性信号，则信号还原电路5也输出双极性信号。
    [n0038] 单模光纤收发器U0可以采用GT-WX352-S5，在其它实施例中，也可以采用别的型号。需要说明的是，本申请采用单根单模光纤进行连接，光纤最大长度不超过一公里。
    [n0039] 本实用新型所提供的测量电路，隔离装置采用单模光纤收发器，响应速度快，信号观测直观，可以有效隔离单模光纤发送端和单模光纤接收端的高共模电压，方便了不同悬浮电位上信号的采样测量，为低成本高悬浮电位信号检测提供了一种可行性。
    [n0040] 在上述实施例的基础上，采样电路2具体为差分电路10，如图1所示，差分电路10包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；
    [n0041] 第一电阻R1的第一端与输入信号的负极N-连接，第一电阻R1的第二端与第一运算放大器U1的反向输入端连接，第二电阻R2的第一端与输入信号的正极P+连接，第二电阻R2的第二端与第一运算放大器U1的同向输入端连接，第三电阻R3的第一端与第一运算放大器U1的反向输入端连接，第三电阻R3的第二端与第一运算放大器U1的输出端连接，第四电阻R4与第一运算放大器U1的同向输入端连接，第四电阻R4的第二端与偏置电压电路18的输出端连接。
    [n0042] 差分电路10还包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1的阴极与第一运算放大器U1的反向输入端连接，第一二极管D1的阳极与第一运算放大器U1的同向输入端连接，第二二极管D2的阳极与第一二极管D1的阴极连接，第二二极管D2的阴极与第一二极管D1的阳极连接。
    [n0043] 第一二极管D1和第二二极管D2为钳位二极管，用于保护第一运算放大器U1。在实际应用中，还可以将钳位二极管替换为结型场效应管。
    [n0044] 图4为本实用新型实施例提供的一种采样电路的供电电路原理图。如图4所示，还包括电池BT1和低压差线性稳压器LDO，低压差线性稳压器LDO与电池BT1连接，用于将电池BT1输出的电压转换为差分电路10的供电电压。进一步地，还包括与低压差线性稳压器LDO连接，用于为差分电路10提供偏置电压的偏置电压电路11。
    [n0045] 本实施例中，电池BT1采用3节AA电池，输入+4.5V电压，第二电容C2并联在电池BT1两端，第三电容C3的第一端与电池BT1的负极连接，第三电容C3的第二端与低压差线性稳压器LDO连接，该端口输出+3.3V电压，为差分电路10供电。电压调整器U3、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第四电容C4构成偏置电压电路11，偏置电压电路11将+3.3V电压变换为+1.65V电压，为差分电路10提供直流偏置。
    [n0046] 本实施例所提供的测量电路，采用电池为采样电路供电，避免使用高隔离电源，缩小了供电电源的体积，降低了成本。
    [n0047] 图5为本实用新型实施例提供的一种差分电路与第一微处理器的电路原理图。图6为本实用新型实施例提供的一种第一微处理器器与单模光纤发送器示意图。图7为本实用新型实施例提供的一种第二微处理器与单模光纤接收器示意图。在上述实施例的基础上，还包括分别与采样电路2和单模光纤发送器U01连接的第一微处理器6，第一微处理器6包括ADC模块和第一USART接口，采样电路2的输出端与ADC模块的输入端连接，ADC模块的输出端经第一USART接口与单模光纤发送器U01连接。信号还原电路5具体包括第二微处理器7和单双极性转换电路8，第二微处理器7包括DAC模块和第二USART接口，DAC模块的输入端与单模光纤接收器U02连接，DAC模块的输出端经第二USART接口与单双极性转换电路8的输入端连接，单双极性转换电路8的输出端与示波器3连接。
    [n0048] 如图5所示，还包括第五电阻R5、第一电容C1、第三二极管D3和第四二极管D4，第三二极管D3和第四二极管D4均为钳位二极管，用于保护ADC模块不会超过耐受电压值。第五电阻R5和第一电容C1起到一个滤除高频噪声的作用。
    [n0049] 需要说明的是，本申请没有对第一微处理器6和第二微处理器7的型号有限制，根据实际情况可以是任意能够实现本实用新型相关功能的芯片，例如MCS-51或STM32系列单片机，本实用新型实施例中采用STM32F302C8T6型号的芯片只是一种优选的实施例，以下叙述中均以型号为STM32F302C8T6的单片机作为第一微处理器6和第二微处理器7来进行说明。
    [n0050] 在具体实施中，输入信号为双极性信号时，采样端使用差分电路10作为前级传感部分，配合第一微处理器6内置的ADC模块进行信号量化采集，差分电路10中，R1/R3＝R2/R4，衰减系数K＝R1/R3，第四电阻R4的第二端接+1.65V为整个差分电路10提供一个直流偏置量，将双极性的输入信号变换为ADC模块能接收的单极性信号。采样后的信号，通过第一微处理器6进行数字滤波处理后，经第一USART口将已转换为数字量的数据发出。
    [n0051] 具体地，第一微处理器6内置的ADC模块对信号采样后，根据出厂时预存储于第一微处理器6内部的零点偏置校准寄存器内数据，对ADC采样数据进行校正，再经过合适的滤波算法将个别异常值剔除，根据预设置的处理算法将更新后的数据，通过第一USART接口发送至单模光纤发送器U01，将LVTTL信号变换为断续变化的光脉冲，通过单模光纤发送出去。
    [n0052] 单模光纤接收器U02从光纤接收到断续变化的光脉冲后，将其转化为LVTTL电平的信号，输入第二微处理器7的第二USART接口，经串并转换后读出对应的发送部分当前的电压采样信号。
    [n0053] 如图7所示，还包括滤波电路9，滤波电路9的输入端与DAC模块的输出端连接，滤波电路9的输出端与单双极性转换电路8的输入端连接。
    [n0054] 根据出厂时预存储于第二微处理器7内部的零点偏置校准寄存器内数据，对接收到的数据进行校正，经第二微处理器7内部SINC软件滤波后由DAC模块输出，DAC输出的信号进入滤波电路9，以滤除模数转换时量化误差的影响。具体地，滤波电路9为RC低通滤波电路，包括第九电阻R9和第五电容C5。滤波后的信号DACOUT进入单双极性转换电路8，以便于单双极性转换电路8对信号的极性进行修正。
    [n0055] 图8为本实用新型实施例提供的一种单双极性转换电路原理图。如图8所示，在上述实施例的基础上，单双极性转换电路8包括电压跟随器、反向放大电路和零点修正电路，电压跟随器的同向输入端与DAC模块连接，电压跟随器的输出端与反向放大电路的输入端连接，零点修正电路与反向放大电路的输入端连接，反向放大电路的输出端为信号输出端。
    [n0056] 具体地，电压跟随器由第二运算放大器U4构成，匹配前后级电路的阻抗特性。第十电阻R10、第十一电阻R11和第三运算放大器U5组成反向放大电路。第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14和第七电容C7组成零点修正电路。第十五电阻R15和第六电容C6完成输出前的最后一次滤波，对运放噪声进行滤除。单双极性转换电路8输出与前级差分电路10趋势一致，复合一定比例对应关系的电压信号。
    [n0057] 图9为本实用新型实施例提供的一种单双极性转换电路的供电电路原理图。如图9所示，还包括电荷泵U2，电荷泵U2与单双极性转换电路8的电源输入端连接。还包括第八电容C8、第九电容C9和第十电容C10，电荷泵U2的型号为7660，实现单双极性转换电路8的负电源供电。电荷泵U2的优点为功耗低，开关谐波频率小且呈正弦特性，便于滤除纹波电压，以减小对测量信号的干扰。
    [n0058] 以上对本实用新型所提供的测量电路进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
    [n0059] 还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
    权利要求:
    Claims (9)
    [0001] 1.一种测量电路，其特征在于，包括与被测对象信号输出端连接，用于对输入信号进行采样的采样电路和分别与所述采样电路和示波器连接，用于将所述采样电路与所述示波器进行隔离的隔离装置，所述隔离装置具体为单模光纤收发器，所述单模光纤收发器的单模光纤发送器与所述采样电路连接，所述单模光纤收发器的单模光纤接收器与所述示波器连接。
    [0002] 2.如权利要求1所述的测量电路，其特征在于，还包括信号还原电路，所述信号还原电路分别与所述单模光纤接收器和所述示波器连接，用于将所述单模光纤接收器输出的信号转化为与所述输入信号极性相同的信号并输出至示波器。
    [0003] 3.如权利要求1所述的测量电路，其特征在于，还包括分别与所述采样电路和所述单模光纤发送器连接的第一微处理器，所述第一微处理器包括ADC模块和第一USART接口，所述采样电路的输出端与所述ADC模块的输入端连接，所述ADC模块的输出端经所述第一USART接口与所述单模光纤发送器连接。
    [0004] 4.如权利要求2所述的测量电路，其特征在于，所述输入信号为双极性信号，所述信号还原电路具体包括第二微处理器和单双极性转换电路，所述第二微处理器包括DAC模块和第二USART接口，所述DAC模块的输入端与所述单模光纤接收器连接，所述DAC模块的输出端经所述第二USART接口与所述单双极性转换电路的输入端连接，所述单双极性转换电路的输出端与所述示波器连接。
    [0005] 5.如权利要求4所述的测量电路，其特征在于，还包括滤波电路，所述滤波电路的输入端与所述DAC模块的输出端连接，所述滤波电路的输出端与所述单双极性转换电路的输入端连接。
    [0006] 6.如权利要求4所述的测量电路，其特征在于，所述单双极性转换电路包括电压跟随器、反向放大电路和零点修正电路，所述电压跟随器的同向输入端与所述DAC模块连接，所述电压跟随器的输出端与所述反向放大电路的输入端连接，所述零点修正电路与所述反向放大电路的输入端连接，所述反向放大电路的输出端为信号输出端。
    [0007] 7.如权利要求6所述的测量电路，其特征在于，还包括电荷泵，所述电荷泵与所述单双极性转换电路的电源输入端连接。
    [0008] 8.如权利要求1所述的测量电路，其特征在于，所述采样电路具体为差分电路，则还包括电池和低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器与所述电池连接，用于将所述电池输出的电压转换为所述差分电路的供电电压。
    [0009] 9.如权利要求8所述的测量电路，其特征在于，还包括与所述低压差线性稳压器连接，用于为所述差分电路提供偏置电压的偏置电压电路。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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