[发明专利]一种兼容单双极性模拟信号采样电路

说明书

技术领域

本发明属于涉及电力系统的电力变换控制系统中对信号的采集、调理技术领域，特别是涉及一种兼容单双极性模拟信号采样电路，该电路支持多通道输入并且结构简单，功能性强。该采样电路具有兼容单极性和双极性信号调理的功能，具有良好的兼容性、灵活性、选择性、适用性和高精度。

背景技术

目前，一般的信号采样电路都是先将强电信号通过传感器转换成弱电信号，再经过模拟信号调理电路将信号放大、偏置和滤波等，最后进入AD转换芯片和微处理器，进行运算和处理。

一方面，某些处理器自带的AD采样芯片的精度不够，会给采样带来误差，不能满足高精度场合的要求；输入信号会有单、双极性之分，需要转换单、双极性采样电路，灵活性不足且成本较高。

另一方面，一般的信号调理模块都是先经过采样电阻，将霍尔元件输出的电流信号转换为电压信号，然后经过一电压跟随器，以增强带负载能力；由于采集后的信号可经过片外AD变换后送到DSP进行运算，而若用DSP的片内AD采样，则所能接受的电平范围为0V以上；所以，需要经过比例运算电路，将信号幅值适当地放大或减小，再经过运放组成的加减法运算电路进一步进行电平偏置。最后将信号经过滤波电路滤除干扰，即可进行AD变换。因此，调理电路一般实现四个功能，分别为实现跟随、比例运算、电平偏置和滤波。然而，在电平偏置时，一般该电路只能对单极性信号或双极性信号中的一种进行电平偏置，在实现另一种信号调理时只能重新设计电路，通用性差。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种兼容单双极性模拟信号采样电路，克服了对不同极性信号采样时功能性不足、运算速度和精度不够、灵活性差等问题。为单双极性信号采样提供了便捷的切换方式，有利于缩短开发周期、增强扩展性。

本发明采用信号调理电路的改进设计和外扩AD采样芯片相结合的方法。该电路分包括信号采集电路、模拟信号调理电路、外扩AD单元、外扩FPGA单元、DSP主控制单元等五部分，传感器将采集的信号送到模拟信号调理电路，调理电路处理后的信号送到片外AD或DSP的片内AD，片外AD先与外扩FPGA单元分配的采样引脚相连，外扩FPGA单元再通过总线方式与DSP主控制单元相连接，以实现对片外采样数据的读取。

信号采集电路通过霍尔传感器采集主回路中电压和电流模拟信号，再将采集后的信号传送给模拟信号调理电路。霍尔电压传感器型号为LV28-P，霍尔电流传感器是LA100-P。

模拟信号调理电路分为五部分：采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置电路、信号滤波，采样电阻、电压跟随电路、电压放大器、电压偏置电路、信号滤波次串联；各部分芯片的电源电压均采用±15V。采样电阻为误差在0.1％左右的精密电阻，阻值的大小与输入信号的幅值相对应。电压跟随电路由运算放大器OP07构成，其负输入端与输出端相连。电压放大器由运放LF353构成，在其输出端和负输入端之间接滑线变阻器，以调节调理电压的幅值大小。电压偏置电路采用LF353，并在电压放大器的正输入端接输入信号的单、双极性设置选择切换开关，进行选择性调整，使得信号电平与AD采样芯片的管脚电平相兼容，并使有、无电平偏置模块的一体化。信号滤波电路为简单的RC滤波器，由电阻和电容组成。

信号经过信号调理电路处理后，信号分别进入DSP的片内AD和片外AD进行采样。

在进入片内AD采样时，必须为经过调理后的单极性信号，且DSP的片内AD采样管脚ADCINxx与信号调理电路相连，通过DSP初始化和使能片内AD采样模块，对调理后的信号进行存储和计算。DSP采用的是TI公司新推出的一款C2000系列的浮点型数字信号处理器TMS320F28335。

外扩采样电路所用的芯片主要包括DSP芯片、FPGA芯片和AD采样芯片，DSP芯片与FPGA芯片相连，AD采样芯片与FPGA芯片相连。模拟信号控制单元将采集的模拟信号送到FPGA和DSP主控单元，DSP向FPGA下发使能和采样指令，FPGA再使能并启动AD芯片，AD芯片将模拟信号转换成数字信号，FPGA芯片读取AD芯片的数字信号，并进行存储，DSP再读取FPGA内部的数字信号，在DSP上进行处理计算和控制信号输出。FPGA采用的是ALTERA公司的Cyclone系列的第四代产品EP4C115F23C8；AD芯片采用的是2片AD7606。

所述电路中，当输入为双极性信号时，可通过信号调理电路的切换开关，加上偏置电压，使得采样电压与DSP的管脚相兼容，也可不加偏置电压，用外扩AD芯片进行采样；当输入为单极性信号时，不需偏置电压，则片内和片外AD均可用于采样。