一种多模式采集电路 [技术领域]
本发明涉及模拟信号测量采集电路，尤其涉及一种基于差分输入的多模式采集电路。
[背景技术]
传统的模拟测量采集电路通常针对某一特定的物理量进行设计，按照被测信号的类型可以分为电流测量电路、电压测量电路、传感器测量电路等；按照被测信号的大小又可以分为强信号测量电路和微弱信号测量电路。
如图1所示为采集高电压信号模式的电路原理图。当输入信号时，电阻R1、电阻R3、电阻R5构成分压电路，对输入的高电压进行分压；后级差分运算电路再对电阻R5上的电压进行调理和采集。
如图2所示，当R5的阻值比较大(比如1KΩ以上)时，该电路为采集微小电压信号模式；所输入的微小电压信号直接加在电阻R5上，然后输入到后级差分运算电路。当电阻R5的阻值范围为10Ω～200Ω时，即电阻R5的阻值较小时，该电路为采集电流信号模式，电阻R5直接对电流信号进行采样，再由后级差分运算电路对电阻R5上的电压进行采集；或者如图3所示，当电阻R5的阻值较大时，在其两端并联一个阻值较小的电阻R2，使R5与R2并联的阻值范围为10Ω～200Ω，当输入电流信号时，通过电阻R2与电阻R5并联对电流信号进行采样，再由后级差分运算电路对电阻R2与电阻R5并联所输出的电压进行采集。
如图4所示为采集电流型传感器信号模式的电路原理图。对于二线制电流型的温度传感器，该电路能够提供一个为温度传感器供电地电源，即POWER+和POWER-；电流主要路径为：POWER+→R4→传感器→R5→POWER-，由于电阻R4的限流，对电源输出提供了保护，在温度传感器产生相应的电流后，由电阻R5进行采样，再输出电压由后级差分运算电路进行采集计算。
因此根据通常的设计，在一块电路板上实现多种信号的采集模式将导致电路体积大、成本高，而且电路设计复杂，可靠性降低。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种多模式采集电路，将多种信号的采集电路集于一体，简化了电路上的设计。
本发明是通过下面的技术方案来实现的：
一种多模式采集电路，包括前级基本配置电路和后级差分运算电路，所述前级基本配置电路包括第一电阻、第三电阻、第五电阻、所述前级基本配置电路的第一输入端通过第一电阻连接所述差分运算电路的正输入端；所述前级基本配置电路的第二输入端通过第三电阻连接所述差分运算电路的负输入端；第五电阻跨接在所述差分运算电路的正输入端和负输入端之间；所述前级基本配置电路还包括第三开关和第五开关；第三开关与第三电阻并联，第五开关与第一电阻并联。
本发明的一种改进在于：所述前级基本配置电路还包括第二电阻和第二开关，所述第二电阻和第二开关组成的串联支路一端与所述差分运算电路的正输入端耦合，另一端与所述差分运算电路的负输入端耦合。
本发明的另一种改进在于：所述前级基本配置电路还包括第一开关、第四开关与第四电阻，所述第四电阻与第四开关所组成的串联支路一端连接所述前级基本配置电路的第二输入端，另一端接电源正极；所述第一开关的一端连接所述差分运算电路的负输入端，另一端接电源负极。
本发明的另一种改进在于：所述前级基本配置电路还包括第一开关、第四开关与第四电阻，所述第四电阻与第四开关所组成的串联支路一端连接所述前级基本配置电路的第一输入端，另一端接电源正极；所述第一开关的一端连接所述差分运算电路的正输入端，另一端接电源负极。
本发明的另一种改进在于：所述前级基本配置电路还包括第六开关、第七开关和第一电容，所述第五电阻的两端通过第六开关与第一电容并联，第一电容的两端通过第七开关跨接在所述差分运算电路的正输入端和负输入端之间。
所述的第一电容为飞电容。
所述的第六开关、第七开关是小信号继电器或光继电器。
由于采用以上的技术方案，将多种信号采集电路集于一个电路之中，使得电路的体积小；同时使电路中元件的利用率提高；电路采集模式切换方便，操作简单，提高了电路的可靠性；后级是差分输入采样电路，相对于一般的A/D采样电路，差分采样电路能够提高采样的抗干扰性，而采用了飞电容采样电路可以进一步提高系统的采集精度和抗干扰性；同时提供了电气隔离，当有多个这样的采集通道共同存在的时候，还可以实现各个采集通道之间的电气隔离，这样对于需要隔离测量的物理量是相当安全的，使该电路应用的范围更广、更方便。
[附图说明]
图1是采集高电压信号模式的电路原理图。
图2是采集微小电压信号模式或采集电流信号模式的电路原理图。
图3是采集电流信号模式的电路原理图。
图4是采集电流型传感器信号模式的电路原理图。
图5是本发明实施例一的基本电路原理图。
图6a是本发明实施例二的基本电路原理图。
图6b是本发明实施例二的另一种基本电路原理图。
图6c是本发明实施例二的另一种基本电路原理图。
图6d是本发明实施例二的另一种基本电路原理图。
图7是本发明实施例三的基本电路原理图。
图8是本发明实施例四的基本电路原理图。
[具体实施方式]
实施例一、如图5所示，一种多模式采集电路，包括前级基本配置电路I和后级差分运算电路II，所述前级基本配置电路I包括第一电阻R1、第三电阻R3、第五电阻R5、所述前级基本配置电路I的第一输入端X1+通过第一电阻R1连接所述差分运算电路II的正输入端；所述前级基本配置电路I的第二输入端X1-通过第三电阻R3连接所述差分运算电路II的负输入端；第五电阻R5跨接在所述差分运算电路II的正输入端和负输入端之间；所述前级基本配置电路I还包括第三开关J3和第五开关J5；第三开关J3与第三电阻R3并联，第五开关J5与第一电阻R1并联。
该电路中集成了采集高电压信号和采集微小电压信号两种模式采集电路，当第三开关J3和第五开关J5断开时，其电路为如图1所示的采集高电压信号模式，第一电阻R1、第三电阻R3、第五电阻R5构成分压电路，对输入的高电压进行分压，后级差分运算电路再对第五电阻R5上的电压进行调理和采集；当第三开关J3和第五开关J5闭合时，其电路为如图2所示的采集微小电压信号模式，所输入的微小电压信号直接加在第五电阻R5上，然后输入到后级差分运算电路。
实施例二、如图6a、图6b、图6c和图6d所示，该电路是在实施例一的基础之上增加了第二电阻R2和第二开关J2组成的串联支路，该串联支路一端接所述前级基本配置电路I的第一输入端X1+，另一端接所述差分运算电路II的负输入端，或者该串联支路与所述的第五电阻R5并联，或者该串联支路一端接所述差分运算电路II的正输入端，另一端所述前级基本配置电路I的第二输入端X1-，或者该串联支路跨接在所述前级基本配置电路I的第一输入端X1+和第二输入端X1-之间。
该电路中集成了采集高电压信号、采集微小电压信号和采集电流信号三种模式采集电路，当第二开关J2断开时，其电路如实施例一的图5所示集成了采集高电压信号模式和采集微小电压信号模式；当第二开关J2、第三开关J3和第五开关J5闭合时，其电路为如图3所示的采集电流信号模式，第二电阻R2与第五电阻R5并联对电流信号进行采样，再由后级差分运算电路对第二电阻R2与第五电阻R5并联所输出的电压进行采集。在电路中集成了上述的三种采集模式，第五电阻R5的阻值比较大，比如阻值在1KΩ以上，对于采集微小电压信号模式和采集电流信号模式电路来说，如果在第五电阻R5的两端并联阻值较小的第二电阻R2，使第五电阻R5与第二电阻R2的并联阻值范围为10Ω～200Ω时，电路就由采集微小电压信号模式变成采集电流信号模式。
实施例三、如图7所示，该电路是在实施例一的基础之上增加了第一开关J1、第四开关J4与第四电阻R4，所述第四电阻R4与第四开关J4所组成的串联支路一端连接所述前级基本配置电路I的第二输入端X1-，另一端接电源正极POWER+；所述第一开关J1的一端连接所述差分运算电路II的负输入端，另一端接电源负极POWER-。
或者，所述第四电阻R4与第四开关J4所组成的串联支路一端连接所述前级基本配置电路I的第一输入端X1+，另一端接电源正极POWER+；所述第一开关J1的一端连接所述差分运算电路II的正输入端，另一端接电源负极POWER-；也是可行的。
该电路中集成了采集高电压信号、采集微小电压信号和采集电流型传感器信号三种模式采集电路，当第一开关J1和第四开关J4断开时，其电路如实施例一的图5所示集成了采集高电压信号模式和采集微小电压信号模式；当第一开关J1、第四开关J4和第五开关J5闭合且第三开关J3断开时，其电路为如图4所示的采集电流型传感器信号模式，譬如对于二线制电流型的温度传感器，该电路能够提供一个为温度传感器供电的电源，即POWER+和POWER-；其中，传感器sensor接在所述前级基本配置电路I的第一输入端X1+和第二输入端X1-之间，电流主要路径为：POWER+→R4→传感器→R5→POWER-，由于电阻R4的限流，对电源输出提供了保护，温度传感器产生相应的电流后，由第五电阻R5进行采样，再输出电压由后级差分运算电路进行采集计算。
实施例四、如图8所示，一种多模式采集电路，包括前级基本配置电路I和后级差分运算电路II，所述前级基本配置电路I包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一开关J1、第二开关J2、第三开关J3、第四开关J4、第五开关J5；所述前级基本配置电路I的第一输入端X1+通过第一电阻R1连接所述第五电阻R5的一端，所述前级基本配置电路I的第二输入端X1-通过第三电阻R3连接所述第五电阻R5的另一端，该端通过第二电阻R2和第二开关J2组成的串联支路与所述前级基本配置电路I的第一输入端X1+相连，该端还通过第一开关J1与电源负极POWER-相连，所述的第五开关J5与第一电阻R1并联，所述第三开关J3与第三电阻R3并联，所述第四电阻R4与第四开关J4所组成的串联支路一端连接所述前级基本配置电路I的第二输入端X1-，另一端接电源正极POWER+；所述前级基本配置电路I还包括第六开关SW1、第七开关SW2和第一电容C1，所述第五电阻R5的两端通过第六开关SW1与第一电容C1并联，第一电容C1的两端通过第七开关SW2跨接在所述差分运算电路II的正输入端和负输入端之间。
该电路中集成了四种模式采集电路，当第一开关J1、第二开关J2、第三开关J3、第四开关J4和第五开关J5都断开时，电路为采集高电压信号模式；当第一开关J1、第二开关J2和第四开关J4断开且第三开关J3和第五开关J5闭合时，电路为采集微小电压信号模式；当第一开关J1和第四开关J4断开且第二开关J2、第三开关J3和第五开关J5闭合时，电路为采集电流信号模式；当第二开关J2和第三开关J3断开且第一开关J1、第四开关J4和第五开关J5闭合时，电路为采集电流型传感器信号模式。
上述第一开关J1、第二开关J2、第三开关J3、第四开关J4和第五开关J5可以是跳线，也可是继电器。
所增加的第六开关SW1、第七开关SW2和第一电容C1，是差分隔离输入的一种实现形式——飞电容采样电路。它的作用是实现被测系统与测量系统之间的电气隔离，提高测量精度、抗干扰性和安全性。当有多个这样的采集通道共同存在的时候，还可以实现各个采集通道之间的电气隔离，这样对于需要隔离测量的物理量是相当安全的，其中第一电容C1是飞电容，第六开关SW1和第七开关SW2是开关，比如可以是小信号继电器或者光继电器OptoMOS。