一种全量程范围高精度高压采样电路及采样方法与流程

本发明涉及高压采样技术，尤其涉及一种全量程范围高精度高压采样电路及采样方法。

背景技术：

1、随着电力电子技术的发展，高压电源在工业、国防、医疗等行业得到了广泛的应用，但随之而来的问题也日益突出。由于电压的显示多用ad采样后报给mcu控制器再由mcu控制器发送至显示单元。但是ad采样的位数是有限的，目前市场主流位数多集中在12位、16位、20位、24位，输入ad的采样电压值多是3.3v、5v、10v。

2、例如，当选用一个12位且输入为3.3v的ad采样器件，去采集一个0～10kv的直流电压时，其对应关系为：采样电压的最大值10kv对应ad采样器件的满量程3.3v，而3.3v对应212位，理论上10kv对应ad采样器件的最小精度为2.4414v。而在实际使用过程中，由于采样电路的精度和线性度问题，往往12位的ad采样器件实际效果只能达到10位或10位半，实际10kv对应ad采样器件的最小精度为9.765625v。如果通过当前ad采样器件采集一个20v的电压，其显示误差将达到48.8％，若采用这个采样值用于闭环控制，会导致稳压值也产生巨大误差，这在一些应用领域会带来致命的问题。综上所述，当采样电压为大电压范围时，由于现有采样电路在全量程范围内的误差比例不变，导致低电压区间时存在采样值误差较大的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决当采样电压为大电压范围时，由于现有采样电路在全量程范围内的误差比例不变，导致低电压区间时存在采样值误差较大的技术问题，而提供一种全量程范围高精度高压采样电路及采样方法。

2、为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

3、一种全量程范围高精度高压采样电路，其特殊之处在于：包括分压电阻r0、采样单元、逻辑控制单元以及mcu；

4、所述采样单元包括依次串联的n个采样电阻以及n-1个mos管，n≥3；

5、所述分压电阻r0一端连接输入电压，另一端连接第n个采样电阻的另一端；

6、第一个mos管并联在第一个采样电阻两端，第二个mos管并联在第二个采样电阻一端和第一个采样电阻另一端之间，以此类推，第n-1个mos管并联在第n-1个采样电阻一端和第一个采样电阻另一端之间；

7、所述逻辑控制单元包括综合调理电路、限幅保护电路以及n-1个分区控制模块；所述分区控制模块包括分区调理电路和滞回比较电路；

8、第一个分区调理电路至第n-1个分区调理电路的放大系数依次减小；

9、第一个滞回比较电路至第n-1个滞回比较电路的滞回区间最小值依次减小，滞回区间最大值依次增加；

10、所述综合调理电路的第一输入端连接第n个采样电阻与分压电阻r0连接的一端，其第二输入端连接第一个采样电组的另一端，用于将采样电阻的采样电压输入综合调理电路中进行放大；

11、所述限幅保护电路的输入端连接综合调理电路的输出端，用于对放大后的采样电压进行幅值限定，其第一输出端分别连接n-1个分区调理电路的输入端，用于通过不同的分区调理电路对限幅后的采样电压进行不同程度的放大；

12、n-1个滞回比较电路的输入端分别连接对应分区调理电路的输出端，n-1个滞回比较电路的输出端分别连接对应顺序mos管的栅极，用于通过分区调理电路的电压调节控制滞回比较电路的输出电平，进而控制相应mos管是否导通；

13、所述限幅保护电路的第二输出端连接所述mcu的输入端，用于将限幅后的电压送入mcu中；n-1个滞回比较电路的输出端分别还用于连接mcu的输入端，用于根据各滞回比较电路的输出结果切换相应的量程。

14、进一步地，还包括二极管vd1；

15、所述二极管vd1的正极连接综合调理电路的第一输入端，其负极接地，用于对采样电压进行钳位保护。

16、进一步地，还包括电阻r8；

17、所述电阻r8的一端连接综合调理电路的输出端，另一端连接限幅保护电路的输入端，用于防止电压倒灌。

18、进一步地，还包括电平转换模块；

19、所述电平转换模块的输入端分别连接n-1个滞回比较电路的输出端，其输出端连接mcu的输入端。

20、进一步地，所述综合调理电路包括运算放大器d1、电阻r4、电阻r5、电阻r6以及电阻r7；所述限幅保护电路包括运算放大器d2、二极管vd2以及第一基准电压；

21、所述电阻r4一端连接第n个采样电阻与分压电阻r0连接的一端，另一端连接运算放大器d1的反相输入端；电阻r5一端连接第一个采样电阻的另一端，另一端连接运算放大器d1的同相输入端；所述二极管vd1的正极连接电阻r4的一端；

22、所述电阻r6一端连接运算放大器d1的反相输入端，另一端连接运算放大器d1的输出端；电阻r7一端连接运算放大器d1的同相输入端，另一端接地；

23、所述运算放大器d1的输出端连接电阻r8的一端；

24、所述运算放大器d2的反相输入端连接电阻r8的另一端，其同相输入端连接第一基准电压；

25、所述二极管vd2的负极连接运算放大器d2的输出端，正极连接运算放大器d2的反相输入端；二极管vd2的正极作为限幅保护电路的第二输出端，连接所述mcu的输入端；

26、所述运算放大器d2的反相输入端作为限幅保护电路的第一输出端，分别连接n-1个分区控制模块的输入端。

27、进一步地，所述n＝3。

28、进一步地，所述采样单元包括依次串联的采样电阻r3、采样电阻r2、采样电阻r1，以及第一mos管和第二mos管；

29、第一个所述分区控制模块包括第一分区调理电路和第一滞回比较电路；

30、所述第一分区调理电路包括电阻r9、电阻r10、电阻r11以及运算放大器d3；

31、所述第一滞回比较电路包括电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、第一滞回比较器d5、二极管vd3以及第二基准电压；

32、所述电阻r9一端连接运算放大器d2的反相输入端，另一端连接运算放大器d3的同相输入端；电阻r10一端接地，另一端连接运算放大器d3的反相输入端；电阻r11一端连接运算放大器d3的反相输入端，另一端连接运算放大器d3的输出端；

33、所述电阻r15的一端连接运算放大器d3的输出端，另一端连接第一滞回比较器d5的同相输入端；电阻r16的一端连接第二基准电压，另一端连接第一滞回比较器d5的反相输入端；所述电阻r17的一端连接第一滞回比较器d5的同相输入端，另一端连接二极管vd3的负极；二极管vd3的正极和电阻r18的一端均连接第一滞回比较器d5的输出端，电阻r18的另一端连接电源电压；

34、所述第一滞回比较器d5的输出端还用于连接第一mos管的栅极和mcu的输入端；

35、第二个所述分区控制模块包括第二分区调理电路和第二滞回比较电路；

36、所述第二分区调理电路包括电阻r12、电阻r13、电阻r14以及运算放大器d4；

37、所述第一滞回比较电路包括电阻r19、电阻r20、电阻r21、电阻r22、第二滞回比较器d6、二极管vd4以及第三基准电压；

38、所述电阻r12一端连接运算放大器d2的反相输入端，另一端连接运算放大器d4的同相输入端；电阻r13一端接地，另一端连接运算放大器d4的反相输入端；电阻r14一端连接运算放大器d4的反相输入端，另一端连接运算放大器d4的输出端；

39、所述电阻r19的一端连接运算放大器d4的输出端，另一端连接第二滞回比较器d6的同相输入端；电阻r20的一端连接第三基准电压，另一端连接第二滞回比较器d6的反相输入端；所述电阻r21的一端连接第二滞回比较器d6的同相输入端，另一端连接二极管vd4的负极；二极管vd4的正极和电阻r22的一端均连接第二滞回比较器d6的输出端，电阻r22的另一端连接电源电压；

40、所述第二滞回比较器d6的输出端还用于连接第二mos管的栅极和mcu的输入端。

41、进一步地，所述mos管为n型或p型。

42、本发明还提供了上述全量程范围高精度高压采样电路的采样方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

43、步骤1，给全量程范围高精度高压采样电路系统通电，初始状态下采样单元中的n-1个mos管均未导通，采样单元的电阻阻值为n个采样电阻的阻值之和；

44、步骤2，逐渐增加输入电压，n-1个分区调理电路的输出电压也相应增大，当第一个分区调理电路的输出电压大于第一个滞回比较电路设定的基准电压时，第一个滞回比较电路的输出电平翻转，控制第一个mos管导通，此时第一个采样电阻被短路，采样单元的电阻阻值为第二个至第n个采样电阻的阻值之和，mcu根据当前输入的限幅后的采样电压和第一个滞回比较电路的输出结果切换相应的量程；

45、继续增加输入电压，当第二个分区调理电路的输出电压大于第二个滞回比较电路设定的基准电压时，第二个滞回比较电路的输出电平翻转，控制第二个mos管导通，此时第一个采样电阻和第二个采样电阻被短路，采样单元的电阻阻值为第三个至第n个采样电阻的阻值之和，mcu根据当前输入的限幅后的采样电压和第二个滞回比较电路的输出结果切换相应的量程；以此类推，直至第n-1个分区调理电路的输出电压大于第n-1个滞回比较电路设定的基准电压时，第n-1个滞回比较电路的输出电平翻转，控制第n-1个mos管导通，此时采样单元的电阻阻值为第n个采样电阻的阻值，mcu根据当前输入的限幅后的采样电压和第n-1个滞回比较电路的输出结果切换相应的量程；

46、步骤3，逐渐减小输入电压，n-1个分区调理电路的输出电压也相应减小，当第n-1个滞回比较电路的同相输入端电压小于其反相输入端输入的基准电压时，第n-1个滞回比较电路的输出电平再次翻转，控制第n-1个mos管断开，此时采样单元的电阻阻值为第n个采样电阻和第n-1个采样电阻的阻值之和，mcu根据当前输入的限幅后的采样电压和第n-1个滞回比较电路的输出结果切换相应的量程；以此类推，直至第一个滞回比较电路的同相输入端电压小于其反相输入端输入的基准电压时，第一个滞回比较电路的输出电平再次翻转，控制第一个mos管断开，此时采样单元的电阻阻值为n个采样电阻的阻值之和，mcu根据当前输入的限幅后的采样电压和第一个滞回比较电路的输出结果切换相应的量程，实现全量程范围高精度高压采样。

47、本发明相比于现有技术的有益效果如下：

48、1、与相同采样精度的固定采样电阻方式相比，本发明提供的一种全量程范围高精度高压采样电路，搭建了多个滞回比较电路，通过输入信号的幅值变化来切换滞回比较电路的输出，并以此信号控制采样单元中采样电阻的阻值切换，同时将该信号送至mcu控制量程范围，可以灵活实现不同范围的采样区间，并有效保证了采样精度；同时，通过经不同放大系数放大的信号与相应的滞回比较电路滞回区间的合理搭配，确保采样电阻的变换大小逻辑，同时切换量程范围，电路简单可靠，可以用较少位数的ad采样器件实现在大电压范围采样时低电压区间的高精度采样，极大的降低了ad采样器件的成本。

49、2、本发明提供的一种全量程范围高精度高压采样电路，采样电阻的阻值切换通过硬件模拟电路实现，量程切换通过mcu实现，具备硬件切换的快速性和软件量程切换的灵活性的双重优点。

50、3、本发明提供的一种全量程范围高精度高压采样电路，通过设计电阻分压比，通过设置多个采样电阻和分压电阻的大小关系，即通过设计电阻分压比，可以实现采样区间的灵活调节，方便简单。

51、4、本发明提供的一种全量程范围高精度高压采样电路，具有普遍适用性，除了应用于电压、电流采样电路中，也可将该逻辑应用在其它工业自动化领域的各种采样电路中，比如温度采样、频率采样等；同时电路中均为常规普通阻容和逻辑元器件，mcu(dps、arm、fpga等)也是开关电源中的标配器件，不需要额外增加特殊或者昂贵的电子元器件，成本低，实现简单，商业价值高。