江振青 胡振山 吕海燕

摘 要：在现代电气仪表和传感器系统中，电压信号采集电路应用广泛。文章通过对常用信号处理电路进行整合与改进，设计了一款能够在保证精度的同时，可以使用低成本元件实现的可变增益的电压信号采集与变换电路。本设计避免了手动挡位调整，增加了测量的灵活性。采用正负5 V双电源供电，具有宽电压输入、高输入阻抗、低输出阻抗、增益可调、低功耗和小型化的特点。该电路输出信号完整保留了输入信号的信息，便于后级电路进行信号处理。

关键词：电气仪表;电压采集;自动增益控制;精密整流电路

0    引言

使用电子系统进行处理的各项输入量，无论是电气量还是非电量，绝大多数最终转换为电压信号进行处理。在现代电子设备中，使用模数转换器（ADC）将模拟量转换为数字量进行处理已经成为趋势，在ADC进行采集的过程中，需要实现采集量和ADC输入之间的信号匹配。[1]由此可见，信号调理电路与信号匹配电路对于现代自动化测量而言具有重要的作用。本文采用运算放大器LM358P与模拟开关CD4051B等元器件设计了一款可变增益的电压信号采集电路，能够为一般的电气量测试提供可靠的电压信号采集转换能力，该电路具有低成本、高可靠性、高准确性的特点，可供数字万用表、传感器采集网络等作为信号调理电路使用。相对于市面上常见的信号调理电路，其往往针对某一特定使用场景而在设计中限定电压范围，无法应用于更多的使用场景，有些场景采用了专门的集成电路芯片进行实现，在实现时容易遇到采购困难等问题。针对以上问题，该电路采用常见的电子元器件进行实现，易于采购，且允许宽电压输入。

1    系统设计方案

该电路旨在提供电压信号采集与转换，由初级电压适配、可变增益放大、精密整流和相位检测4个部分构成。

1.1  初级电压适配

电压采集使用传统的电阻串联分压方式构成分压电路网络实现初级电压适配，并且决定整个系统的输入电阻。宽电压输入采用多路分压的方式，由信号继电器实现不同增益的选择，该设计旨在选择合适的分压比以降低测量误差。对100～1 000 V的高压测量，选择250∶1的分压比以适配初级电压跟随器的输入，对于0～100 V的低压测量，则选择25∶1的分压比。分压后的电压信号传入电压跟随器。

1.2  可变增益放大

经过初级分压后的信号，进入可变增益放大电路，该电路由运算放大器与模拟开关共同构成的同相放大电路实现。该部分电路主要对经过初级衰减后的电压信号进行放大，以充分发挥ADC的测量能力。

1.3  精密整流

单电源供电的ADC无法进行负电压的转换，因此将负电压转换为正电压是需要的，无论是对直流负电压还是交流电压的负半周，均使用精密整流电路进行整流。精密整流电路可以对电压小信号进行全波整流，克服了全桥整流存在的信号失真。

1.4  相位检测

精密整流后的电压信号丢失了原本信号的相位信息。因此在进行精密整流前进行电压相位的检测是必要的。该部分电路使用运算放大器构成电压比较器将可变增益放大电路的输出与零电位进行比较，并且将比较结果以数字量进行输出，由此保留了原本信号的相位信息。

2    硬件电路设计

2.1  系统设计

系统设计如图1所示。输入的电压信号经过该系统后，处理为直流电压信号和相位信号进行输出，输出端可以接单片机抑或是ADC芯片与现场可编程门阵列（FPGA）的组合等方案，也可以接传统的电气仪表。输入的电压经过初级电压适配调整到能够被运算放大器接受的电压范围，可变增益放大电路对其进行二次放大处理，由后级的控制信号将电压信号调整到合适的范围。精密整流电路将负电压进行反相操作，以实现直流正电压的输出，丢失的相位信息由相位检测电路进行保留。

2.2  各单元电路及接口设计

2.2.1  初级电压适配电路

初级电压适配电路如图2所示，该部分电路由电阻分压网络、初级选择电路与电压跟随器组成，信号由端子J1，J2输入，控制信号由V_PC端子输入，VCC采用+5 V供电，运算放大器采用正负5 V双电源供电，最终输出信号由VOut端子输出，该电路可以实现对初级信号的比例选择并且将后级电路与输入信号进行隔离。

该部分电路工作时，当电压输入后，经过信号继电器选择相應的分压电路，并输入后级的电压跟随器，以此实现初级电压适配。信号继电器与普通电磁继电器相比，具有体积小、高可靠性、低功耗、高灵敏度等特点，适合信号控制领域，该设计使用信号继电器控制初级的分压电路选择，同时可以用于耦合方式选择、输入阻抗选择等多种应用场景。

2.2.2  可变增益放大电路

可变增益放大电路如图3所示，可变增益放大电路由模拟开关、电阻分压网络与运算放大器组成，信号由VIn端子输入，量程由地址线A0，A1，A2输入的地址码进行控制，VDD采用+5 V供电，VEE采用-5 V供电，最终输出信号由VOut端子输出，该电路可以实现可变增益的电压信号放大。该电路采用模拟开关芯片进行反馈回路的选择，通过选择电阻分压网络的不同节点，实现了不同比例的电压放大。

模拟开关芯片采用金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOS管）的开关方式实现了对信号链路的关断或者导通，具有低功耗、体积小、速度快、使用寿命长等特点，适合于中间级可变增益放大。[2]常用的模拟开关芯片有ADG408与CD4051，这两款模拟开关芯片均为单一公共端与8路可选通道，对于可变增益放大电路，单路多通道的选择更易于系统的集成化。

2.2.3  精密整流电路

精密整流电路如图4所示，该部分电路由运算放大器作为主体，并采用电阻和二极管构成精密整流电路。信号由VIn端子输入，二极管采用1N4148开关二极管，该二极管具有更高的工作频率，满足电路工作需要，运算放大器采用正负5 V双电源供电，精密整流后的信号由VOut端子输出。

该部分电路的具体工作原理介绍如下：

该部分电路可以视为由电阻R18，R19，开关二极管D2，D3与运算放大器U3A组成的部分电路A与由电阻R17，R20，R21与运算放大器U3B组成的部分电路B组合而成。

电路B为加法电路，取R17左端为输入V1，R20左端为输入V2，R21右端为输出Vo，有Vo=-（V1+2V2）。

电路A取R18左端为输入V1，R19右端为输出Vo，当VIn>0时，二极管D3导通，D2截止。电路作为反向比例放大器工作，其输出为Vo=-V1。

当VIn<0时，二极管D2导通，D3截止，运算放大器作为电压跟随器工作，输出为0。

综上所述，对于整体电路而言，当VIn>0时，输出VOut=VIn，当VIn<0时，输出VOut=-VIn。由此实现了精密整流。相比于全桥整流，精密整流电路克服了由二极管开启电压的存在而产生的交越失真从而保证了小信号处理过程中的信号质量。[3]设计时需要注意的是，在供电电压过小的时候，该电路无法正常工作，该问题与具体的运算放大器以及所使用的二极管参数有关。实测表明，在运算放大器选择LM358P，二极管使用1N4007，供电电压为±2.5 V 时，该电路无法对交流电压负半周进行整流，供电电压为±5 V时，电路工作正常。

2.2.4  相位检测电路

相位检测电路如图5所示，该电路由运算放大器U4A构成的电压跟随电路和运算放大器U4B构成的电压比较电路组成，其中电压跟随电路可以省略。二极管D4采用1N4148开关二极管，该电路部分的核心功能实现部分为运算放大器组成的电压比较器，该部分通过对输入信号与地电位进行比较而检测该输入信号位于正半周抑或是负半周，需要注意的是，由于实际运放的特性，相关门槛电压的与电路损耗的存在，当输入信号小于毫伏级别的时候，该电路将无法正常工作。

2.3  电路整体原理

整体电路如图6所示，为各部分电路按照图1所示系统框图连接而成，电压信号由端子J1，J2输入，经过由地址信號A0，A1，A2及初级控制信号V_PC所组成的量程控制信号进行自动量程控制后，进入精密整流电路与相位检测电路，最终电压波形信号由VOut端子进行输出，相位信号由PhaseOut端子进行输出。

对于整体电路而言，电路增益为初级电压适配电路增益与可变增益放大电路增益的乘积。

3    电路性能分析

对于电路的实际性能，我们通过测试得到一系列的数据进行相关误差分析并找到修正误差的合适方法。

3.1  测试结果

针对该电路工作在不同使用情况下的不同工作状态，笔者分别对其在恒稳直流输入与交流输入条件下的工作情况进行测试，下面是不同输入情况下的电路测试结果。

对于恒稳直流信号的输入，我们主要关注的是其工作增益与相位的输出。

3.1.1  直流输入在不同增益情况下的电压输出

在该项测试中，采用0～500 V电压范围内的不同电压作为输入，分别采用不同的电路电压增益，相应的输出结果如表1所示。表中实际输出电压为实际测试获得的电压输出，由万用表实测获得。理论输出电压为通过将输入电压与电路增益相乘得到的理论输出电压，如表1所示。

该电路的不同挡位分别对应于不同的输入电压范围，图7使用测试中的1/25×8增益档位获得的数据与对应的理论输出作图，由图7可知，实际输出电压与理论输出电压之间保持高度的贴合。该图数据表明在1/25×8档位，相对应的0.5 V～10 V输入电压范围内，该电路具有良好的传输特性。图7为输入电压分别为0.1 V，0.5 V和1 V实际输出电压与理论输出电压用常用对数坐标绘制而成的曲线，可见在电压输入过小时，由于元器件的离散性和运算放大器的静态工作特性，实际输出结果的相对误差较大。

3.1.2  直流输入与各增益情况下的相位输出

在该项测试中，采用0.001～5 V范围内的正反向直流输入电压进行测试，通过观察相位输出，可以判断系统相位检测功能的工作情况。表2中输出相位为通过万用表实测获得的相位输出。理论输出是按照输入电压的极性判断得到。其中，0代表和输入电压同相，1代表和输入电压反相。

由表2可知，当输入电压在10 mV及以上时，该电路的相位检测均产生了正确的输出，在输入电压为-1 mV时，该电路无法正确进行相位检测。结果表明，当输入信号过小时，由于运算放大器的线性特性以及静态工作点等因素，该部分电路无法正常工作。

3.1.3  交流输入与输出

对于交流信号的输入，需要测试电路的增益情况以及相位检测的工作情况。在此使用正弦交流信号作为电路输入，电路的输出仍为输入信号经过电路处理后的幅度与相位输出，在此我们采用测量输出电压与输入电压的峰值判断电路增益情况，对于正弦交流信号输入而言，相位检测电路的输出信号为与输入正弦交流信号同频率的方波信号，因此，通过判断相位检测信号输出频率来判断电路相位检测的工作情况。表3中，输出电压峰值与相位输出频率由Hantek 6022BL虚拟示波器实测获得，频率仅保留整数。

在该项测试中，使用了不同频率与不同峰值的正弦输入电压，通过测试，得出了在各项输入的条件下系统的输出情况。表中输出电压峰值与相位输出频率为示波器实测获得，理论输出频率为输入信号频率，理论输出峰值为输入电压峰值与电路增益相乘获得。

由表3可知，测试中分别采用了峰值为0.278 V，2.78 V，13.8 V的60 Hz交流信号，实际输出的信号峰值与理论输出的相位峰值之间的误差均保持在10 mV以内。当采用14 V 500 Hz，619.1 V 50 Hz和612.8 V 100 Hz的交流信号时，该系统对于不同频率信号的相位检测均保持了正确的输出。综上可知，该电路在传输1 000 Hz及以下的交流信号时，具有良好的性能。

3.2  测试误差分析

本电路系统误差主要由实际电阻元件阻值的离散性、实际运算放大器的特性与分析中的近似导致。实际电阻元件在出厂测试时是基本呈正态分布的。因此在实际使用时，实际的阻值和标定的阻值会有差别。另外，对于支路来说，焊点质量、线路沉铜厚度、电路布线等因素均会使得支路电阻与理想的阻值具有差别。在实际电路中，运算放大器的开环增益并非趋于无穷，因此在分析时的近似计算便与实际情况产生误差。该误差分布在各级电路中，并且由系统的级联而被逐级传递与放大。另外，当增益选择或输入电压过大的时候，过高的输入电压会使得运算放大器进入饱和。当增益或输入电压过小的时候，运算放大器工作在线性区，使得深度负反馈条件被破坏，同样会造成严重的失真，在实验结果中表现为系统在输入信号小于1 mV时无法进行正常工作。而在电路正常工作时，如果正确选择了增益，则系统误差可以通过后级电路处理时引入修正值得到補偿，也可在初级电压适配电路中加入直接耦合支路减少小信号的失真。

4    结语

本文过设计了一款自动量程电压采集电路，使其能够精确地测量直流交流电压并且尽可能保留原信号的完整信息，该电路在实现了电压信号转换的同时，也易于小型化、集成化，且成本较低。通过实际测试，我们可以看到该电路具有良好的系统特性、稳定的系统误差、更小的实现体积，能满足对一般电气量测量电压的采集和转换需求。

[参考文献]

[1]张浩.基于对数放大的水声信号调理电路设计[J].科学技术创新，2018（30）：27-28.

[2]张庆思，白金锋，李福云.消除模拟开关导通电阻影响电路增益的方法[J].自动化与仪表，2014（6）：58-60.

[3]朱文彬，王海燕.小信号精密整流电路设计[J].中小企业管理与科技，2016（9）：176-177.

（编辑 王雪芬）