一款可變增益的電壓信號采集電路設計

江振青 胡振山 呂海燕

摘 要：在現代電氣儀表和傳感器系統中，電壓信號采集電路應用廣泛。文章通過對常用信號處理電路進行整合與改進，設計了一款能夠在保證精度的同時，可以使用低成本元件實現的可變增益的電壓信號采集與變換電路。本設計避免了手動擋位調整，增加了測量的靈活性。采用正負5 V雙電源供電，具有寬電壓輸入、高輸入阻抗、低輸出阻抗、增益可調、低功耗和小型化的特點。該電路輸出信號完整保留了輸入信號的信息，便于后級電路進行信號處理。

關鍵詞：電氣儀表;電壓采集;自動增益控制;精密整流電路

0? ? 引言

使用電子系統進行處理的各項輸入量，無論是電氣量還是非電量，絕大多數最終轉換為電壓信號進行處理。在現代電子設備中，使用模數轉換器（ADC）將模擬量轉換為數字量進行處理已經成為趨勢，在ADC進行采集的過程中，需要實現采集量和ADC輸入之間的信號匹配。[1]由此可見，信號調理電路與信號匹配電路對于現代自動化測量而言具有重要的作用。本文采用運算放大器LM358P與模擬開關CD4051B等元器件設計了一款可變增益的電壓信號采集電路，能夠為一般的電氣量測試提供可靠的電壓信號采集轉換能力，該電路具有低成本、高可靠性、高準確性的特點，可供數字萬用表、傳感器采集網絡等作為信號調理電路使用。相對于市面上常見的信號調理電路，其往往針對某一特定使用場景而在設計中限定電壓范圍，無法應用于更多的使用場景，有些場景采用了專門的集成電路芯片進行實現，在實現時容易遇到采購困難等問題。針對以上問題，該電路采用常見的電子元器件進行實現，易于采購，且允許寬電壓輸入。

1? ? 系統設計方案

該電路旨在提供電壓信號采集與轉換，由初級電壓適配、可變增益放大、精密整流和相位檢測4個部分構成。

1.1? 初級電壓適配

電壓采集使用傳統的電阻串聯分壓方式構成分壓電路網絡實現初級電壓適配，并且決定整個系統的輸入電阻。寬電壓輸入采用多路分壓的方式，由信號繼電器實現不同增益的選擇，該設計旨在選擇合適的分壓比以降低測量誤差。對100～1 000 V的高壓測量，選擇250∶1的分壓比以適配初級電壓跟隨器的輸入，對于0～100 V的低壓測量，則選擇25∶1的分壓比。分壓后的電壓信號傳入電壓跟隨器。

1.2? 可變增益放大

經過初級分壓后的信號，進入可變增益放大電路，該電路由運算放大器與模擬開關共同構成的同相放大電路實現。該部分電路主要對經過初級衰減后的電壓信號進行放大，以充分發揮ADC的測量能力。

1.3? 精密整流

單電源供電的ADC無法進行負電壓的轉換，因此將負電壓轉換為正電壓是需要的，無論是對直流負電壓還是交流電壓的負半周，均使用精密整流電路進行整流。精密整流電路可以對電壓小信號進行全波整流，克服了全橋整流存在的信號失真。

1.4? 相位檢測

精密整流后的電壓信號丟失了原本信號的相位信息。因此在進行精密整流前進行電壓相位的檢測是必要的。該部分電路使用運算放大器構成電壓比較器將可變增益放大電路的輸出與零電位進行比較，并且將比較結果以數字量進行輸出，由此保留了原本信號的相位信息。

2? ? 硬件電路設計

2.1? 系統設計

系統設計如圖1所示。輸入的電壓信號經過該系統后，處理為直流電壓信號和相位信號進行輸出，輸出端可以接單片機抑或是ADC芯片與現場可編程門陣列（FPGA）的組合等方案，也可以接傳統的電氣儀表。輸入的電壓經過初級電壓適配調整到能夠被運算放大器接受的電壓范圍，可變增益放大電路對其進行二次放大處理，由后級的控制信號將電壓信號調整到合適的范圍。精密整流電路將負電壓進行反相操作，以實現直流正電壓的輸出，丟失的相位信息由相位檢測電路進行保留。

2.2? 各單元電路及接口設計

2.2.1? 初級電壓適配電路

初級電壓適配電路如圖2所示，該部分電路由電阻分壓網絡、初級選擇電路與電壓跟隨器組成，信號由端子J1，J2輸入，控制信號由V_PC端子輸入，VCC采用+5 V供電，運算放大器采用正負5 V雙電源供電，最終輸出信號由VOut端子輸出，該電路可以實現對初級信號的比例選擇并且將后級電路與輸入信號進行隔離。

該部分電路工作時，當電壓輸入后，經過信號繼電器選擇相應的分壓電路，并輸入后級的電壓跟隨器，以此實現初級電壓適配。信號繼電器與普通電磁繼電器相比，具有體積小、高可靠性、低功耗、高靈敏度等特點，適合信號控制領域，該設計使用信號繼電器控制初級的分壓電路選擇，同時可以用于耦合方式選擇、輸入阻抗選擇等多種應用場景。

2.2.2? 可變增益放大電路

可變增益放大電路如圖3所示，可變增益放大電路由模擬開關、電阻分壓網絡與運算放大器組成，信號由VIn端子輸入，量程由地址線A0，A1，A2輸入的地址碼進行控制，VDD采用+5 V供電，VEE采用-5 V供電，最終輸出信號由VOut端子輸出，該電路可以實現可變增益的電壓信號放大。該電路采用模擬開關芯片進行反饋回路的選擇，通過選擇電阻分壓網絡的不同節點，實現了不同比例的電壓放大。

模擬開關芯片采用金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOS管）的開關方式實現了對信號鏈路的關斷或者導通，具有低功耗、體積小、速度快、使用壽命長等特點，適合于中間級可變增益放大。[2]常用的模擬開關芯片有ADG408與CD4051，這兩款模擬開關芯片均為單一公共端與8路可選通道，對于可變增益放大電路，單路多通道的選擇更易于系統的集成化。

2.2.3? 精密整流電路

精密整流電路如圖4所示，該部分電路由運算放大器作為主體，并采用電阻和二極管構成精密整流電路。信號由VIn端子輸入，二極管采用1N4148開關二極管，該二極管具有更高的工作頻率，滿足電路工作需要，運算放大器采用正負5 V雙電源供電，精密整流后的信號由VOut端子輸出。

該部分電路的具體工作原理介紹如下：

該部分電路可以視為由電阻R18，R19，開關二極管D2，D3與運算放大器U3A組成的部分電路A與由電阻R17，R20，R21與運算放大器U3B組成的部分電路B組合而成。

電路B為加法電路，取R17左端為輸入V1，R20左端為輸入V2，R21右端為輸出Vo，有Vo=-（V1+2V2）。

電路A取R18左端為輸入V1，R19右端為輸出Vo，當VIn>0時，二極管D3導通，D2截止。電路作為反向比例放大器工作，其輸出為Vo=-V1。

當VIn<0時，二極管D2導通，D3截止，運算放大器作為電壓跟隨器工作，輸出為0。

綜上所述，對于整體電路而言，當VIn>0時，輸出VOut=VIn，當VIn<0時，輸出VOut=-VIn。由此實現了精密整流。相比于全橋整流，精密整流電路克服了由二極管開啟電壓的存在而產生的交越失真從而保證了小信號處理過程中的信號質量。[3]設計時需要注意的是，在供電電壓過小的時候，該電路無法正常工作，該問題與具體的運算放大器以及所使用的二極管參數有關。實測表明，在運算放大器選擇LM358P，二極管使用1N4007，供電電壓為±2.5 V 時，該電路無法對交流電壓負半周進行整流，供電電壓為±5 V時，電路工作正常。

2.2.4? 相位檢測電路

相位檢測電路如圖5所示，該電路由運算放大器U4A構成的電壓跟隨電路和運算放大器U4B構成的電壓比較電路組成，其中電壓跟隨電路可以省略。二極管D4采用1N4148開關二極管，該電路部分的核心功能實現部分為運算放大器組成的電壓比較器，該部分通過對輸入信號與地電位進行比較而檢測該輸入信號位于正半周抑或是負半周，需要注意的是，由于實際運放的特性，相關門檻電壓的與電路損耗的存在，當輸入信號小于毫伏級別的時候，該電路將無法正常工作。

2.3? 電路整體原理

整體電路如圖6所示，為各部分電路按照圖1所示系統框圖連接而成，電壓信號由端子J1，J2輸入，經過由地址信號A0，A1，A2及初級控制信號V_PC所組成的量程控制信號進行自動量程控制后，進入精密整流電路與相位檢測電路，最終電壓波形信號由VOut端子進行輸出，相位信號由PhaseOut端子進行輸出。

對于整體電路而言，電路增益為初級電壓適配電路增益與可變增益放大電路增益的乘積。

3? ? 電路性能分析

對于電路的實際性能，我們通過測試得到一系列的數據進行相關誤差分析并找到修正誤差的合適方法。

3.1? 測試結果

針對該電路工作在不同使用情況下的不同工作狀態，筆者分別對其在恒穩直流輸入與交流輸入條件下的工作情況進行測試，下面是不同輸入情況下的電路測試結果。

對于恒穩直流信號的輸入，我們主要關注的是其工作增益與相位的輸出。

3.1.1? 直流輸入在不同增益情況下的電壓輸出

在該項測試中，采用0～500 V電壓范圍內的不同電壓作為輸入，分別采用不同的電路電壓增益，相應的輸出結果如表1所示。表中實際輸出電壓為實際測試獲得的電壓輸出，由萬用表實測獲得。理論輸出電壓為通過將輸入電壓與電路增益相乘得到的理論輸出電壓，如表1所示。

該電路的不同擋位分別對應于不同的輸入電壓范圍，圖7使用測試中的1/25×8增益檔位獲得的數據與對應的理論輸出作圖，由圖7可知，實際輸出電壓與理論輸出電壓之間保持高度的貼合。該圖數據表明在1/25×8檔位，相對應的0.5 V～10 V輸入電壓范圍內，該電路具有良好的傳輸特性。圖7為輸入電壓分別為0.1 V，0.5 V和1 V實際輸出電壓與理論輸出電壓用常用對數坐標繪制而成的曲線，可見在電壓輸入過小時，由于元器件的離散性和運算放大器的靜態工作特性，實際輸出結果的相對誤差較大。

3.1.2? 直流輸入與各增益情況下的相位輸出

在該項測試中，采用0.001～5 V范圍內的正反向直流輸入電壓進行測試，通過觀察相位輸出，可以判斷系統相位檢測功能的工作情況。表2中輸出相位為通過萬用表實測獲得的相位輸出。理論輸出是按照輸入電壓的極性判斷得到。其中，0代表和輸入電壓同相，1代表和輸入電壓反相。

由表2可知，當輸入電壓在10 mV及以上時，該電路的相位檢測均產生了正確的輸出，在輸入電壓為-1 mV時，該電路無法正確進行相位檢測。結果表明，當輸入信號過小時，由于運算放大器的線性特性以及靜態工作點等因素，該部分電路無法正常工作。

3.1.3? 交流輸入與輸出

對于交流信號的輸入，需要測試電路的增益情況以及相位檢測的工作情況。在此使用正弦交流信號作為電路輸入，電路的輸出仍為輸入信號經過電路處理后的幅度與相位輸出，在此我們采用測量輸出電壓與輸入電壓的峰值判斷電路增益情況，對于正弦交流信號輸入而言，相位檢測電路的輸出信號為與輸入正弦交流信號同頻率的方波信號，因此，通過判斷相位檢測信號輸出頻率來判斷電路相位檢測的工作情況。表3中，輸出電壓峰值與相位輸出頻率由Hantek 6022BL虛擬示波器實測獲得，頻率僅保留整數。

在該項測試中，使用了不同頻率與不同峰值的正弦輸入電壓，通過測試，得出了在各項輸入的條件下系統的輸出情況。表中輸出電壓峰值與相位輸出頻率為示波器實測獲得，理論輸出頻率為輸入信號頻率，理論輸出峰值為輸入電壓峰值與電路增益相乘獲得。

由表3可知，測試中分別采用了峰值為0.278 V，2.78 V，13.8 V的60 Hz交流信號，實際輸出的信號峰值與理論輸出的相位峰值之間的誤差均保持在10 mV以內。當采用14 V 500 Hz，619.1 V 50 Hz和612.8 V 100 Hz的交流信號時，該系統對于不同頻率信號的相位檢測均保持了正確的輸出。綜上可知，該電路在傳輸1 000 Hz及以下的交流信號時，具有良好的性能。

3.2? 測試誤差分析

本電路系統誤差主要由實際電阻元件阻值的離散性、實際運算放大器的特性與分析中的近似導致。實際電阻元件在出廠測試時是基本呈正態分布的。因此在實際使用時，實際的阻值和標定的阻值會有差別。另外，對于支路來說，焊點質量、線路沉銅厚度、電路布線等因素均會使得支路電阻與理想的阻值具有差別。在實際電路中，運算放大器的開環增益并非趨于無窮，因此在分析時的近似計算便與實際情況產生誤差。該誤差分布在各級電路中，并且由系統的級聯而被逐級傳遞與放大。另外，當增益選擇或輸入電壓過大的時候，過高的輸入電壓會使得運算放大器進入飽和。當增益或輸入電壓過小的時候，運算放大器工作在線性區，使得深度負反饋條件被破壞，同樣會造成嚴重的失真，在實驗結果中表現為系統在輸入信號小于1 mV時無法進行正常工作。而在電路正常工作時，如果正確選擇了增益，則系統誤差可以通過后級電路處理時引入修正值得到補償，也可在初級電壓適配電路中加入直接耦合支路減少小信號的失真。

4? ? 結語

本文過設計了一款自動量程電壓采集電路，使其能夠精確地測量直流交流電壓并且盡可能保留原信號的完整信息，該電路在實現了電壓信號轉換的同時，也易于小型化、集成化，且成本較低。通過實際測試，我們可以看到該電路具有良好的系統特性、穩定的系統誤差、更小的實現體積，能滿足對一般電氣量測量電壓的采集和轉換需求。

[參考文獻]

[1]張浩.基于對數放大的水聲信號調理電路設計[J].科學技術創新，2018（30）：27-28.

[2]張慶思，白金鋒，李福云.消除模擬開關導通電阻影響電路增益的方法[J].自動化與儀表，2014（6）：58-60.

[3]朱文彬，王海燕.小信號精密整流電路設計[J].中小企業管理與科技，2016（9）：176-177.

（編輯 王雪芬）