CN214707677U - 基于运算放大器的模拟信号调理电路及仪表仿真系统 - Google Patents

Abstract

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于运算放大器的模拟信号调理电路及仪表仿真系统，包括：差分运放模块、隔离模块、调整模块；其中，差分运放模块与信号端连接，用于对所述信号进行放大；隔离模块设置在所述差分运放模块的输出端，用于电气隔离；调整模块设置在差分运放模块的输出端，用于将所述信号通过所述差分运放模块进行成比例地缩小或成比例地放大。本实用新型所述的电路，能够消弱测量电信号中的直流量，在得到相应的电信号变化量后，将所述电信号中变化的电信号放大，实现精确测量；本实用新型所述的电路构成简单，可靠性强。

Description

基于运算放大器的模拟信号调理电路及仪表仿真系统

技术领域

本实用新型涉及信号调制领域，特别是一种基于运算放大器的模拟信号调理电路及仪表仿真系统。

背景技术

随着科技的发展，传感器已经有了长足的发展，并在各个领域广泛地运用。而大多数的传感器是将被测量转化为模拟量输出，比如有一部分传感器通过将测量值转化成于此成比例的电压输出，而有的传感器为了提高传输的距离，同时保证信号的抗干扰能力，采用电流作为传输的信号，在接收端再将电流信号经过电流电压调理电路转化成为电压信号。为了将传感器测量的数据转化成处理器能够识别的信号，各种AD转化也得到了长足的发展，例如多数的处理芯片集成了一路或多路的ADC模块。但是由于不同的ADC或处理器能够接收到的模拟信号电压峰值不同，无法直接将传感器测量的模拟信号直接送到ADC转化器或带有ADC的处理器。与此同时，有些传感器的量程相对比较大，而要测量的变量在很小的范围发生变化，致使传感器输出的电信号在很小的范围内变化，使测量的精度降低。为此就需要一种能够不失真且成比例地改变模拟信号的峰值的调理装置，将不兼容ADC量程的信号进行合理地调整。

现有的，通常采用串联电阻分压将电压信号按照一定的比例减小；采用放大电路将电压电流信号成比例地放大。但是，采用以上两种电路有一定的局限，即只能将电信号缩小或者放大，不能同时兼具成比例地缩小或放大有用的测量信号。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于运算放大器的模拟信号调理电路及仪表仿真系统，用于解决前述技术问题中的至少一个。

具体地，其技术方案如下：

一种基于运算放大器的模拟信号调理电路，包括：

差分运放模块，与信号端连接，用于对所述信号进行放大；

隔离模块，设置在所述差分运放模块的输出端，用于电气隔离；

调整模块，设置在差分运放模块的输出端，用于将所述信号通过所述差分运放模块进行成比例地缩小或成比例地放大。

所述调整模块，包括：

电压跟随电路；

可调分压电路，设置在所述电压跟随电路的输入端；

所述电压跟随电路的输出端与所述差分运放模块的输入端连接，并与所述信号端并联。

所述可调分压电路，包括：

第一电阻；

第二电阻，与所述第一电阻串联；

所述电压跟随电路的输入端设置在所述第一电阻与所述第二电阻之间；

所述第二电阻为滑动变阻器。

所述差分运放模块，包括：

第二处理器；

第三电阻，与所述第二处理器的反相输入端连接；

第四电阻，与所述第二处理器的同相输入端连接；

第五电阻，设置在所述第二处理器的反相输入端与所述第二处理器的输出端之间；

第六传感器，设置在所述第四电阻与所述第二处理器的同相输入端之间，与所述信号端连接。

所述第二处理器同相输入端的输入电阻等于所述第二处理器反相输入端的输入电阻。

所述隔离模块，包括：光电隔离单元；

所述光电隔离单元设置在所述差分运放模块的输出端，用于光电隔离。

一种仪表仿真系统，包括：

如上所述的模拟信号调理电路；

第一仪表，设置在所述调整模块的输出端，用于采集所述调整模块的输出电压；

第二仪表，设置在所述差分运放模块的输入端，用于提供信号源；

第三仪表，设置在所述差分运放模块的输出端，用于采集所述差分运放模块输出端的信号波形；

第四仪表，设置在所述隔离模块的被隔离端，用于采集所述隔离模块隔离后的信号波形。

本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型所述的电路，能够消弱测量电信号中的直流量，在得到相应的电信号变化量后，将所述电信号中变化的电信号放大，实现精确测量；本实用新型所述的电路构成简单，可靠性强。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型所述电路的原理图。

图2为本实用新型的具体实施例。

具体实施方式

现有技术中采用电阻分压电路，虽然能够成比例地减小电压信号，但是并不能很精确地得到微小变化电压信号的变化量，测量精度有限。例如，如果传感器测量所测量的外界信号变化非常微小，则传感器经过变化后输出的电信号变化量也是小的，对于短时间或相对稳定的环境测量不利于得到精确的数据，此时传感器测量的外界信号变化范围远小于量程范围，或者现有的传感器量程较大而无更小的量程。

为了解决上述问题及背景技术中提到的技术缺陷，本实用新型的核心思想是：为了能够将一定测量范围的数据精细化，同时将信号转化成ADC与处理器能够忍受的范围内，可以将“串联电阻分压和放大电路”两种电路的优势进行结合形成一种新的信号处理方案，也就是将传感器传输的大信号适当成比例地缩小，将变化的小信号成比例地放大。

为了将以上的两种方案进行融合，可以通过电压信号的运算来实现中间的过度，同时使用隔离运算来实现末端的放大，这样做既可以将较大的信号成比例地缩小或放大，同时也确保输入处理单元的电压一定在允许输入范围之内。

具体的，如图1，一种基于运算放大器的模拟信号调理电路，包括：差分运放模块、隔离模块、调整模块；其中，差分运放模块与信号端连接，用于对所述信号进行放大；隔离模块设置在所述差分运放模块的输出端，用于电气隔离；调整模块设置在差分运放模块的输出端，用于将所述信号通过所述差分运放模块进行成比例地缩小或成比例地放大。

所述调整模块，包括：电压跟随电路和可调分压电路；其中，可调分压电路设置在所述电压跟随电路的输入端；所述电压跟随电路的输出端与所述差分运放模块的输入端连接，并与所述信号端并联。

所述差分运放模块，包括：第二处理器U2A、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5以及第六传感器R6；其中，第三电阻R3与所述第二处理器U2A的反相输入端连接；第四电阻R4与所述第二处理器U2A的同相输入端连接；第五电阻R5设置在所述第二处理器U2A的反相输入端与所述第二处理器U2A的输出端之间；第六传感器R6设置在所述第四电阻R4与所述第二处理器U2A的同相输入端之间，与所述信号端连接。优选的，所述第二处理器U2A同相输入端的输入电阻等于所述第二处理器U2A反相输入端的输入电阻。

在图1中，第一电阻R1、第二电阻R2构成分压电路，VCC为传感器输入的电压或者电流信号，系统使用的电压为12V或其他电压，通过使用滑动变阻器可以调节输入到运算电路的电压值。

输入的电压值U1为：U1＝VCC*R2/R1+R2

两个电阻消耗的功率P1、P2分别为：

P1＝VCC*R1/(R1+R2)

P2＝VCC*R2/(R1+R2)

为了使电位器两端在并联上运算电路后的电压保持不变或者发生微小的变化，增加一个第一处理器U1A，形成电压跟随器，目的是输入的电阻尽可能地趋于无穷大，减少运算电路吸收的电流。

输入的电压U2和输出的电压U3为：U3＝U2＝U1；

运算电路通过将输入的电压U3和一定频率的信号U4进行叠加，用来模仿传感器变化的电压信号，同时便于后面对隔离放大器进行调整，使之工作在放大区。然后与固定的电压VDD相减得到幅值较小的波动信号，作为隔离放大器的输入信号；优选的，隔离放大器采用光电隔离器件。

运算电路输出的电压信号U5为：U5＝U3+U4-VDD。

如果外界输入的电压信号比较小时，可以增大第二电阻R2的电阻使信号能够尽可能大地输入到该电路中，同时通过差分运放模块的同相输入端给输入的电压信号增加适当的直流分量，保证隔离放大器能够工作在放大区，并在输入信号之前适当调节隔离放大器的放大倍数，使电压处理模块能够得到更大范围内的变化电压，进而实现更加准确的测量值。如果输入的电压信号波动范围比较大，可以通过减小第二电阻R2的电阻来削弱进入电路的幅值，实现电压信号缩小版的测量。如果外界的环境处于相对的恒定值，处于传感器量程的某一位置时，此时输入的信号含有的直流成分较大，可以增加VDD的电压值，并使隔离运算放大器的放大倍数尽可能大，来实现减小运算电路中直流成分的同时还能增加传感器的精确性。

为了保证差分运放模块的对称性，这里要求同相输入端的输入电阻等于反相输入端的输入电阻，既R4//R6＝R5//R3。

本实用新型中差分运放模块的输入端采用电位器来代替固定电阻，通过阻值的改变来适应不同的输入信号，输出端的电压变化与输入信号的变化趋势相同，方便后面的处理转化。

一种仪表仿真系统，包括：如上所述的模拟信号调理电路、第一仪表1、第二仪表2、第三仪表3以及第四仪表4；其中，第一仪表1设置在所述调整模块的输出端，用于采集所述调整模块的输出电压；第二仪表2设置在所述差分运放模块的输入端，用于提供信号源；第三仪表3设置在所述差分运放模块的输出端，用于采集所述差分运放模块输出端的信号波形；第四仪表4设置在所述隔离模块的被隔离端，用于采集所述隔离模块隔离后的信号波形。

优选的，第一仪表1为电压表；第二仪表为信号源；第三仪表为第一示波器；第四仪表为第二示波器。

具体实施例I，根据图1所述的原理图进行电路搭建，得到图2的电路图。

如图2，所述的电路，包括：LM358芯片、第一接口J1、第二接口J2、第三接口J3、以及第一电位器VR1、第二电位器VR2、第三电位器VR3、第四电位器VR4以及第五电位器VR5；

其中，LM358芯片的第三管脚与第一电位器VR1的可调端连接；LM358芯片的第三管脚还连接第二接口J2的第三引脚；第二接口J2的第二引脚和第一引脚别连接在第一电位器VR1的两端；LM358的第四管脚与第二接口J2的第一引脚连接；

LM358的第五管脚连接第五电位器VR5的可调端；第五电位器的两端连接在12V电源与地之间；

LM358的第六管脚连接第四电位器VR4的可调端；第四电位器的两端连接在12V电源与地之间；

LM358的第七管脚与第一接口J1的第一引脚连接；LM358的第八管脚与12V电源连接；

第一接口J1的第二引脚连接光耦OC1的第一管脚；光耦OC1的第二管脚连接第二电位器VR2的一端；第二电位器VR2的另一端接地；

光耦OC1的第三管脚连接第三接口J3的第二引脚，且在其二者之间连接第三电位器VR3的一端；第三电位器VR3的另一端接地并与第三电位器VR3的可调端连接；需要说明的是：这里使用ADC为处理器内置的资源，假定处理器的I/O口允许输入的最大电压为3.3V，当然也可以根据实际情况选择合适的电压源。

在使用如图2的具体电路进行调试时，并将第一电位器VR1滑动到接地的那一端，然后调节第五电位器VR5，使后面的LM358芯片U1中的隔离放大器处于合适的静态工作点上，此时取下第一接口J1的短接片测量输入端的电压。

其次，应当取下第二接口J2的短接片，并将第一接口J1的短接片短接，信号发生器的输入端接至第二接口J2的第三个引脚上，示波器的两个输入端分别接到第一接口J1的一个引脚和第三接口J3的第二个引脚上；调整信号发生器的频率使之与信号源的最大频率相同，并使信号发生器的幅值调整到上述隔离放大器最大不失真时的幅度；此时记录下输入隔离放大器的输入电压信号的幅值和输出电压信号的幅值，得出放大倍数。

然后，去掉第一接口J1的短接片，并在第一接口J1的输入端的第一个引脚连接上示波器，将第二接口J2的第二个引脚接入信号源的正极，第一个引脚接入信号源的负极；将第一电位器VR1的输入电阻调节到最大，使输入的电压信号完全进入该模块；此时输入的信号源应是在所测量环境中能够达到得到最坏的区间内变化；然后，调节第四电位器VR4用来减少信号源上的直流分量，在直流分量降至最低时，调节第一电位器VR1，使输入信号的波形和调试时的波形一致，最后根据电路的各个环节测算出待测信号的真实值。

通过本实施例所述的电路，能够实现消弱测量信号中的直流量，将信号中变化的电信号放大，实现精确测量；而且该电路中带有隔离放大器，即使该电路在意外的状况下损坏也不会对电压测量原件造成损坏。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本实用新型序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施场景，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于运算放大器的模拟信号调理电路，其特征在于，包括：

差分运放模块，与信号端连接，用于对所述信号进行放大；

隔离模块，设置在所述差分运放模块的输出端，用于电气隔离；

调整模块，设置在差分运放模块的输出端，用于将所述信号通过所述差分运放模块进行成比例地缩小或成比例地放大。

2.根据权利要求1所述的一种基于运算放大器的模拟信号调理电路，其特征在于，所述调整模块，包括：

电压跟随电路；

可调分压电路，设置在所述电压跟随电路的输入端；

所述电压跟随电路的输出端与所述差分运放模块的输入端连接，并与所述信号端并联。

3.根据权利要求2所述的一种基于运算放大器的模拟信号调理电路，其特征在于，所述可调分压电路，包括：

第一电阻；

第二电阻，与所述第一电阻串联；

所述电压跟随电路的输入端设置在所述第一电阻与所述第二电阻之间；

所述第二电阻为滑动变阻器。

4.根据权利要求1所述的一种基于运算放大器的模拟信号调理电路，其特征在于，所述差分运放模块，包括：

第二处理器；

第三电阻，与所述第二处理器的反相输入端连接；

第四电阻，与所述第二处理器的同相输入端连接；

第五电阻，设置在所述第二处理器的反相输入端与所述第二处理器的输出端之间；

第六传感器，设置在所述第四电阻与所述第二处理器的同相输入端之间，与所述信号端连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于运算放大器的模拟信号调理电路，其特征在于：

所述第二处理器同相输入端的输入电阻等于所述第二处理器反相输入端的输入电阻。

6.根据权利要求1所述的一种基于运算放大器的模拟信号调理电路，其特征在于，所述隔离模块，包括：光电隔离单元；

所述光电隔离单元设置在所述差分运放模块的输出端。

7.一种仪表仿真系统，其特征在于，包括：

如权利要求1～6所述的模拟信号调理电路；

第一仪表，设置在所述调整模块的输出端，用于采集所述调整模块的输出电压；

第二仪表，设置在所述差分运放模块的输入端，用于提供信号源；

第三仪表，设置在所述差分运放模块的输出端，用于采集所述差分运放模块输出端的信号波形；

第四仪表，设置在所述隔离模块的被隔离端，用于采集所述隔离模块隔离后的信号波形。

Images