專利名稱：蓄電池電壓與阻抗測量電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
因為在應(yīng)急發(fā)電機(jī)構(gòu)或通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)電機(jī)構(gòu)中將蓄電池大量用于固定應(yīng)用，所以有效維護(hù)這些電池是非常重要的。現(xiàn)在已經(jīng)有商業(yè)化的儀器和診斷系統(tǒng)，它們通過測量電池電壓和內(nèi)部阻抗作為診斷電池老化程度(健康狀況)的方法。為了了解諸如蓄電池等對象的老化狀況(其內(nèi)阻抗會根據(jù)老化程度而增大)，常用方法是將恒定交流電流Is輸入到諸如蓄電池等對象的兩端，然后測量由于阻抗而產(chǎn)生的電壓(VIs′)(下文稱為阻抗電壓)，從而測得內(nèi)阻抗并診斷其健康狀況。
如圖1所示，蓄電池的內(nèi)阻抗值非常小，所以通常使用交流四端網(wǎng)絡(luò)方法，以將測量導(dǎo)線阻抗或插頭接觸阻抗的影響降至最低。通過恒定電流源電路中的電源端向諸如蓄電池等對象的兩端輸入恒定交流電流Is，從測量端測得由于上述恒定電流Is在兩端產(chǎn)生的內(nèi)阻抗(VIs′)。
背景技術(shù)：
對于大容量電池，電池中的內(nèi)阻抗非常小，通常為1毫歐或更小。同樣，電池內(nèi)電阻產(chǎn)生的電壓(Vdc)也是數(shù)毫伏的小信號。與1.0-15伏的電池外部電壓相比，此電壓非常小(數(shù)千分之一)，而且它與周圍環(huán)境中的大量電磁波噪聲混合在一起。因此，有必要通過諸如所公開的帶通濾波器(旨在適當(dāng)放大信號)等去噪電路的最優(yōu)設(shè)計適當(dāng)?shù)貙⒋诵盘枏碾姵仉妷?Vdc)中分離出來，去除信號中的噪聲，將準(zhǔn)確、高分辨率的阻抗電壓信號輸入到主處理單元(MPU)中的A/D轉(zhuǎn)換單元。
此外，在將上述信號連接到測量電路輸入端的四端網(wǎng)絡(luò)電路中存在保護(hù)熔絲電阻、連接導(dǎo)線電阻和寄生阻抗分量，在測量電路中同樣也有寄生阻抗值。因此，在測量電池中由內(nèi)阻抗產(chǎn)生的電壓時，由于內(nèi)阻抗值是非常弱的信號，所以需要提出一種方法，其設(shè)計成能降低寄生阻抗的影響，例如由于四端網(wǎng)絡(luò)和測量電路的接觸電阻以及電纜線路的阻抗所產(chǎn)生的電壓降。
這里介紹的方法使用一種高共模電壓差動放大器，不僅用于擴(kuò)大電池電壓的測量范圍和提高準(zhǔn)確測量的分辨率，而且還用于將電池電壓中直流分量所包含的阻抗電壓耦合到耦合電容器，然后通過帶通濾波器濾除噪聲，使信號具有很高的準(zhǔn)確性和分辨率，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將此信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對其進(jìn)行計算以獲得阻抗值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種電路，其提供了一種測量蓄電池直流(DC)電壓(Vdc)和阻抗電壓(VIs′)的方法，具體做法是將信號電壓(VIs)(其包含由蓄電池內(nèi)阻抗所產(chǎn)生的小交流(AC)阻抗電壓，其通過四端網(wǎng)絡(luò)電路輸入)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾娖?，并使微處理器單?CPU)對其進(jìn)行計算。此外，本發(fā)明特別利用高輸入共模電壓差動放大器使蓄電池和測量電路之間的阻抗最大化，從而更好地隔離這兩個電路。本發(fā)明包括帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和CPU電路，其準(zhǔn)確測量由蓄電池的內(nèi)阻抗產(chǎn)生的阻抗電壓(VIs′)和蓄電池的直流(DC)電壓(Vdc)。
但是，如圖2所示，通常將差動放大器(1A)輸入端中的分壓電路電阻R1和R2用于測量1.0～15V的電池電壓，其中蓄電池外部電壓(VIs)被分壓為大約一半.降低至0.5～7.5V，并被輸入到上述差動放大器(1A)中。上述差動放大器(1A)的輸出信號依次通過緩沖電路、在A/D轉(zhuǎn)換器中被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后輸入到CPU以計算電池的直流(DC)電壓(Vdc)。另外，由于蓄電池內(nèi)阻抗所產(chǎn)生的阻抗電壓(VIs′)是一個非常小的信號，所以采用以下方式利用此電路對其進(jìn)行測量。沒有為了進(jìn)行測量而對蓄電池的電壓信號(VIs)進(jìn)行分壓。通過由電阻Rs和Rd以及電容器Cs組成的直流耦合電路來直接耦合上述電壓信號(VIs)中的直流分量，以僅獲得阻抗電壓信號(VIs′)，將此信號輸入到另一個分離差動放大器(1B)，以通過帶通濾波器電路和緩沖器電路來消除噪聲，然后將此信號輸入到微控制器單元(MCU)中的A/D轉(zhuǎn)換器。
但是，如果蓄電池的直流電壓和蓄電池的內(nèi)阻抗所產(chǎn)生的阻抗電壓(VIs′)被分壓器電阻R1和R2分壓，并同傳統(tǒng)方法中一樣連接到差動放大器(1A)，則分壓器電阻R1和R2在電池電壓(VIs)的直流電壓(Vdc)中引入了大量噪聲。因此，當(dāng)在微控制器單元(MCU)中進(jìn)行測量時，測量準(zhǔn)確性下降。而且當(dāng)測量電纜(四端網(wǎng)絡(luò))很長時，在蓄電池和分壓器電阻器R1和R2之間包含閉合電路，上述分壓器電阻器R1和R2沿測量電線有載荷，其中有電流通過。在測量電池電壓時，由于電纜導(dǎo)線的電阻而使電壓下降，從而產(chǎn)生測量誤差，所以在這種測量中不可能獲得準(zhǔn)確值。
此外，由電容器Cs和電阻Rs和Rd組成的直流耦合電路用于差動放大器(1B)的輸入端，以獲得交流電的阻抗電壓信號(VIs′)，其中蓄電池的電流通過測量電纜流經(jīng)與電池和放大電阻Rd串聯(lián)的電容器Cs，由于電纜導(dǎo)線中的電阻使電壓大幅降低，從而不可能通過傳統(tǒng)或現(xiàn)有的方法獲得準(zhǔn)確的測量值。
本發(fā)明旨在解決這些問題。為了解決這些問題，本發(fā)明沒有像傳統(tǒng)方法中那樣在差動放大器(1)的輸入端中使用分壓電路和直流耦合電路，以將包括阻抗電壓(VIs′)的電池電壓信號(VIs)提供給微控制器單元(MCU)的輸入端電路，而是直接將包括阻抗電壓(VIs′)的0～16V電池電壓(VIs)直接連接到上述差動放大器(1)的輸入端，并正確分離電池的直流電壓(Vdc)和阻抗電壓信號，以提供一種優(yōu)化帶通濾波器來去除噪聲。此外，本發(fā)明使用一種適當(dāng)?shù)腁/D轉(zhuǎn)換器電路及其外圍電路，以產(chǎn)生所期望的分辨率。這種簡潔的方法確保了測量具有更高的準(zhǔn)確性。
即使電池外部電壓處于1～21V范圍內(nèi)，本發(fā)明也通過在高輸入共模電壓差動放大器的偏置端施加一個適當(dāng)負(fù)電平(-)的固定電壓來將信號變換為微控制器單元(MCU)的最大允許電壓，從而將分辨率提供到12比特以上，通過將直流耦合電路放置在差動放大器(1)的輸出端之后，使得有可能測量微小的阻抗電壓信號(VIs′)，因此可以將來自四端網(wǎng)絡(luò)輸出級的測量電路的輸入阻抗最大化，以減少由于確定阻抗所產(chǎn)生的測量誤差。
另外，本發(fā)明不僅有可能通過使用一個不受測量電路影響的高輸入共模電壓差動放大器來準(zhǔn)確測量蓄電池電壓(Vdc)和阻抗電壓(VIs′)，還有可能通過電容器耦合增加到電池電壓直流分量上的阻抗電壓，從而由合適的A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生準(zhǔn)確的高分辨率信號。這樣可以通過適當(dāng)設(shè)計的帶通濾波器(BNP)有效地排除噪聲信號對計算的影響，因此有可能獲得阻抗電壓(VIs)的真實值。作為另一個實施例，本發(fā)明公開了一種方法，其使用內(nèi)嵌于微控制器單元(MCU)中的A/D轉(zhuǎn)換器來實際此功能。


圖1是用于測量蓄電池電壓和內(nèi)阻抗的原理圖。
圖2是用于測量蓄電池電壓和內(nèi)阻抗的傳統(tǒng)電路。
圖3是本發(fā)明的蓄電池電壓和內(nèi)阻抗電壓的方框圖。
圖4是本發(fā)明一個實施例的電路結(jié)構(gòu)。
圖5是本發(fā)明另一個實施例的電路結(jié)構(gòu)。
圖6是本發(fā)明的一個實施例的分壓器/緩沖器和加法器電路。
圖7是本發(fā)明的運(yùn)算放大器組的詳細(xì)電路。
圖8是本發(fā)明的帶通濾波器電路。
圖9是本發(fā)明的帶通濾波器的衰減特性曲線。
具體實施例方式
下面參照圖3、圖4和圖5詳細(xì)說明操作過程。圖3和圖4說明沒有對電池的直流電壓(Vdc)和電池內(nèi)阻抗所產(chǎn)生的阻抗電壓信號進(jìn)行分壓，而是直接連接到上述差動放大器(1)的輸入端。它們還詳細(xì)說明了用于將特定負(fù)(-)恒定電壓輸入到上述差動放大器(1)偏置端以獲得與輸入信號準(zhǔn)確相關(guān)的輸出信號的電路。
作為實現(xiàn)本發(fā)明的一個例子，將所公開的參考恒定電壓電路(2)產(chǎn)生的負(fù)(-)恒定電壓(在本發(fā)明的實施例中為-8V)輸入(連接到)高輸入共模電壓差動放大器的偏置端，其中-8V的負(fù)(-)恒定電壓由兩個參考恒定電壓二極管產(chǎn)生，這些二極管的價格相對便宜，漂移值很小。參考恒定電壓電路(2)包括相互串聯(lián)的恒定電壓二極管ZD2、ZD3和限流電阻器R3。上述電阻器R3的后端和上述恒定電壓二極管ZD2的陰極(-)分別連接至-12V和控制電源的接地點(diǎn)。此處所產(chǎn)生的負(fù)恒定電壓通過緩沖電路連接到差動放大器(1)的偏置端。此外，在上述恒定電壓二極管ZD2的兩端串聯(lián)二極管D1、可變電阻器R4和二極管D2，以進(jìn)行分壓，可變電阻器R4的中央終端連接到恒定電壓二極管ZD2的ADJ端，其連接方式可以通過上述可變電阻器R4來調(diào)整恒定電壓二極管ZD2的輸出電壓，從而可以微調(diào)參考恒定電壓電路的輸出。
即使周圍環(huán)境溫度和電源電壓(-12V)發(fā)生變化，上述電路中所用恒定電壓二極管(參考二極管)的輸出電壓也不會變得低于齊納二極管的電壓，所以其特性非常好。通過采用具有上述組成的電路并利用可變電阻器R4將偏置電壓的參考值調(diào)整至大約-7.8V～-8.3V中，有可能補(bǔ)償由于測量電路中電路元件的特性不同而產(chǎn)生的偏移輸出。
通常，無論輸入信號的大小如何，都會根據(jù)電源電壓(Vc)的大小使運(yùn)算放大器的輸出飽和，以達(dá)到這些數(shù)值。作為實現(xiàn)本發(fā)明的另一個實施例，如果差動放大器(1)的電源電壓(Vc)為12V，上述差動放大器(1)的飽和輸出值通常大約為10V。如果根據(jù)常用方式，將大約為0V的偏置電壓施加于上述差動放大器(1)的偏置端，以補(bǔ)償輸出電壓的偏移，則由于差動放大器的放大增益為1，當(dāng)上述差動放大器(1)的輸入信號為10V～16V或者更高時，與其相對應(yīng)的輸出值飽和，因此只能輸出0～10V范圍內(nèi)的輸入信號。因而，當(dāng)蓄電池的電壓為0～16V時，不可能測量高于10V的電池電壓。
上述差動放大器(1)是一種差動運(yùn)算放大器(例如，CMOS型或FET型)，與普通差動運(yùn)算放大器相比，其阻抗非常高(輸入偏置電流為毫安級，甚至更小)。即使在上述差動放大器的同相輸入和反相輸入端連接數(shù)千歐的電阻，它也能準(zhǔn)確工作。由于其設(shè)計可以使差動輸入電壓信號的放大增益為1，所以上述差動放大器(1)的輸出等于差動電壓信號(V+-V-)(蓄電池外部電壓)和輸入到偏置端的參考電壓(Vref)之和，其表示為(V+-V-)+Vref。因此，當(dāng)輸入電池外部電壓(VIs)的0V～16V電壓信號時，由于偏置參考電壓(Vref)被設(shè)定為-8V，所以上述差動放大器(1)的輸出可以獲得-8V～+8V的數(shù)值，其介于低于10V的飽和電壓范圍之內(nèi)。另外，如果輸入到偏置端的負(fù)(-)參考電壓(Vref)為-11V，那么利用上述計算公式甚至可以將介于1～21V之間的更高電壓輸入到上述差動放大器(1)，也有可能獲得介于-10V～+10V范圍內(nèi)的輸出信號。
在通過上述差動放大器(1)將電平變換為-8V～+8V范圍的輸出電壓信號中，將直流電流電壓(VDC)分量上峰值為幾毫伏的阻抗電壓(VIs′)與來自外部的噪聲混合在一起。通過由電阻R1和電容C1組成的直流濾波器電路(3)消除上述輸出電壓信號(VIs)中的波紋噪聲。于是，得到純直流電壓(VDC)信號，并將其緩存在(緩沖防止了輸入-輸出阻抗引起的負(fù)載效應(yīng))緩沖電路(4)中，然后將緩沖信號連接到12比特A/D轉(zhuǎn)換器(5)的輸入端，以提高測量的分辨率。也就是說，由于緩沖電路(4)的直流電壓信號的允許輸出范圍為-10V～+10V，所以有可能通過采用具有A/D轉(zhuǎn)換器(其能夠把信號轉(zhuǎn)換到上述電壓范圍或等價電壓)的微控制器單元(MCU)來提高分辨率。
當(dāng)蓄電池的容量小于數(shù)百安培小時時，因為內(nèi)阻抗的數(shù)值變得高達(dá)數(shù)十毫歐，所以使用10比特或低于10比特的A/D轉(zhuǎn)換器(5)來降低制造成本，但其分辨率也會稍微下降，有可能使用一個內(nèi)嵌在微控制器單元(MCU)之中的輸入范圍為0～5V的A/D轉(zhuǎn)換器。市面上出售的MCU通常在其前面安裝著一個多工器，它具有一個電路，用于通過高速多工開關(guān)將多路模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因此，此微控制器單元(MCU)可以像其中有多個A/D轉(zhuǎn)換器一樣進(jìn)行工作。
此外，因為電路由上述內(nèi)嵌于微控制器單元(MCU)中的A/D轉(zhuǎn)換器(5或9)電路組成，所以上述緩沖器(4)的輸出必須在0V～5V范圍內(nèi)，甚至是在將1V～16V的信號輸入蓄電池外部電壓(VIs)時也是如此，通過將上述差動放大器(1)的偏置參考電壓(Vref)設(shè)置為7V(舉例)，就有可能在上述差動放大器(1)中獲得-6V～+9V的輸出。圖6顯示作為本發(fā)明的一個實施例的分壓器/緩沖器電路和加法器。在分壓器/緩沖器電路中，將來自上述差動放大器(1)的-6V～+9V輸出電壓分壓為三分之一，得到-2V～+3V的信號，之后，再在所公開的加法器電路中加上電壓信號(Vf2)，上述-2V-+3V信號的電平被變換為0V～+5V。由于上述加法器電路的輸出信號介于0V～+5V范圍中，所以有可能采用內(nèi)嵌于微控制器單元(MCU)的A/D轉(zhuǎn)換器(其輸入范圍為0V～+5V)。
另一方面，如上所述，被轉(zhuǎn)換為-8V～+8V或-6V～+9V電平的電池電壓信號(VIs)中不包括任何直流分量(這些直流分量通過由電容器C2和R2組成的直流電路耦合電路(6)消除)，從而出現(xiàn)一個純交流信號的阻抗電壓。然后，它通過帶通濾波器(BNP)(7)。上述帶通濾波器衰減和抑制其頻寬不同于阻抗電壓信號(VIs′)的噪聲信號。由于此濾波器的設(shè)計能夠確保消除由于充電波紋電流所產(chǎn)生的噪聲信號和由于使用普通窄帶帶通濾波器的感應(yīng)所產(chǎn)生的噪聲，所以有可能增強(qiáng)或提高其濾波效果。已經(jīng)通過帶通濾波器(7)的阻抗電壓信號(VIs′)又通過后面的運(yùn)算放大器組(8)。上述運(yùn)算放大器組(8)包括(舉例)從第一級到第三級的運(yùn)算放大器(15、17、19)，以將大范圍的阻抗信號(VIs′)放大為期望電平。換句話說，將此信號放大數(shù)十倍乃至數(shù)千倍，使信號電平達(dá)到了10V，并使用12比特乘12比特的A/D轉(zhuǎn)換器(9、9a)將其轉(zhuǎn)換為高分辨率的數(shù)字信號，并在微處理器單元CPU(10)中對其進(jìn)行準(zhǔn)確計算。當(dāng)需要利用所公開的零(0)交叉電路測量上述阻抗電壓信號(VIs′)的相位時，必須對上述阻抗電壓信號(VIs′)進(jìn)行完全濾波。為此，可以在運(yùn)算放大器組(8)之后安裝第二BNP(11)。
圖8顯示實現(xiàn)帶通濾波器(7)的一個例子，其設(shè)計方式僅允許其頻率范圍與阻抗電壓信號(VIs′)類似的信號。如上所述，帶通濾波器(7)包括所公開的同結(jié)構(gòu)窄帶帶通濾波器，這些濾波器連接到兩級中的一級，眾所周知上述窄帶帶通濾波器中的每一個均包括兩個電容器、三個電阻器和一個運(yùn)算放大器。當(dāng)將這些窄帶帶通濾波器連接到這種兩級中時，能夠具有此帶通濾波器的特性，它遠(yuǎn)窄于其中連接著低通濾波器(LPF)和高通濾波器(HPF)的寬帶帶通濾波器。
為了簡化上述帶通濾波器(7)電路，有可能使電容器C1、C2、C3和C4中的兩個相等，或所有四個均相等，然后正確選擇R1～R6的電阻值。為了使印刷電路板(PCB)緊湊，通?？梢允褂眯酒诫娙萜?。作為一個示例，為了簡化電路結(jié)構(gòu)，將電容器C1、C2、C3和C4的值均設(shè)為10nF，然后有可能通過正確選擇電阻器R1～R6的電阻值來設(shè)定下截止頻率(fL)和上截止頻率(fH)，從而很容易地將上述帶通濾波器(7)的帶寬設(shè)定為設(shè)計者所希望的數(shù)值。
如上所述，圖9顯示利用PSPICE對帶通濾波器(7)的濾波特性進(jìn)行仿真的結(jié)果，其頻帶是通過以兩級方式連接結(jié)構(gòu)相同的窄帶帶通濾波器而得到的。從圖9中可以看出，例如，當(dāng)選擇諧振頻率(fr)為720Hz時，可以將頻率660Hz-780Hz(其處于諧振頻率(fr)的5％范圍內(nèi))處的衰減值設(shè)計為接近于零(具有最大增益)。在上述帶通濾波器(7)中，如果阻抗電壓信號(VIs′)的頻率為720Hz，則該信號的衰減值接近于零(具有最大增益)，因為對于在諧振頻率(fr)5％范圍內(nèi)的頻率，其衰減值幾乎為零(具有最大增益)，所以通過上述帶通濾波器(7)的阻抗電壓信號(VIs′)的衰減值總是保持為接近于零，即使諧振頻率(fr)因為環(huán)境溫度的變化而變化大約5％時也是如此。
而且，因為諧振頻率(fr)等于720Hz，其帶寬遠(yuǎn)窄于傳統(tǒng)的寬帶帶通濾波器(BPF)(其中的下截止頻率(fL)和上截止頻率(fH)分別為400Hz和1000Hz)，所以有可能提高噪聲頻率的衰減特性，確保能夠消除由于充電電流波紋產(chǎn)生的噪聲信號和由于感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。相反，由于設(shè)計為僅具有一個運(yùn)算放大器的窄帶帶通濾波器電路具有非常窄的帶寬，所以有可能僅在所設(shè)計的諧振頻率(fr)處獲得最大增益。因此，它存在一個缺點(diǎn)，就是在測量阻抗電壓信號(VIs′)時，期望信號的衰減特性會根據(jù)環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化，導(dǎo)致衰減值降低，這是因為當(dāng)環(huán)境溫度變化時，作為濾波器電路元件的電阻器和電容器的數(shù)值也會變化。
如以上通過圖3和圖4所說明和顯示的那樣，本發(fā)明的關(guān)鍵是根據(jù)基本原理將直流電壓(Vdc)信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器(5)，將阻抗電壓信號(VIs′)輸入到另一A/D轉(zhuǎn)換器(9)。但是在實際中，市場上銷售的這類裝置通常在A/D轉(zhuǎn)換器前面都有許多具有模擬開關(guān)功能的通道多工器(MUX)。直流電壓(Vdc)信號和阻抗電壓信號(VIs′)通過上述多工器(MUX)連接到A/D轉(zhuǎn)換器電路，并在進(jìn)行計算之前由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后在CPU(10)中對其進(jìn)行計算。
如上所述，有可能使用內(nèi)嵌于上述微控制器單元(MCU)的元件之內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器(其輸入范圍為0V～+5V)將阻抗電壓信號(VIs′)從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其方式類似于使用內(nèi)嵌于微控制器單元(MCU)的A/D轉(zhuǎn)換器將直流電壓(Vdc)信號從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。如上所述，在大多數(shù)情況下，內(nèi)嵌于微控制器單元(MCU)的元件中的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為0V～+5V。經(jīng)過上述帶通濾波器(7)對大小為數(shù)毫伏的阻抗電壓信號(VIs′)進(jìn)行濾波，然后在第一放大器(15)中放大數(shù)十倍，或者通過第二放大器(17)放大數(shù)百倍乃至數(shù)千倍，然后變?yōu)?2.5V～+2.5V的信號。圖7中的方框圖是放大器組(8)電路的一個實施例，如上所述，其位于帶通濾波器(7)電路之后。第一加法器(16)與第二加法器(18)的結(jié)構(gòu)與上述圖6中的加法器結(jié)構(gòu)相同，它們分別連接到第一放大器(15)和第二放大器(17)的后端。通過上述第一或第二加法器將阻抗電壓信號(VIs′)變換為0V～+5V的信號，并輸入到A/D轉(zhuǎn)換器(9、9a)。如上所述，運(yùn)算放大器組(8)電路具有兩級放大器組，但是當(dāng)測量范圍很大時，有可能使用由多級放大器(15、17、19)組成的放大器組。
通過放大器(12)將進(jìn)行阻抗計算所必需的恒定電流信號(1s)放大到適當(dāng)電平，并將其連接到上述多工器(MUX)電路的另一輸入端。通過所公開的惠斯頓電橋電路(13)和另一放大器(14)，將在所公開的熱敏電阻傳感器中產(chǎn)生的溫度信號放大到適當(dāng)電平，然后連接到上述工器(MUX)的另一輸入端，并在CPU(10)中進(jìn)行計算和測量。
圖5說明利用市售裝置實現(xiàn)本發(fā)明的一個示例。商品化的A/D轉(zhuǎn)換器電路包括可以將電平為10V的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)嵌高速多工(MUX)電路。該多工器(MUX)用于接收CPU(10)的選擇信號，并在需要進(jìn)行計算時，將許多通道的模擬信號高速順序連接到A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)。由A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬輸入信號高速轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再連接到CPU(10)的輸入端進(jìn)行計算。作為本發(fā)明的原型電路，可以使用Analog Device公司的AD7891型A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)，有可能以1.6微秒的轉(zhuǎn)換時間將10V的模擬信號高速轉(zhuǎn)換為12比特的數(shù)字信號，以在計算時提高分辨率。結(jié)果，提高了測量的準(zhǔn)確性。
權(quán)利要求
1.一種用于測量蓄電池的外部電壓和內(nèi)阻抗電壓的電路，其包括高輸入共模電壓差動放大器(1)；參考恒定電壓電路(2)；直流濾波器電路(3)；緩沖電路(4)；直流耦合電路(6)；帶通濾波器(7)；運(yùn)算放大器組(8)；A/D轉(zhuǎn)換器(5、9)和CPU(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，A/D轉(zhuǎn)換器(5、9)和CPU(10)由具有多個輸入通道的多工器(MUX)電路及ADC電路組成的A/D轉(zhuǎn)換器和CPU(10)代替。
3.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，A/D轉(zhuǎn)換器(5、9)和CPU(10)由內(nèi)嵌于商業(yè)化裝置的微控制器單元(MCU)的A/D轉(zhuǎn)換器和CPU代替。
4.如權(quán)利要求2所述的電路，其中，通過緩沖器(4)緩沖和輸入的電池外部電壓(Vdc)、被多級放大并與運(yùn)算放大器組(8)的多個信號輸出的阻抗電壓信號(VIs′)、諸如恒定電流信號(Is)的10V模擬信號，分別被輸入到多工器(MUX)的各個輸入通道；由CPU(10)的選擇信號所選擇的上述模擬信號被輸入到12比特A/D變換器(9a)的ADC電路。
5.如權(quán)利要求1或3所述的電路，其中，在分壓器/緩沖器將從上述差動放大器(1)中獲得的輸出電壓分壓為三分之一，上述運(yùn)算放大器組(8)由多個放大增益不同的放大器和分別連接到上述放大器后端的加法器組成。
6.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，帶通濾波器(7)包含于兩級相關(guān)連接中，在此帶通濾波器(7)中，窄帶帶通濾波器包括兩個電容器、三個電阻器和一個運(yùn)算放大器。
7.一種用于測量蓄電池的電池外部電壓和內(nèi)阻抗電壓的電路，其包括(i)檢測端(③、④)的輸出被連接到高輸入共模電壓差動放大器(1)的同相與反相輸入端，由參考恒定電壓電路(2)產(chǎn)生的負(fù)(-)恒定電壓(Vref)被輸入(連接到)上述差動放大器(1)的偏置端，在所公開的直流濾波器電路(3)中對上述差動放大器(1)的輸出進(jìn)行濾波，并在緩沖器(4)中對其進(jìn)行緩沖，且由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；(ii)另一方面，上述差動放大器(1)的輸出通過直流耦合電路(6)，然后轉(zhuǎn)換為阻抗電壓的交流信號(VIs)，然后，上述交流信號通過帶通濾波器(7)和運(yùn)算放大器(8)，接著由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
8.如權(quán)利要求7所述的電路，其中，參考恒定電壓電路(2)具有相互串聯(lián)的兩個恒定電壓二極管ZD2和ZD3，以及限流電阻器R3；通過緩沖電路將上述參考恒定電壓電路(2)產(chǎn)生的負(fù)(-)恒定電壓連接到差動放大器(1)的偏置端；二極管D1、可變電阻器R4和二極管D2串聯(lián)連接到上述恒定電壓二極管ZD2的每一端；上述可變電阻器R4的中央終端連接到上述恒定電壓二極管ZD2的ADJ端，使得有可能使用可變電阻器R4微調(diào)偏置參考電壓(Vref)。
9.如權(quán)利要求7所述的電路，其中，上述差動放大器(1)的偏置端連接到由所公開的參考恒定電壓電路(2)所產(chǎn)生的-8V恒定電壓。
10.如權(quán)利要求7所述的電路，其中，高輸入共模電壓差動放大器(1)包括其輸入阻抗非常高的差動運(yùn)算放大器元件，以及數(shù)百個連接到上述差動運(yùn)算放大器元件的反相和同相輸入電路的千歐(KΩ)電阻器；所公開的參考恒定電壓電路(2)連接到上述差動運(yùn)算放大器元件的偏置調(diào)整端。
全文摘要
通常，在用于測量和診斷蓄電池中電池外部電壓和內(nèi)阻抗、從而確定其老化狀況的電路中，由恒定電流導(dǎo)致的阻抗電壓信號被加到蓄電池外部直流電壓上。本發(fā)明提供了一種更好的方法，用于將電池電壓1.0V－12V和內(nèi)阻抗電壓同電池外部電壓中的各種噪聲(例如所引入的波紋電壓)分離開來，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并將這些數(shù)字信號輸入到CPU中。因而提高了測量電池內(nèi)阻抗值的準(zhǔn)確性。
文檔編號G01R27/02GK1882843SQ200480033895
公開日2006年12月20日 申請日期2004年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者金得洙 申請人:保誠電子工程有限公司