一種表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路及其切換控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路及其切換控制方法。傳統(tǒng)的測(cè)量儀表在測(cè)量時(shí)大多采用手動(dòng)旋轉(zhuǎn)表盤切換量程的方法，往往會(huì)造成大量程和小量程的精度不能同時(shí)兼顧。本發(fā)明的特征在于：所述的第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路分別與運(yùn)算放大器前、后級(jí)連接；所述運(yùn)算放大器的后級(jí)還與一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與一微處理器的輸入端連接，微處理器的輸出端與第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路連接。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了表計(jì)量程自適應(yīng)自動(dòng)切換，代替了人工通電查看表計(jì)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)、人工切換量程，不僅能保證各量程精度等級(jí)一致，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量，降低了勞動(dòng)成本。
【專利說明】一種表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路及其切換控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路及其切換控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]測(cè)量時(shí)，在表計(jì)量程固定的情況下，既要保證信號(hào)的測(cè)量精度又要兼顧信號(hào)的測(cè)量范圍，在技術(shù)上有一定的難度。
[0003]傳統(tǒng)的測(cè)量儀表在測(cè)量時(shí)大多采用手動(dòng)旋轉(zhuǎn)表盤切換量程的方法，往往會(huì)造成大量程和小量程的精度不能同時(shí)兼顧。
[0004]以測(cè)量電壓為例。一般來說，對(duì)于一個(gè)待測(cè)量的未知電壓，如果是手動(dòng)旋轉(zhuǎn)表盤去切換量程，比如測(cè)量電壓前，事先并不知道被測(cè)電壓大小，一般只能放在最大量程，從大到小進(jìn)行切換。每次測(cè)量都必須這樣操作，使用起來很不方便。假如實(shí)際電壓為0.8V，測(cè)量之前并不知道它的具體值，現(xiàn)手頭上有一臺(tái)三個(gè)量程〃 1000V、100V、10V〃的數(shù)字電壓表(精度1/100)，一般的操作方法是:手動(dòng)切換到1000V檔，但由于1000V檔對(duì)應(yīng)的前級(jí)放大倍數(shù)很小，比如是0.005倍，將無法顯示0.004的讀數(shù)，說明量程選大了。手動(dòng)改選100V檔測(cè)量，此時(shí)對(duì)應(yīng)放大倍數(shù)為0.02，顯示的讀數(shù)為0.01V，而實(shí)際為0.016V,顯然就不準(zhǔn)確。繼續(xù)手動(dòng)縮小量程范圍，選擇1V檔，對(duì)應(yīng)放大倍數(shù)為0.1，實(shí)際輸出是0.08V，顯示器讀數(shù)也是0.08V。事實(shí)上，由于不知道待測(cè)電壓為0.8V，所以并不能判斷0.0lV和0.08V哪個(gè)是對(duì)的。
[0005]此外，機(jī)械式的量程切換，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確測(cè)量。比如按100V檔量程設(shè)計(jì)放大器參數(shù)，由于信號(hào)較大，放大器的放大倍數(shù)一般設(shè)計(jì)得很小如1/100，測(cè)量小信號(hào)時(shí)，如不作換擋操作，放大器輸出就非常小，由于刻度過大，使得測(cè)量精度達(dá)不到要求，甚至可能被干擾信號(hào)淹沒，無法測(cè)量；反之，測(cè)量大信號(hào)時(shí)，可能使放大器工作在非線性區(qū)，更是無法測(cè)量。由此看來，如果不能根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)大小，自適應(yīng)調(diào)整放大器的放大倍數(shù)(對(duì)應(yīng)于量程)，將無法實(shí)現(xiàn)大范圍電壓的自動(dòng)精確測(cè)量，使測(cè)量儀器儀表的自動(dòng)化程度大大降低，甚至使與測(cè)量相關(guān)的自動(dòng)控制技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)。
[0006]手動(dòng)切換既有盲目性又不準(zhǔn)確，而且還要頻繁地切換量程開關(guān)，時(shí)間一久，容易造成切換開關(guān)的機(jī)械故障。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路，其實(shí)現(xiàn)測(cè)量量程的自適應(yīng)自動(dòng)切換，以提高測(cè)量的自動(dòng)化程度，克服手動(dòng)換擋測(cè)量儀表的盲目性和不準(zhǔn)確性等缺點(diǎn)，在提高準(zhǔn)確率、自動(dòng)化程度的同時(shí)降低成本。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:一種表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路，包括第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路，其特征在于:
[0009]所述的第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路分別與運(yùn)算放大器前、后級(jí)連接；所述運(yùn)算放大器的后級(jí)還與一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與一微處理器的輸入端連接，微處理器的輸出端與第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路連接；
[0010]所述運(yùn)算放大器的前級(jí)為反相放大器，反相放大器的反饋回路由多個(gè)電阻串聯(lián)而成且跨接在運(yùn)算放大器的前級(jí)輸出和反相放大器的輸入端之間，串聯(lián)電阻之間的引出接線連接于第一模擬開關(guān)切換電路的不同開關(guān)口，此種結(jié)構(gòu)可以保證運(yùn)算放大器任何時(shí)刻都工作在反饋放大狀態(tài)，避免開環(huán)飽和；
[0011]所述運(yùn)算放大器的后級(jí)為同相放大器，通過第二模擬開關(guān)切換電路接入多個(gè)不同的電阻，調(diào)整量程比例刻度。
[0012]本發(fā)明還提供上述表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路的切換控制方法，包括以下步驟:
[0013]I)上電測(cè)量時(shí)，微處理器使第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路的UEN端為低電平，第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路不工作，所有電阻全部接入電路中，此時(shí)量程最大；
[0014]2)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將實(shí)測(cè)值即運(yùn)算放大器后級(jí)模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)微處理器計(jì)算分析判別，確認(rèn)合適的量程，并發(fā)出合適的EUNa2^atl電平信號(hào)，控制運(yùn)算放大器前級(jí)反饋回路中電阻的短接切換，運(yùn)算放大器后級(jí)接入不同的反饋電阻，調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)量程的自適應(yīng)自動(dòng)切換。這種切換方法，使運(yùn)算放大器始終工作在反饋連接放大狀態(tài)，避免開環(huán)非線性飽和。
[0015]進(jìn)一步，所述的微處理器計(jì)算分析判別量程的過程如下:當(dāng)取樣信號(hào)值經(jīng)過微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后，根據(jù)其所在檔位位置，自動(dòng)調(diào)整檔位，超過本檔位量程1.25倍時(shí)切換到比本檔位量程大一個(gè)的檔位,低于本檔位量程的0.75倍時(shí)切換到比本檔位量程小一個(gè)的檔位。
[0016]本發(fā)明具有的有益效果為:本發(fā)明提供的一種表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路和切換控制方法，實(shí)現(xiàn)了表計(jì)量程自適應(yīng)自動(dòng)切換，代替了人工通電查看表計(jì)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)、人工切換量程，不僅能保證各量程精度等級(jí)一致，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量，降低了勞動(dòng)成本。此外，為與測(cè)量有關(guān)的自動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了保障。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明程控自適應(yīng)切換電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖2為本發(fā)明微處理器控制量程的自動(dòng)換檔流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]如圖1所示的表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路，所述的第一模擬開關(guān)切換電路I和第二模擬開關(guān)切換電路5分別與運(yùn)算放大器2前、后級(jí)連接，所述運(yùn)算放大器2的后級(jí)還與模數(shù)轉(zhuǎn)換器4的輸入端連接。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器4的輸出端與微處理器3的輸入端連接，微處理器3的輸出端與第一模擬開關(guān)切換電路I和第二模擬開關(guān)切換電路5連接。
[0020]所述運(yùn)算放大器2的前級(jí)為反相放大器，反相放大器的反饋回路由多個(gè)電阻串聯(lián)而成且跨接在運(yùn)算放大器2的前級(jí)輸出和反相放大器的輸入端之間，串聯(lián)電阻之間的引出接線連接于第一模擬開關(guān)切換電路I的不同開關(guān)口。
[0021]所述運(yùn)算放大器2的后級(jí)為同相放大器，通過第二模擬開關(guān)切換電路5接入多個(gè)不同的電阻。
[0022]這種切換電路結(jié)構(gòu)用自動(dòng)控制理論中反饋控制原理，采用程控自動(dòng)切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的高精確測(cè)量。所謂自動(dòng)換檔，就是當(dāng)取樣信號(hào)超過本檔位量程的1.25倍或低于本檔位量程的0.75倍時(shí)，通過A/D采樣得到的信號(hào)經(jīng)過微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后，根據(jù)其所在檔位位置，自動(dòng)調(diào)整檔位，超過本檔位量程1.25倍時(shí)切換到比本檔位量程大一個(gè)的檔位,低于本檔位量程的0.75倍時(shí)切換到比本檔位量程小一個(gè)的檔位。例如，當(dāng)電流取樣電路此時(shí)工作在IA檔，當(dāng)通過本檔位的電流為15A(超過了 1A檔的1.25倍)時(shí)，程序便會(huì)自動(dòng)將檔位切換到1A檔上一個(gè)檔，如30A檔。采用這種原理，同時(shí)配合電流取樣調(diào)理電路，也可以實(shí)現(xiàn)電流取樣電阻的保護(hù)，當(dāng)本檔位通過超過自己檔位電流的1.5倍時(shí)，此過電流信號(hào)反映到微處理器中，微處理器可以通過程序?qū)n位強(qiáng)制切換到最大量程檔位，從而保護(hù)本檔位取樣電阻及電路的完整性。微處理器按附圖2流程控制換擋。
[0023]本發(fā)明程控自適應(yīng)切換電路的切換控制方法，其步驟如下:
[0024]I)上電測(cè)量時(shí)，微處理器使第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路的UEN端為低電平，第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路不工作，所有電阻全部接入電路中，此時(shí)量程最大；
[0025]2)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將實(shí)測(cè)值即運(yùn)算放大器后級(jí)模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)微處理器計(jì)算分析判別，確認(rèn)合適的量程，并發(fā)出合適的EUNa2^atl電平信號(hào)，控制運(yùn)算放大器前級(jí)反饋回路中電阻的短接切換，運(yùn)算放大器后級(jí)接入不同的反饋電阻，調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)量程的自適應(yīng)自動(dòng)切換。
[0026]本發(fā)明程控自適應(yīng)切換電路切換控制方法的切換原理如下:
[0027]模擬開關(guān)切換電路工作時(shí)，UEN使能端必須為高電平。COM為模擬開關(guān)切換電路的公共端，A2、A1、Atl依次為100、101、110時(shí)分別選擇N05、N06、N07連接，對(duì)應(yīng)高、中、低三個(gè)量程。微處理器根據(jù)測(cè)量量程控制模擬開關(guān)切換電路的UElWAtl的電平高低。高量程:UEN為“I”電平，A2, A1, A0為100時(shí)，模擬開關(guān)切換電路的N05通道被選通，只有R7接入反饋回路，R8、R9被短接，即Rfl = R7, Rin為取樣電阻。其輸入輸出的關(guān)系為:

U1 — O O — Uy
[0028]前級(jí)放大:~ = D
Xv1Λ./1 -? \
inΠ(I)
ο-? υ -υο
[0029]后級(jí)放大:RR
4 3 2I(2)

U R R + R + R + R
[_ 總的放大 Z HX 'R+RiR 4 m
iin34C 3 )
[0031]中、低量程:UEN為電平“1”，A^ApAtl分別為1lUlO時(shí)，模擬開關(guān)切換電路的N06、N07通道分別被選通，Rf2 = R7+R8，Rf3 = R7+R8+R9。同理，中、低檔量程下電路的放大倍數(shù)分別為:
U R R +R +R +R
aof21234
[0032] ^ ⑷
iin34
U R R +R +R +R
ao01234
[0033]次=77 = ~X~
U.AmI(5)
[0034]只要待測(cè)量電壓的量程確定，合理選擇Rl - R4、R7 — R9電阻值，就可以根據(jù)關(guān)系式(3)、(4)、(5)確定量程自適應(yīng)切換電路的放大倍數(shù)。量程的自適應(yīng)切換由微處理器根據(jù)實(shí)際測(cè)量量程大小控制UEN、A2, A1, A0,高量程時(shí)，前級(jí)放大倍數(shù)選小些，低量程時(shí)放大倍數(shù)選大些。
[0035]本發(fā)明的電路組成連接結(jié)構(gòu)及程控切換方式，適用于所有表計(jì)量程的自動(dòng)切換，所以只要采用了此種電路組成連接結(jié)構(gòu)和程控切換方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、換擋等皆應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路，包括第一模擬開關(guān)切換電路(I)和第二模擬開關(guān)切換電路(5)，其特征在于， 所述的第一模擬開關(guān)切換電路(I)和第二模擬開關(guān)切換電路(5)分別與運(yùn)算放大器(2)前、后級(jí)連接；所述運(yùn)算放大器(2)的后級(jí)還與一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(4)的輸入端連接；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(4)的輸出端與一微處理器(3)的輸入端連接，微處理器(3)的輸出端與第一模擬開關(guān)切換電路(I)和第二模擬開關(guān)切換電路(5)連接； 所述運(yùn)算放大器(2)的前級(jí)為反相放大器，反相放大器的反饋回路由多個(gè)電阻串聯(lián)而成且跨接在運(yùn)算放大器(2)的前級(jí)輸出和反相放大器的輸入端之間，串聯(lián)電阻之間的引出接線連接于第一模擬開關(guān)切換電路(I)的不同開關(guān)口 ； 所述運(yùn)算放大器(2)的后級(jí)為同相放大器，通過第二模擬開關(guān)切換電路(5)接入多個(gè)不同的電阻。
2.權(quán)利要求1所述表計(jì)量程的程控自適應(yīng)切換電路的切換控制方法，包括以下步驟: 1)上電測(cè)量時(shí)，微處理器使第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路的UEN端為低電平，第一模擬開關(guān)切換電路和第二模擬開關(guān)切換電路不工作，所有電阻全部接入電路中，此時(shí)量程最大； 2)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將實(shí)測(cè)值即運(yùn)算放大器后級(jí)模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)微處理器計(jì)算分析判別，確認(rèn)合適的量程，并發(fā)出合適的EUNayApAtl電平信號(hào)，控制運(yùn)算放大器前級(jí)反饋回路中電阻的短接切換，運(yùn)算放大器后級(jí)接入不同的反饋電阻，調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)量程的自適應(yīng)自動(dòng)切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的切換控制方法，其特征在于，所述的微處理器計(jì)算分析判別量程的過程如下:當(dāng)取樣信號(hào)值經(jīng)過微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后，根據(jù)其所在檔位位置，自動(dòng)調(diào)整檔位，超過本檔位量程1.25倍時(shí)切換到比本檔位量程大一個(gè)的檔位，低于本檔位量程的0.75倍時(shí)切換到比本檔位量程小一個(gè)的檔位。
【文檔編號(hào)】G01R15/09GK104267233SQ201410515204
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】楊濤, 黃曉明, 張濤, 王松, 吳俊 , 蔡耀紅, 方芳, 武和雷, 王誠海, 熊葳 申請(qǐng)人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院