专利名称：微弱电压信号接入检测电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及检测电路，尤其是涉及一种微弱电压信号接入检测电路。
背景技术：
在许多工业领域都需要测量对象的物理参数，例如压力、温度、速度等参数，从而得知对象的状态。在涉及控制的领域，这些参数作为变量，参与到控制机制中。电子和计算机技术发展至今，这些参数被测量后，都会转化成电信号，进行后续的处理。相应的，一个典型的测量装置通常包括传感器以及与之适配的测量电路。传感器负责将所检测的物理量转化为电信号，而测量电路负责对信号进行放大、滤波、校准、量化等诸多处理，以获得所期望的高精度测量结果。如今的测量装置，一个测量电路能够胜任一种以上的物理量的测量。针对不同的测量对象，测量装置只需要更换传感器。为了确保更换的传感器确实已经连接到测量装置， 需要一种检测其连接状态的机制。然而传感器的所输出电信号通常非常微弱，在毫伏级别， 仅仅通过信号幅度并无法确定传感器是否已经连接。在其他场合，也存在检测系统中是否接入了微弱电压信号的需要。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种微弱电压信号接入检测电路，用来检测一微弱电压信号来源的接入。本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种微弱电压信号接入检测电路，包括比对信号源和门限判决单元。比对信号源叠加于一微弱电压信号的两输入端的其中一输入端，该比对信号源包含第一信号源，该第一信号源具有一第一电压和一第一内阻，该第一电压与该微弱电压信号的另一输入端的一参考电压之差的绝对值大于该微弱电压信号的电压峰值的绝对值，该第一内阻与该微弱电压信号输入端的内阻的比例大于 100 1。门限判决单元接收该该微弱电压信号或者其变换信号，并根据所接收到的信号是否超出一电压门限，来确定该微弱电压信号是否接入。在上述的微弱电压信号接入检测电路中，该微弱电压信号为单端输入。在上述的微弱电压信号接入检测电路中，该微弱电压信号输入端为双端差分输入。在上述的微弱电压信号接入检测电路中，该比对信号源还包含第二信号源，叠加在该微弱电压信号的另一输入端，该第二信号源具有该参考电压和一第二内阻，该第二内阻与该微弱电压信号输入端的内阻的比例大于100 1。在上述的微弱电压信号接入检测电路中，该微弱电压信号接入检测电路是结合到一物理量测量装置中，其中该微弱电压信号输入端为该物理量测量装置的传感器输出端， 该门限判决单元是集成于该物理量测量装置的一微控制器内。在上述的微弱电压信号接入检测电路中，该微弱电压信号输入端为双端差分输入。在上述的微弱电压信号接入检测电路中，该第一信号源叠加在其中一差分输入端，该比对信号源还包含第二信号源，叠加在另一差分输入端，该第二信号源具有该参考电压和一第二内阻，该第二内阻与该微弱电压信号输入端的内阻的比例大于100 1。在上述的微弱电压信号接入检测电路中，该第一内阻与该传感器的内阻的比例大于10000 1，该第二内阻与该微弱电压信号输入端的内阻的比例大于10000 1。在上述的微弱电压信号接入检测电路中，该传感器是热电偶。本实用新型由于采用以上技术方案，能够以十分简单的电路来检测微弱电压信号的接入，有利于节约电路成本。
为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作详细说明，其中图IA示出本实用新型一实施例的微弱电压信号检测电路示意图。图IB示出本实用新型另一实施例的微弱电压信号检测电路示意图。图2示出包含本实用新型一实施例的微弱电压信号检测电路的物理量测量装置示意图。图3示出比对信号源示意图。图4示出图3的等效电路。
具体实施方式
本实用新型下面将参照附图描述一个或多个实施例。在本实用新型中，微弱电压信号大致上是指电压峰值在_500mV 500mV之间的电压信号。在大多数场合中，这些电压信号是由传感器测量其他非电信号物理量而转换出的，这些非电信号物理量可以指压力、温度、速度、加速度或者其他物理参数。在测量非电信号的场合中，传感器是指能将其他信号转变为电信号的器件，例如压力传感器、加速度传感
-V^r ^t ο在另一些场合中，这些电压信号是由外部的微弱电压信号源直接输入的。从某一角度看，这些场合也可能使用了 “传感器”。在这些场合中，传感器是指能进行电流或电压输出的器件，例如以感应方式产生电流或电压信号的器件，或者是取样电阻。传感器的输出端，视为微弱电压信号输入端。图IA示出本实用新型一实施例的微弱电压信号检测电路示意图。在图1中仅示出测量装置的少数部件，例如传感器11以及过压保护电路12。传感器11将压力、温度、速度、加速度等物理量转换为电信号，或者从外部信号源中检出电信号，并且向外输出一微弱电压信号Sw。如图IB所示，在不包含过压保护电路12的另一实施例中，传感器11的输出将直接连接到门限判定单元22。可以理解，在不同的实施例中，传感器11与门限判定单元22之间可能连接各种信号处理器件，例如放大器等。传感器11的输出信号经过这些信号处理器件后的信号，视为
4传感器信号的变换信号。传感器11通过接插件与测量装置连接后，输入的信号就送入测量装置了。由于传感器连接线所处的外界环境可能很恶劣，可能会出现过电压等可能损坏设备的现象，因此优选的，将输入信号首先输入过压保护电路12，进行限压保护。当外界电压超过一定阈值的时候，过压保护电路就会起作用，把电压箝位在允许的安全范围之内，确保输入内部的信号不会出现高压，进而损坏装置内部电路。传感器11的输出可为单端输出或者双端差分输出。在单端输出的实例中，传感器所输出的两输入端中，一输入端为传感器信号，另一输入端为地。在双端输出的实例中，两输入端中均包含传感器信号，输出信号为两输入端之差。在本实用新型的实施例中，微弱电压信号检测电路包括比对信号源21和门限判决单元22。比对信号源21可以在传感器的输出端上叠加一个信号Sr。在传感器正常连接时，叠加信号Sr在传感器输出端上呈现的信号Spl并不显著，因此传感器输出端上将呈现传感器所输出的微弱电压信号Sw。然而，当传感器未连接时，叠加信号Sr在传感器输出端上呈现的信号Sp2将十分显著，并且其幅度明显大于传感器所输出的微弱电压信号Sw。门限判决单元22连接在过压保护电路12的输出端以接收信号。门限判决单元22可设定一电压门限Vth，该电压门限Vth介于微弱电压信号Sw的峰值和信号Sp2的峰值之间。由此， 当接收信号的峰值小于门限Vth时，门限判决单元22可输出第一信号，表示传感器连接；当接收信号的峰值大于门限Vth时，门限判决单元22可输出第二信号，表示传感器未连接。为了使传感器正常连接时，叠加信号Sr在传感器输出端上呈现的信号Spl不显著，可以使叠加信号Sr的内阻远大于传感器的内阻。这样，叠加信号Sr在传感器输出端上的分压将足够小。而传感器断路时，其输出端就是叠加信号Sr。在图3所示的实施例中，示出一个叠加比对信号源在传感器输出端的实施例。在此实施例中，传感器是热电偶11a。热电偶信号的输出范围一般在-IOOmV +IOOmV之间。 热电偶具有两输出端A、B，对应的，比对信号源可包括第一信号源21a和第二信号源21b，分别叠加在两输出端A、B上。第一信号源21a和第二信号源21b的电压差(V1-V2)的绝对值远大于热电偶的输出端电压峰值的绝对值，且信号内阻很大。在替换性实施例中，比对信号源可仅包括第一信号源21a，省略第二信号源，此时输出端B上没有叠加电压。这一情形可视为上述实施例的特例，即叠加了一个电压为零且内阻很大的第二信号源作为参考电压，第一信号源21a的电压即视为两输出端叠加的电压之差。可以理解的是，以上的两种实施例同时适用于传感器单端输出或者双端输出的场合。在图4所示的等效电路图中，叠加信号的内阻R1、R2很大，理想信号源的输出信号为固定的直流电压，则叠加在热电偶输入端两端的电压Vdiff = V1-V2，该电压的绝对值超出热电偶信号的正常输出电压峰值的绝对值，这使得该电压与正常电压有明显的区别。举例来说，Vdiff的绝对值超过热电偶信号的输出电压峰值的绝对值10倍以上。热电偶的输出内阻Ri很�。缎∮赗l、R2。例如，信号内阻Rl、R2与热电偶的输出内阻Ri的比例可以均大于100 1。当热电偶连接时，(、0两端的电压￥。1) = ￥丨-￥讨肘/(1 1+1 2+肘)+作1-￥2)吨士/ (Rl+R2+Ri)，由于 R1+R2 >> Ri，所以 Ri/(Rl+R2+Ri) ^ 0，因此 Vcd ^ Vi_Vi*0+(V1-V2)*0 =Vi0也就是说，叠加信号在传感器输出端上十分不显著，对热电偶信号几乎没有影响，输入给后续电路的信号就等于是热电偶信号。当热电偶不连接的时候，A、B两端断路，叠加信号在传感器输出端上的信号就十分显著，C、D两端的电压等于该叠加信号Vdiff = V1-V2。门限判决电路22可以通过上述设定的电压门限来区分热电偶信号Vi和叠加信号 Vdiff，从而作出传感器是否连接的判断。因此，通过以上简单的电路，就可以容易地实现热电偶是否连接的检测，从而，测量装置不会产生错误的检测。下面结合物理量测量装置环境来描述本实用新型的微弱电压信号检测电路的一个实施例。图2示出包含本实用新型一实施例的微弱电压信号检测电路的物理量测量装置示意图。参照图2所示，测量装置可包含传感器11、过压保护电路12、以及信号滤波器13。 每一传感器、过压保护电路、信号滤波器构成一路测量通道。测量装置可包含一路或者多路测量通道，每一测量通道可以测量相同的物理参数，也可以测量不同的物理参数。例如，其中一通道测量温度，另一通道测量压力。无论如何，各个传感器所输出信号均为表征各物理量的模拟电信号。在此实施例中，仍然使用热电偶作为传感器的例子。经过过压保护电路12的信号进入信号滤波器13。由于存在诸如电磁干扰等因素， 或者由于传感器地线与其他电路相连，因此信号存在诸多干扰信号。信号滤波器13可对输入的信号进行滤波，消除叠加在有用信号上的干扰信号，还原出真实的被测信号。由于干扰大多是高频的，因此各信号滤波器通常为低通滤波电路。关于滤波电路的截止频率，需要根据其表征的物理量，判断被测信号可能存在的最高频率，并留下充分的余量，把其余高频信号滤除。例如，对温度信号来说，它是变化比较缓慢的物理信号，因此在一实施例中，低通滤波截止频率设置在IOOHz以下，也就是只需要IOOHz以下的信号能够通过滤波电路输入。由于外部输入信号往往与本测量装置使用的不是同一个信号地，因此在一个较佳实施例中，采用双端差分输入的方式，将信号输入至过压保护电路12中。在外部输入信号与本测量装置使用同一个信号地的场合，可以使用单端输入方式。在单端输入时，传感器所输出的两输入端中，一输入端为传感器信号，另一输入端为地。 当然可以理解，双端差分输入的方式也可以用于外部输入信号与本测量装置使用同一个信号地的场合。信号调理电路14的作用是将信号滤波器13的输出信号，去除共模信号、放大或衰减、进一步滤波，使之成为适合于模数(A/D)转换电路16采集的模拟电压信号。在使用双端差分方式输入外部信号的实施例中，此处需要考虑应对双端信号的信号调理和后续的A/D转换。尽管存在可处理差分信号的信号调理电路和A/D转换电路，但是在一实施例中，为了降低电路复杂度，将双端差分模拟电压信号转换成单端模拟电压信号。因此，信号调理电路14设计成可将双向信号转换为两路单向信号输出给A/D转换电路16。具体地说，当被测信号为正电压时，正向电路得到所需要的正电压传输给A/D转换电路16。负向电路得到的是负电压，但是同时在负向电路端有箝位电路，使得负电压被箝位到OV ；当被测信号为负电压时，与上述的情况正好想反，正向电路得到0V，负向电路得到我们需要的正电压并传输给A/D转换电路16。[0049]这样无论输入电压是正电压还是负电压，经过信号调理电路14以后，AD转换电路 16总能得到适合采集的正电压峰值。并且可以根据该正电压出现在正向电路还是反向电路判断该电压的正负极性。A/D转换电路16将上述被调理好的模拟信号进行模拟-数字转换，这样我们就获得了信号调理以后的电压大小。 MCU (微控制器)17可进行数据的处理和保存。A/D转换电路16可以是集成在MCU 16中，也可以是分立的器件。MCU 17根据从A/D转换电路16得到的热电偶信号放大以后的电压值，转换得到热电偶实际的电压。一般该电压很微弱，每个热电偶2个输入端之间只有几微伏到几十毫伏左右的微弱电压。值得一提的是，对于测量的是热电偶信号的情况，测量装置中设有额外的冷端温度测量电路15。该电路是依据热电偶测量的原理而设计的。具体地说，计算每个被测点实际温度需要测量两个物理量1、热电偶的电压；2、 热电偶线与PCB电路板连接点(被称为“冷端”)的温度值(被称为“冷端温度”)，也就是说被测点温度=f (热电偶的电压，冷端温度)如果要获得多个被测点温度就需要测量多路热电偶电压，和多路热电偶的“冷端温度，，。较佳地，是将多个“冷端”都在电路板上紧密排布在一起，而且通过电路设计，使这些点的温度十分接近，几乎相等。然后在这里放置温度测量芯片作为冷端温度测量电路15， 测量该点的温度。由此得到冷端温度。冷端温度测量芯片可能的输出包括模拟电压输出和数字输出。如果是模拟电压输出，则信号送入MCU 17的A/D转换电路16，如图2所示的那样，再由MCU 17获取其输出电压大�。⒂纱思扑愠隼涠宋露戎�。如果是数字输出，则MCU 17直接就获得其温度数值。得到以上热电偶的电压、冷端温度两个数据以后，再通过电压-温度曲线，计算热电偶所在点的实际温度，并存储于MCU 17内部。在热电偶由于忘记接入或者接触不良导致没有接入的情况下，差分两端因为没有信号输入得到0电压，测量装置会认为热电偶所处的温度和冷端温度一样，从而得出一个错误的温度数值。因此，由比对信号源21和门限判决单元22组成的微弱电压检测电路能够识别热电偶是否接入。在此测量装置环境中，门限判决单元22将集成在MCU 17内部。如上所述，MCU 17 会从A/D转换电路16得到经过滤波、调理、量化的输入数据。这一数据反映热电偶信号的峰值。在热电偶接入和未接入两种情况下，MCU 17将会获得不同的数据。仍参照图3和图4，当热电偶连接时，C、D两端的电压Vm = Vi_Vi*Ri/ (Rl+R2+Ri) + (Vl-V2)*Ri/(Rl+R2+Ri)，由于 R1+R2 >> Ri，所以 Ri/(Rl+R2+Ri) ^ 0，因此 Vcd ^ Vi-Vi*0+(V1-V2)*0 = Vi。也就是说，输入给后续电路的信号就等于是热电偶信号。 MCU 17得到反映Vi峰值的数字信号，交由门限判决单元22判决发现热电偶的输入信号小于电压门限，据此判断热电偶已接入。当热电偶不连接的时候，A、B两端断路，C、D两端的电压就等于该叠加信号Vdiff = V1-V2，该信号经过后续的信号调理电路14的滤波、放大等，进入A/D转换电路16。MCU 17得到反映Vdiff峰值的数字信号，交由门限判决单元22判决发现输入信号大于电压门限，据此判断热电偶没有接入。值得一提的是，当考虑测量装置的系统精度时，信号内阻R1、R2与热电偶的输出内阻Ri的比例可以均大于10000 1，甚至更高，这可以使叠加信号对热电偶信号的影响尽量小。因此在测量装置环境中，无需添加任何额外的控制和额外的监测电路，只需在每个通道上叠加一个信号，利用原有的信号调理电路14、A/D转换电路16就能够检测出热电偶是否接入。虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
权利要求1.一种微弱电压信号接入检测电路，其特征在于包括比对信号源，叠加于一微弱电压信号的两输入端的其中一输入端，该比对信号源包含第一信号源，该第一信号源具有一第一电压和一第一内阻，该第一电压与该微弱电压信号的另一输入端的一参考电压之差的绝对值大于该微弱电压信号的电压峰值的绝对值，该第一内阻与该微弱电压信号输入端的内阻的比例大于100 1;以及门限判决单元，接收该该微弱电压信号或者其变换信号，并根据所接收到的信号是否超出一电压门限，来确定该微弱电压信号是否接入。
2.如权利要求1所述的微弱电压信号接入检测电路，其特征在于，该微弱电压信号为单端输入。
3.如权利要求1所述的微弱电压信号接入检测电路，其特征在于，该微弱电压信号输入端为双端差分输入。
4.如权利要求2或3所述的微弱电压信号接入检测电路，其特征在于，该比对信号源还包含第二信号源，叠加在该微弱电压信号的另一输入端，该第二信号源具有该参考电压和一第二内阻，该第二内阻与该微弱电压信号输入端的内阻的比例大于100 1。
5.如权利要求1所述的微弱电压信号接入检测电路，其特征在于，该微弱电压信号接入检测电路是结合到一物理量测量装置中，其中该微弱电压信号输入端为该物理量测量装置的传感器输出端，该门限判决单元是集成于该物理量测量装置的一微控制器内。
6.如权利要求5所述的微弱电压信号接入检测电路，其特征在于，该微弱电压信号输入端为双端差分输入。
7.如权利要求6所述的微弱电压信号接入检测电路，其特征在于，该第一信号源叠加在其中一差分输入端，该比对信号源还包含第二信号源，叠加在另一差分输入端，该第二信号源具有该参考电压和一第二内阻，该第二内阻与该微弱电压信号输入端的内阻的比例大于100 1。
8.如权利要求7所述的微弱电压信号接入检测电路，其特征在于，该第一内阻与该传感器的内阻的比例大于10000 1，该第二内阻与该微弱电压信号输入端的内阻的比例大于 10000 1。
9.如权利要求1或5所述的微弱电压信号接入检测电路，其特征在于，该传感器是热电偶。
专利摘要本实用新型涉及一种微弱电压信号接入检测电路，包括比对信号源，叠加于一微弱电压信号两输入端的其中一输入端，该比对信号源包含第一信号源，该第一信号源具有一第一电压和一第一内阻，该第一电压与微弱电压信号两输入端的另一输入端上的一参考电压之差的绝对值大于该微弱电压信号的电压峰值的绝对值，该第一内阻与该微弱电压信号输入端的内阻的比例大于100∶1；以及门限判决单元，接收该该微弱电压信号或者其变换信号，并根据所接收到的信号是否超出一电压门限，来确定该微弱电压信号是否接入。
文档编号G01K7/02GK202002670SQ20112003162
公开日2011年10月5日 申请日期2011年1月30日 优先权日2011年1月30日
发明者陈忠明 申请人:陈忠明
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
