一种宽范围电压采样及保护电路的制作方法

本发明属于模拟信号采集，具体涉及一种宽范围电压采样及保护电路。

背景技术：

1、在工业控制、电力监测、高精度模拟信号采集领域，电压采样技术应用广泛，但现有电阻采样网络技术存在诸多技术缺陷：传统采集电路仅支持固定分压，无法兼顾宽量程与低压段采集精度；负压采集依赖运算放大器等有源器件，电路结构复杂、成本高、需额外供电且易引入电路噪声；常规分段采集电路桥臂功能划分模糊，无法实现精准的档位切换控制；同时，现有电路量程拓展性差，缺乏高可靠性的无源硬件保护机制，超量程电压、负压信号易直接损坏adc芯片，难以满足工业场景高精度、宽量程、高可靠性的采集需求。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术的不足，提供了如下方案：

2、一种宽范围电压采样及保护电路，包括：模块化桥臂电路、采样节点和双向钳位保护电路；

3、所述模块化桥臂电路以三桥臂为基础结构，连接所述采样节点，并可扩展构成四桥臂、五桥臂及以上的多桥臂结构；

4、所述采样节点连接所述双向钳位保护电路；

5、所述双向钳位保护电路将采样电压钳位在0v至供电电压范围内。

6、优选的，所述三桥臂基础结构包括：输入桥臂、单向参考桥臂和双向参考桥臂；

7、所述输入桥臂由输入信号端经第一限流电阻连接至所述采样节点，用于接入待采集电压信号；

8、所述双向参考桥臂由第一参考电压端经第三限流电阻直接连接至所述采样节点，用于实现电平双向导通与基础分压；

9、所述单向参考桥臂由第二参考电压端依次经单向导通元件、第二限流电阻连接至所述采样节点，用于实现单向供电、信号电平抬升、防反流控制与分压档位自动切换。

10、优选的，在所述三桥臂基础结构上扩展形成的所述多桥臂结构中，新增桥臂均为单向参考桥臂，各拓展单向参考桥臂独立设置参考电压、单向导通元件与限流电阻。

11、优选的，当电路处于分压档位全部导通状态时，输入电压与采样节点电压的关系为：

12、

13、其中，表示第一限流电阻，表示第三限流电阻，表示第一参考电压端，

n表示桥臂总数，表示为第

i路参考桥臂的参考电压，表示第

i路桥臂的限流电阻，表示第

i路单向参考桥臂中二极管的正向导通压降。

14、优选的，所述单向导通元件采用二极管，所述单向导通元件的阳极连接对应单向参考桥臂的参考电压端，阴极连接对应限流电阻；

15、仅当所述采样节点电压小于对应参考电压时导通，所述单向参考桥臂参与并联分压；

16、当所述采样节点电压大于等于对应参考电压时关断，所述单向参考桥臂退出分压，此时输入电压与采样节点电压的关系为：

17、。

18、优选的，所述双向参考桥臂不设置单向导通元件，参考电压与采样节点之间双向导通，全程参与电路分压，维持采样电压电平基准。

19、优选的，电路的分压拐点、最低可测负压与参考电压满足：

20、分压拐点输入电压：

21、

22、其中，表示分压拐点输入电压，表示第二参考电压端；

23、最低可测负压：

24、

25、其中，表示最低可测负压。

26、优选的，所述三桥臂基础结构实现两段式自适应分压切换；

27、在此基础上扩展的四桥臂结构实现三段式自适应分压切换、五桥臂结构实现四段式自适应分压切换，分压档位随单向参考桥臂数量的增加同步拓展；

28、在所述多桥臂结构中，第

k个分压拐点输入电压满足：

29、

30、其中，表示第

k个分压拐点输入电压，

k表示已关断的单向参考桥臂数量，表示第

k+1个参考电压。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

32、本发明通过调节参考电压，可线性同步调节分压切换拐点与最低可测负压，电路依据采样电压自动切换参与分压的桥臂数量，实现多档位无源自适应分压，兼容超宽范围正负电压采集；电路采用全无源设计，无需有源器件与额外供电，兼具高精度、宽量程、硬件引脚保护功能，有效解决adc芯片采集电路量程窄、无法兼容负压、精度与量程难以兼顾的问题，适用于工业检测、电压监测、传感器信号采集等各类嵌入式场景。

1.一种宽范围电压采样及保护电路，其特征在于，包括：模块化桥臂电路、采样节点和双向钳位保护电路；

2.根据权利要求1所述宽范围电压采样及保护电路，其特征在于，所述三桥臂基础结构包括：输入桥臂、单向参考桥臂和双向参考桥臂；

3.根据权利要求1所述宽范围电压采样及保护电路，其特征在于，在所述三桥臂基础结构上扩展形成的所述多桥臂结构中，新增桥臂均为单向参考桥臂，各拓展单向参考桥臂独立设置参考电压、单向导通元件与限流电阻。

4.根据权利要求2所述宽范围电压采样及保护电路，其特征在于，当电路处于分压档位全部导通状态时，输入电压与采样节点电压的关系为：

5.根据权利要求4所述宽范围电压采样及保护电路，其特征在于，所述单向导通元件采用二极管，所述单向导通元件的阳极连接对应单向参考桥臂的参考电压端，阴极连接对应限流电阻；

6.根据权利要求1所述宽范围电压采样及保护电路，其特征在于，所述双向参考桥臂不设置单向导通元件，参考电压与采样节点之间双向导通，全程参与电路分压，维持采样电压电平基准。

7.根据权利要求4所述宽范围电压采样及保护电路，其特征在于，电路的分压拐点、最低可测负压与参考电压满足：

8.根据权利要求4所述宽范围电压采样及保护电路，其特征在于，所述三桥臂基础结构实现两段式自适应分压切换；