一种燃料电池阻抗测试设备的高精度采样电路的制作方法

1.本发明涉及燃料电池测试检测领域，特别涉及一种燃料电池阻抗测试设备的高精度采样电路。


背景技术：

2.燃料电池的广泛使用，当下已然成为电子行业进步的踏板，同时也是生活、工业中万众瞩目的存在，这也意味着燃料电池检测设备的研发早已是重中之重的任务。市场的大需求量，使燃料电池性能测试设备不得不跟上日益发展的高标准精度要求。
3.要想看燃料电池的使用情况，那就离不开对其阻抗(内阻)的测试。我们知道电池内部的相关容量与内阻是成反比的关系，这样，只要测了内阻那就可轻易获得容量的多少。燃料电池会有使用寿命，与之相关的内阻会在这个寿命周期里有个变化趋势，我们便可以依据此趋势来预测燃料电池的可用时间。要想燃料电池能使用得更长远，就不得不看重燃料电池内阻这一核心参数。既然有高需求那测量燃料电池的技术及设备就随之吃香。
4.燃料电池的内阻值通常都很小，大概是毫欧级别的。阻值量级如此小，所使用的测量仪器普通的就胜任不了了，仪器的灵敏度必须得好、抗干扰的优势也得很突出才行，这些高标准导致对测量的细节把控得非常严谨。不可忽视的一点就是所要测量的内阻是一种有源器件，这代表着会增加很多误差，比如线的误差、接触电阻的误差等等。为应对这些误差出现了很多测量燃料电池的方法，以下是现在经常使用到的解决办法：伏安法、短路电流法、方波电流法、交流阻抗法和交流电桥法等。其中重要的采样一环更是因为采样芯片的精度和采样速率不够、分压电路中电容电阻的精度和温度系数不满足而导致测试系统性能大打折扣。
5.如今市场流通的燃料电池阻抗检测设备或多或少都会有很多瑕疵，比如微小信号采集时不够稳定、检测精度达不到人们预期的精度要求、采样电路的采样精度很低和采样速率不够等等。
6.本发明就是为了解决采样信号精度低、误差大的问题，设计出高精度采样电路。为了减小系统偏差，使用高精度低温漂的电阻，高精度的专用采样芯片及其他优秀硬件设计电路来达到高标准要求。


技术实现要素：

7.针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种燃料电池阻抗测试设备的高精度采样电路，以解决背景技术中提到的问题。
8.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
9.一种燃料电池阻抗测试设备的高精度采样电路，包括有电流采样电路、电压采样电路、高精度模数转换器电路、数字隔离器电路、转换收发器电路、通信电路和电源电路；
10.所述电流采样电路中包括有跟随器a1b、低通滤波器、运算放大器a4a和a4b，所述跟随器a1b的后侧依次电性连接所述低通滤波器、所述运算放大器a4a和所述运算放大器
a4b；
11.所述电压采样电路中包括有高精度插件电阻r57、高精度插件电阻r67、电压跟随器a5b、低通滤波器、运算放大器a6a和a6b，所述高精度插件电阻r57的后侧依次电性连接所述高精度插件电阻r67、所述电压跟随器a5b、所述低通滤波器、所述运算放大器a6a和a6b。
12.通过采用上述技术方案，本发明解决了采样信号精度低、误差大的问题，设计出高精度采样电路，有效减小系统偏差，使用高精度低温漂的电阻，高精度的专用采样芯片及其他优秀硬件设计电路来达到高标准要求；通过电流采样电路和电压采样电路进行电流、电压采集，且各自一路，经过分压、跟随器、滤波、电平抬升、后到达各自的差分电路，之后再通过钳位二极管来到模数转换器，然后这些数据输入、数据输出，均是spi协议传输，初始化spi后，输入输出引脚配置相应的工作模式、待数据输出格式确定好后再进行多通道数据位置的选择，若数据未超时并完整接收完数据即可对数据进行分析处理。
13.较佳的，所述电流采样电路中还包括有电阻r44和电阻r51，所述电阻r44和所述电阻r51后电性连接有所述跟随器a1b，所述低通滤波器中包括有电性连接的电阻r12和电容c17。
14.通过采用上述技术方案，电阻r44和电阻r51的设定可以实现对电压进行分压处理，低通滤波器用于滤除不想要的频率。
15.较佳的，所述电压跟随器a5b后电性连接有电平抬升电路，所述电平抬升电路中包括有电阻r89和电阻r75，所述低通滤波器中包括有电性连接的电阻r89和电容c50。
16.通过采用上述技术方案，电平抬升电路，保证v2的电压值范围在0-3v，其中低通滤波器来滤除不想要的频率。
17.较佳的，所述高精度模数转换器电路中包括有a/d转换器ads1274，采样精度24bit，所述高精度模数转换器电路上设有八路采样通道。
18.通过采用上述技术方案，高精度模数转换器电路实现对数据信息进行有效的转换，并且通过spi通信接口实现数据高速传输。
19.较佳的，为实现优秀且灵活的电气隔离属性，电流/电压采样电路都使用了相应的电源隔离芯片，提供独立的电源和模拟地，屏蔽通道串扰，方便采集信号进到供电属性一致的模数转换器，隔离及附属电路得到简化。本设计针对通信隔离需求配置数字隔离芯片，不仅使板间高低压侧电平信号隔离，且提升数据信号传输抗扰能力，实现spi节点之间的电气及数据隔离，在保证高压采样点与微处理器电气隔离属性的前提下，提高数据准确性及通信稳定性。
20.较佳的，所述转换收发器电路中包括有lvx3245芯片，所述lvx3245芯片的两输入端分别电性连接有3.3v输入电压，所述lvx3245芯片的gnd端分别电性接地。
21.通过采用上述技术方案，转换收发器电路用于实现对数据信息进行有效的发送。
22.通过采用上述技术方案，通信电路用于实现对数据信息进行传输和通讯。
23.较佳的，所述电源电路中包括有urb2415ld-20wr3芯片和稳压芯片lm2596s，所述稳压芯片lm2596s的一端电性连接有电感线圈l6。
24.通过采用上述技术方案，电源电路用于实现对系统进行供电运行，保持系统的稳定运行的工作。
25.综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
26.本发明解决了采样信号精度低、误差大的问题，设计出高精度采样电路，有效减小系统偏差，使用高精度低温漂的电阻，高精度的专用采样芯片及其他优秀硬件设计电路来达到高标准要求；通过电流采样电路和电压采样电路进行电流电压采集，且各自一路，经过分压、跟随器、滤波、电平抬升、后到达各自的差分电路，采样信号经上述处理进入模数转换器，数据输入、输出均是spi协议传输，初始化spi后，输入输出引脚配置相应的工作模式、待数据输出格式确定好后再进行多通道数据位置的选择，若数据未超时并完整接收完数据即可对数据进行分析处理。
附图说明
27.图1是本发明的电流采样电路示意图；
28.图2是本发明的电压采样电路示意图；
29.图3是本发明的高精度模数转换器电路示意图；
30.图4是本发明的数字隔离器电路中的四通道数字隔离器示意图；
31.图5是本发明的数字隔离器电路中的双通道数字隔离器示意图；
32.图6是本发明的转换收发器电路示意图；
33.图7是本发明的通信电路示意图。
34.图8是本发明的电源电路示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例
37.参考图1-8，一种燃料电池阻抗测试设备的高精度采样电路，包括有电流采样电路、电压采样电路、高精度模数转换器电路、数字隔离器电路、转换收发器电路、通信电路和电源电路；
38.所述电流采样电路中包括有跟随器a1b、低通滤波器、运算放大器a4a和a4b，所述跟随器a1b的后侧依次电性连接所述低通滤波器、所述运算放大器a4a和a4b；
39.所述电压采样电路中包括有高精度插件电阻r57、高精度插件电阻r67、电压跟随器a5b、低通滤波器、运算放大器a6a和a6b，所述高精度插件电阻r57的后侧依次电性连接所述高精度插件电阻r67、所述电压跟随器a5b、所述低通滤波器、所述运算放大器a6a和a6b。
40.本发明解决了采样信号精度低、误差大的问题，设计出高精度采样电路，有效减小系统偏差，使用高精度低温漂的电阻，高精度的专用采样芯片及其他优秀硬件设计电路来达到高标准要求；通过电流采样电路和电压采样电路进行电流、电压采集，且各自一路，经过分压、跟随器、滤波、电平抬升后到达各自的差分电路，采样信号经上述处理后进入模数转换器。这些数据输入、数据输出，均是spi协议传输，输入输出引脚配置相应的工作模式、待数据输出格式确定好后再进行多通道数据位置的选择，若数据未超时并完整接收完数据即可对数据进行分析处理。
41.其中，所述电流采样电路中还包括有电阻r44和电阻r51，所述电阻r44和所述电阻r51后电性连接有所述跟随器a1b，所述低通滤波器中包括有电性连接的电阻r12和电容c17。效果为，电阻r44和电阻r51的设定可以实现对电压进行分压处理，低通滤波器用于滤除不想要的频率。
42.其中，所述电压跟随器a5b后电性连接有电平抬升电路，所述电平抬升电路中包括有电阻r89和电阻r75，所述低通滤波器中包括有电性连接的电阻r89和电容c50。效果为，电平抬升电路，保证v2的电压值范围在0-3v，其中低通滤波器作用为滤除不想要的频率。
43.其中，所述高精度模数转换器电路中包括有a/d转换器ads1274，所述高精度模数转换器电路上设有八路采样通道。效果为，高精度模数转换器电路实现对数据信息进行高速有效转换，并且通过spi通信接口实现数据高速传输。
44.其中，为实现优秀且灵活的电气隔离属性，电流/电压采样电路都使用了相应的电源隔离芯片，提供独立的电源和模拟地，屏蔽通道串扰，方便采集信号进到供电属性一致的模数转换器，隔离及附属电路得到简化。
45.本设计针对通信隔离需求配置数字隔离芯片，不仅使板间高低压侧电平信号隔离，且提升数据信号传输抗扰能力，实现spi节点之间的电气及数据隔离，在保证高压采样点与微处理器电气隔离属性的前提下，提高数据准确性及通信稳定性。
46.其中，所述转换收发器电路中包括有lvx3245芯片，所述lvx3245芯片的两输入端分别电性连接有3.3v输入电压，所述lvx3245芯片的gnd端分别电性接地。效果为，转换收发器电路用于实现对数据信息进行有效的发送。
47.其中，所述电源电路中包括有urb2415ld-20wr3芯片和稳压芯片lm2596s，所述稳压芯片lm2596s的一端电性连接有电感线圈l6。效果为，电源电路用于实现对系统进行供电运行，保持系统的稳定运行的工作。
48.电压采样电路中使用了高精度、低温漂的电阻，其精度达到
±
0.1％，温度系数为
±
5ppm/℃。如此低温漂的电阻在电路温度有所变动时，其电阻值随着温度变化的几率非常小。这代表温度每上升或降低一摄氏度，仅有百万分之五的阻值变化范围。凭借这个优势来弱化因温度变化导致阻值变动的不利影响，进而减轻变化的电阻值对整个输出信号带来的额外影响，一旦阻值稳定可靠，那担心整个采样电路精度的问题就可少一大半。
49.要想继续提升采样精度，那便不可忽视采样芯片的选取，采用的a/d转换器ads1274是一种高精度模数转换器，具有24位精度，赋予了一个工作模式可自主控制的高精度数据采集系统。突出功能还有它的高精度多通道同步采样和工作模式动态选择，这样便可以视所使用情况而定，找到一种与自己需求最适配的工作模式。a/d转换器ads1274有着62khz带宽，最高采样频率可达128ks/s，这大大地提高了数据处理能力。
50.进入到a/d转换器ads1274的是差分信号，其优势是有着两倍于单端信号的幅度，它还能提供优越的线性度和信噪比性能。差分电路还有一点就是对外部emi和附近信号的串扰有着令人满意的抗扰性。认为共模信号大都是不利的，设计差分信号就是特地为了减少共模信号影响而设计的。为避免采样电路因在pcb布局走线上出现较大误差而所引发一系列精度的问题，对此本技术中的一路电流采样和一路电压采样电路的差分信号有着严格的pcb布局要求。电流采样电路的差分信号adci_n和adci_p走线要求尽量是平衡对称的，尽量使走线距离短、走线宽度尽可能宽一些来减少阻抗，电压采样电路的差分信号adci_n和
adcv_p也是如此。这样出色的电路设计搭配着高精度采样芯片让采集到的数据是既可靠又稳定。
51.为实现优秀且灵活的电气隔离属性，电流/电压采样电路都使用了相应的电源隔离芯片，提供独立的电源和模拟地，屏蔽通道串扰，方便采集信号进到供电属性一致的模数转换器，隔离及附属电路得到简化。
52.本设计针对通信隔离需求配置数字隔离芯片，不仅使板间高低压侧电平信号隔离，且提升数据信号传输抗扰能力，实现spi节点之间的电气及数据隔离，在保证高压采样点与微处理器电气隔离属性的前提下，提高数据准确性及通信稳定性。
53.使用原理及优点：
54.电流采样电路兼容电流/电压型传感器，采样信号经转换电路后进入电压跟随器a1b，过电平抬升电路以保证adci的电压范围在0-3v，其中电阻r12和电容c17构成低通滤波器；adci进入运算放大器a4a的同相输入端，运算放大器a4b的同相输入端的电压是两个电阻分压后的值为1.5v的电平信号。运算放大器a4a和a4b组成的电路使adci_n和adci_p构成差分信号输出，差分信号输出端配置钳位电路，保证进入模数转换器的电压值在转换器的输入范围内，方便高精度的模数转换器对采集到的电平信号进行分析处理。
55.此处针对不同要采集的电压范围：5v-500v，设计了不同适配的电阻值电容值去与之对应来采样电压信号，如图2中的注释所示。电压采样信号正极v 经过电平转换电路，进入电压跟随器a5b，跟随的电压进入由电阻r89和电阻r75组成的电平抬升电路，保证v2的电压值范围在0-3v，其中电阻r89和电容c50构成低通滤波器。v2进入运算放大器a6a的同相输入端，运算放大器a6b的同相输入端的电压是电阻r42和电阻r56分压后的值为1.5v的电平信号。运算放大器a6a和a6b组成的电路使adci_v和adcv_p构成差分信号输出，差分信号输出端配置钳位电路，保证进入模数转换器的电压值在转换器的输入范围内，方便高精度的模数转换器对采集到的电平信号进行分析处理。
56.采集到的电平信号再处理后，经数字隔离及转换收发电路把相应的数据传送给mcu，通信模式为spi协议，ad采样芯片数据输出格式为轮询发送，并配置通信超时预警。
57.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。