万能模拟信号输入采集电路

徐安军

XU An-jun

（浙江中控自动化仪表有限公司）

（Zhejiang Supcon Instrument Co., Ltd.）

万能模拟信号输入采集电路

徐安军

XU An-jun

（浙江中控自动化仪表有限公司）

（Zhejiang Supcon Instrument Co., Ltd.）

介绍一种万能模拟信号输入采集电路，可以同时支持电压、电流、热电偶、热电阻等常见的工业类型信号，方便后级电路的测量。该研究成果通过不断优化和完善，已成功应用到了中控仪表的新产品中。

万能输入；热电偶；热电阻；电流测量；电压测量

1　引言

随着科技的发展，工业现场往往存在多种类型的信号。常见的有电流信号（4～20mA、0～10mA）、电压信号（1～5V、0～10V）、热电阻、热电偶信号等。如果测量设备的1个通道只能测量1种类型的信号，则设备的通道数量将非常庞大，或者测量设备的类型将增加许多，给工程布线、设备管理等带来诸多不便。

使用万能信号输入电路就可以很好地解决这个问题，用户只需将不同的信号接到相应的端子上，并在仪表上设置相应的组态就可以实现多种信号的输入了。因此，万能信号输入电路必然是工业测量设备中的核心技术之一。

图1　万能模拟信号的接线图

2　万能输入接线端子介绍

万能输入电路的每个通道都有3个端子，分别记为A、B、C，可以实现多种信号的接入。接线方式如图1所示。

1）当输入信号为电压时，信号接在端子A和C之间。电压信号可以是（0～10）V、（1～10）V、（0～5）V、（1～5）V等。

2）当输入信号为电流时，输入信号接在端子B、C之间。电流信号可以是（0～20）mA、（4～20）mA等。

3）当输入信号是热电偶时，信号接在端子A、C之间。按照IEC国家标准，采用S、B、E、K、R、J、T7种标准化热电偶作为输入信号。对热电偶的测试，实际上是测量热电偶的电动势，也是电压信号，只是幅值比较低，一般为毫伏级别的电压信号。

4）当输入信号为热电阻信号，如PT100、CU50、PT1000、Ni1000等，一般采用三线制，热电阻的一端接在端子A上，另外一端的两根线分别接在端子B、C上。

3　万能输入电路

万能模拟信号输入测量的电路示意图如图2所示。其中，SW1～SW8是带隔离的电子开关，用于信号切换。PA0～PA3是MCU的IO输出控制信号，用于控制电子开关SW1～SW5的开关状态。Big、small、cws是MCU的IO输出控制信号。其中Big、small用于大小信号的切换，cws用于电流测量时的信号采集。AIN1+、AIN1-、AIN2+、AIN2-分别是ADC的两个信号采集通道。RJ1、RJ2、RJ3是精密电阻。其中，RJ1与RJ2用于大信号的衰减，衰减系数约为0.05倍。RJ3是电流取样电阻，阻值为24.9Ω。

图2　万能输入电路

3.1电压测量

1）开关状态

控制信号PA0 PA1 PA2 PA3 Big small cws电平状态L H L H H L L电子开关SW1 SW2 SW3 SW4、SW5 SW6 SW7 SW8开关状态断开闭合断开闭合闭合断开断开

2）测量原理

如图3所示，当输入信号为电压时，输入电压信号正负两端分别连接A、C端子，控制信号将电子开关SW2、SW4、SW5、SW6闭合，其他的开关断开。从而将A端电压信号衰减0.05倍后传输至ADC芯片的第一个通道采样正端，将C端电压信号传输至ADC芯片的第一个通道采样负端。同时，将C端电压信号叠加到2.5V基准电压上，作为ADC的信号采样中间点，以便于实现正负信号的测量。电压信号的最大输入范围为（0～10）V，衰减0.05倍后变为（0～0.5）V，即输入到ADC采集通道的实际信号为（0～0.5）V。

图3　电压测量示意图

3.2热电偶测量

1）开关状态

控制信号PA0 PA1 PA2 PA3 Big small cws电平状态L H L H L H L电子开关SW1 SW2 SW3 SW4、SW5 SW6 SW7 SW8开关状态断开闭合断开闭合断开闭合断开

2）测量原理

热电偶的接线方式、测量原理与电压测量一致。只是热电偶的热电势经过切换开关后直接进入ADC采集通道中，而不用经过衰减电路。

3.3电流测量

1）开关状态

控制信号PA0 PA1 PA2 PA3 Big small cws电平状态L L L H L H H电子开关SW1 SW2 SW3 SW4、SW5 SW6 SW7 SW8开关状态断开断开断开闭合断开闭合闭合

2）测量原理

如图4，当输入信号为电流时，输入电压信号正负两端分别连接B、C端子，控制信号将电子开关SW4、SW5、SW8闭合，其他的开关断开。

图4　电流测量示意图

输入电流经过取样电阻RJ3（24.9Ω）形成回路，取样电压（IX×24.9Ω）与输入电流的大小成线性关系。电子开关将精阻RJ3的正端电压信号传输至ADC芯片的第2个通道采样负端；将精阻RJ3的正端电压信号传输至ADC芯片的第2个通道采样正端，同时，将精阻RJ3的正端电压信号叠加到2.5V基准电压上，作为ADC的信号采样中间点，以便于实现正负信号的测量。可见对于从B端流入，C端流出的电流信号，设计方案中实际上是将RJ3上的等效电压通过反向的方式来测量的。电流信号的最大输入范围为（0～20）mA，则输入到ADC采集通道的信号为（0～-0.498）V。

3.4三线制电阻的测量

当输入信号为电阻时，如PT100、CU50、PT1000、NI1000等热电阻，热电阻的一端接在A端口上，另外一端的两根线接在B、C端口上。实际应用中，热电阻要安装在被测环境中，与电阻测量设备有一定的距离，故引线电阻不能忽略。因此，实际使用时一般采用三线制的测量方式。通过电路处理消除引线电阻，从而实现热电阻的精确测量。

本电路测量热电阻分三步进行，首先测量总电阻，包括热电阻和引线电阻，然后再对引线电阻进行测量，通过计算可以消除引线电阻。由于热电阻是采用三线制的接法，3根信号线的材质、线径、以及长度都是一样的，故可以认为3根线的引线电阻是相等的。测量其中任意1根信号线的线上电阻即可知晓其他线上的引线电阻。最后，因为测量电阻是需要对外提供激励电流，该电流会随着环境温度的变化而有细微的差异；再者，不同模块之间的激励电流大小也难以保证完全相等。为此，还需要对激励电流进行校正。但是，激励电流相对还是稳定的，所以也无需每次测量热电阻的时候都对激励电流进行测量。为提高效率，可以每隔一段时间校正一次。

3.4.1总电阻的测量

1）开关状态

控制信号PA0 PA1 PA2 PA3 Big small cws电平状态H H L H L H L电子开关SW1 SW2 SW3 SW4、SW5 SW6 SW7 SW8开关状态闭合闭合断开闭合断开闭合断开

2）测量原理

如图5，外接热电阻（RX）时，激励电流通过电子开关SW1→端口A→RI→RX→RI→端口C→SW5→2.5V基准电源形成回路。电阻（RI+RX+RI）上的电压通过电子开关SW2、SW4传输到ADC芯片的第二采集通道中，同时通过电子开关SW5将2.5V基准电压叠加到ADC芯片的第二采集通道的负端。当热电阻是PT100、CU50等小阻值传感器时，激励电流选择0.5mA档，而当热电阻是PT1000、Ni1000时，则选择0.25mA档。ADC采集的电压值V1的大小为：

图5　总电阻测量示意图

3.4.2引线电阻的测量

1）开关状态

控制信号PA0 PA1 PA2 PA3 Big small cws电平状态H L H H L H L电子开关SW1 SW2 SW3 SW4、SW5 SW6 SW7 SW8开关状态闭合断开闭合闭合断开闭合断开

2）测量原理

如图6，测量引线电阻时时，激励电流的回路不变。C端的引线电阻（RI）上的电压通过电子开关SW3、SW4传输到ADC芯片的第二采集通道中，同时通过电子开关SW5将2.5V基准电压叠加到ADC芯片的第二采集通道的负端。ADC采集的电压值V2的大小为：

图6　引线电阻测量示意图

3.4.3激励电流的测量

将用于测量切换的电子开关SW1～SW8都断开，即控制信号PA0～PA3、big、small、cws都设置为低电平。将激励电流校准信号Cst置高，则电子开关SW9～SW10都闭合。激励电流IS通过电子开关SW9、精密电阻RJ4、2.5V基准电源构成回路。通过电子开关SW10、SW11将取样电阻RJ4两端的电压送到ADC采集通道中。此时ADC测量的电压V3的大小为：

图7　激励电流测量示意图

3.4.4热电阻阻值的计算和温度值的折算

通过分时测量热电阻的总电阻、引线电阻和激励电流，即可由上述的3个公式计算出热电阻本身的阻值RX：

由热电阻的阻值，通过对应热电阻的温度分度表即可知晓被测环境中的温度值。

4　结语

上述万能模拟信号输入采集电路经过实测达到了设计标准，具有多种信号输入采集的功能。在此基础上，还可以方便拓展出多通道隔离万能信号输入功能，完全可以满足实际产品中对多种类型模拟信号的输入采集的需求。

[1]GB/T 6587—2012 电子测量仪器通用规范[s].

[2]GB 30439.10—2014，工业自动化产品安全要求 第10部分:记录仪表的安全要求[s].

[3]GB/T 25479—2010工业过程测量和控制系统用无纸记录仪[s].

The Collection Circuit of Universal Input Analog Signals Type

The paper introduces a collection circuit of universal signal input. The circuit support voltage, current, thermocouple, thermal resistance and other common industrial type signal. The research results, which has been continuous optimized and improved, has been successfully applied to the new production of Zhejiang Supcon Instrument Co., Ltd.

universal input signal; thermocouple; thermal resistance; current measurement; voltage measurement