应用于电压源远程校准系统的毫伏级电压频率转换电路

摘要

本实用新型提供了一种应用于电压源远程校准系统的毫伏级电压频率转换电路。该电路包括电源模块、手动/自动模式选择开关模块、毫伏级电压门限比较模块、逻辑编码模块、可编程增益运算放大模块、电压频率转换模块和放大增益显示模块。电源模块用于为其他模块提供工作电压。手动/自动模式选择开关模块实现手动选择放大增益及自动识别输入电压并选择相应放大增益两种模式的切换。毫伏级电压门限比较模块包括三组门限分别为1V、100mV、10mV的单限比较器，实现在自动模式下对输入电压进行识别并输出相应信号至逻辑编码模块。本实用新型可对毫伏级微小电压进行电压频率的高精度转换，可应用于电压源在检定点为毫伏级微小电压时的远程校准。

说明书

技术领域

本实用新型涉及电压频率转换技术领域，具体地说是一种应用于电压源远程校准系统的毫伏级电压频率转换电路。

背景技术

电压频率转换电路是把输入的模拟电压信号转换成脉冲串输出，脉冲串的频率与输入电压信号的幅值成正比。将电压量转换成频率信号后其抗干扰能力增强，应用于电压检测、数据采集和通讯系统等领域。

专利号为ZL202121052817.5的专利文件中公开了一种电压源远程校准系统。该系统基于GPS共视法在时间频率远程校准领域的应用，实现将电压信号转化为时间频率参数进行远程校准，通过电压频率转换模块将电压信号转换为对应频率的脉冲信号，结合卫星信号进行标准端与被校准端的远程比对，实现标准器不置于被校准现场的直流电压源远程校准。该系统由电压频率转换模块、标准电压源、GPS共视接收机、时间间隔计数器、计算机构成。其中，远程实验室和校准现场两端的电压频率转换模块实现分别将标准电压源和待校电压源输出的电压转换成对应频率的脉冲信号；两端的GPS共视接收机在同一时刻接收同一颗GPS卫星的时间信号；两端的时间间隔计数器实现测量GPS共视接收机输出的卫星同步秒脉冲与电压频率转换模块输出的频率脉冲信号的时差；现场控制计算机与远端控制计算机之间进行数据传输，通过数据处理完成将两端脉冲信号的时差比对以及频率比对，进而完成待校电压源与标准电压源的电压比对，得出校准结果，完成电压源远程校准过程，提高了校准效率。

在电压源远程量值传递与溯源中，检定点为毫伏级微小电压的校准难度较高，精度较低，实现直流电压源的远程校准，必须考虑到毫伏级微小电压的测量。然而上述的校准系统涉及到的电压频率转换模块只能保证在输入电压为伏级时的转换精度，对于1V以下的毫伏级微小电压，其转换精度和线性度难以达到校准系统的精度要求。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种应用于电压源远程校准系统的毫伏级电压频率转换电路，该电路尤其适用于毫伏级微小电压的电压频率转换，转换精度高、线性度好、稳定性高。

本实用新型是这样实现的：一种应用于电压源远程校准系统的毫伏级电压频率转换电路，包括电源模块、手动/自动模式选择开关模块、毫伏级电压门限比较模块、逻辑编码模块、可编程增益运算放大模块、电压频率转换模块和放大增益显示模块；

其中，所述电源模块与其他各模块均相接，用于为其他各模块提供工作电压；

所述手动/自动模式选择开关模块用于实现手动模式和自动模式的切换；所述手动模式指人为识别输入电压并手动选择相应放大增益，所述自动模式指自动识别输入电压并自动选择相应放大增益；

所述毫伏级电压门限比较模块分别与手动/自动模式选择开关模块和逻辑编码模块相接，用于在手动/自动模式选择开关模块切换至自动模式时，通过三组门限电平分别为10mV、100mV和1V的单限比较器，自动识别输入电压并输出相应的逻辑电平给逻辑编码模块；

所述逻辑编码模块分别与毫伏级电压门限比较模块、可编程增益运算放大模块和放大增益显示模块相接，用于对毫伏级电压门限比较模块输出的逻辑电平进行编码并输出相应的逻辑电平给可编程增益运算放大模块和放大增益显示模块；

所述可编程增益运算放大模块分别与逻辑编码模块和手动/自动模式选择开关模块相接；在自动模式下，所述可编程增益运算放大模块根据逻辑编码模块输出的逻辑电平对输入电压进行相应倍数的放大；在手动模式下，所述可编程增益运算放大模块根据手动/自动模式选择开关模块输出的逻辑电平对输入电压进行相应倍数的放大；

所述电压频率转换模块与所述可编程增益运算放大模块相接，用于将可编程增益运算放大模块输出的电压转换为对应的频率；

所述放大增益显示模块分别与逻辑编码模块和手动/自动模式选择开关模块相接，用于根据逻辑编码模块或手动/自动模式选择开关模块输出的逻辑电平对放大增益进行显示。

上述方案中，所述手动/自动模式选择开关模块包括双刀双掷开关和拨码开关；所述双刀双掷开关具有6个引脚，所述拨码开关具有4个引脚；其中，双刀双掷开关的引脚1连接输入电压，引脚2接+5V电压，引脚4和5均接地，引脚3连接毫伏级电压门限比较模块的输入端，引脚6与拨码开关的引脚1和2相接；拨码开关的引脚3和4作为手动模式下的输出端，分别与可编程增益运算放大模块和放大增益显示模块的输入端相接；手动模式下，双刀双掷开关的引脚1和4连通，引脚2和6连通；自动模式下，双刀双掷开关的引脚1和3连通，引脚2和5连通。

手动模式下，当输入电压大于等于1V时，手动拨动使拨码开关的引脚1和4断开，引脚2和3断开；当输入电压大于等于100mV小于1V时，手动拨动使拨码开关的引脚1和4断开，引脚2和3闭合；当输入电压大于等于10mV小于100mV时，手动拨动使拨码开关的引脚1和4闭合，引脚2和3断开；当输入电压小于10mV时，手动拨动使拨码开关的引脚1和4闭合，引脚2和3闭合。

上述方案中，所述毫伏级电压门限比较模块包括LM339LV芯片以及由电阻和稳压管组成的外接电路；LM339LV芯片由四个独立的电压比较器组成，利用其中三个比较器，外接电阻和稳压管，构成三组单限比较器；

对于门限电平为1V的第一比较器，输入电压通过第二电阻与第一比较器的反相输入端相接，-5V参考电压通过第一电阻与第一比较器的反相输入端相接，第一比较器的输出端与第一稳压管的阳极相接，第一稳压管的阴极与第一比较器的反相输入端相接，第一比较器的同相输入端通过第五电阻接地；第一电阻阻值是第二电阻阻值的5倍；

对于门限电平为100mV的第二比较器，输入电压通过第三电阻与第二比较器的反相输入端相接，-5V参考电压通过第六电阻与第二比较器的反相输入端相接，第二比较器的输出端与第二稳压管的阳极相接，第二稳压管的阴极与第二比较器的反相输入端相接，第二比较器的同相输入端通过第五电阻接地；第六电阻阻值是第三电阻阻值的50倍；

对于门限电平为10mV的第三比较器，输入电压通过第四电阻与第三比较器的反相输入端相接，-5V参考电压通过第七电阻与第三比较器的反相输入端相接，第三比较器的输出端与第三稳压管的阳极相接，第三稳压管的阴极与第三比较器的反相输入端相接，第三比较器的同相输入端通过第五电阻接地；第七电阻阻值是第四电阻阻值的500倍；

三个稳压管的稳压值均为+3.3V。

上述方案中，所述放大增益显示模块包括SN74LS138型3线-8线译码器和四组发光二极管；译码器的引脚16接+5V电压，引脚1和2作为输入端连接逻辑编码模块和手动/自动模式选择开关模块的输出端；引脚15、14、13、12为低电平有效的输出端，分别与四组发光二极管的阴极连接；四组发光二极管的阳极均通过电阻与+3.3V电压相接。

上述方案中，所述电压频率转换模块包括LM331芯片和外接电路；LM331芯片包括镜像电流源、电流开关、电流泵、带隙基准电路、R-S触发器、输入比较器、定时比较器、输出驱动管、输出保护管和复位晶体管。

上述方案中，所述可编程增益运算放大模块采用PGA204高精度可编程增益仪表放大器，增益为1、10、100、1000。

上述方案中，所述逻辑编码模块采用SN74HC148型8线-3线优先级编码器。

上述方案中，所述电源模块由AC220V转DC+12V模块、DC+12V转DC+5V模块、DC+5V电压基准模块、DC+5V转DC±5V模块、DC+5V转DC±15V模块、DC+5V转DC+3.3V模块构成；

所述AC220V转DC+12V模块由ACF-10S12交流/直流电源模块和外接电路构成，实现将交流220V电压转换为直流+12V电压；

所述DC+12V转DC+5V模块由MCW03-12S05直流/直流转换器模块和外接电路构成，实现将直流+12V电压转换为直流+5V电压；

所述DC+5V电压基准模块采用REF5050电压基准芯片，通过+5V供电输出稳定的+5V基准电压；

MCW03-12S05、REF5050的电压输出引脚均与DC+5V转DC±5V模块、DC+5V转DC±15V模块、DC+5V转DC+3.3V模块的电压输入引脚连接，提供+5V电压输入。

所述DC+5V转DC±5V模块采用G0505S-1WR2直流/直流正负双路输出电源模块，外接若干组电容，实现将直流+5V电压转换为直流±5V电压；所述DC+5V转DC±15V模块采用G0515S-1WR2直流/直流正负双路输出电源模块，外接若干组电容，实现将直流+5V电压转换为直流±15V电压；所述DC+5V转DC+3.3V模块采用LT1763CS8-3.3低压差稳压器，外接若干组电容和电感，实现+3.3V输出。

本实用新型针对毫伏级微小电压电压频率转换精度低、线性度低的问题，对电压频率转换电路进行重新设计，使其可以实现对输入电压量级的识别、放大增益的选择、选择性放大以及对毫伏级微小电压进行电压频率的高精度转换，可应用于电压源在检定点为毫伏级微小电压时的远程校准。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：当输入电压为毫伏级微小电压时，本实用新型所提供的毫伏级电压频率转换电路的转换精度高、线性度好、稳定性高。针对现有的基于GPS共视法的电压源远程校准系统在检定点为毫伏级微小电压时测量精度低的问题，本实用新型涉及的毫伏级电压频率转换电路，可实现将电压源输出的毫伏级电压转换成脉冲信号，脉冲信号的频率值与电压值成正比，通过GPS共视技术完成远程实验室和校准现场两端的时间频率比对，通过毫伏级电压频率转换电路进行电压频率转换，进而完成两端电压源的电压比对，实现远程校准。

附图说明

图1是本实用新型中毫伏级电压频率转换电路的结构框图。

图2是本实用新型中电源模块的电路结构图。

图3是本实用新型中手动/自动模式选择开关模块的电路结构图。

图4是本实用新型中毫伏级电压门限比较模块的电路结构图。

图5是本实用新型中逻辑编码模块的电路结构图。

图6是本实用新型中可编程增益运算放大模块的电路结构图。

图7是本实用新型中电压频率转换模块的电路结构图。

图8是本实用新型中LM331的电路结构图。

图9是本实用新型中放大增益显示模块的电路结构图。

图10是本实用新型中毫伏级电压频率转换电路的整体电路结构图。

具体实施方式

本实用新型可应对当输入电压为毫伏级微小电压时，电压频率转换精度低、线性度低的难题。采用本实用新型，可实现当输入电压为1V以上时，无需放大，直接进行电压频率转换，而当输入电压低于1V时，根据其不同量级进行相应增益的放大，然后再进行电压频率转换，以保证电压频率转换的准确度。

如图1所示，本实用新型所提供的应用于电压源远程校准系统的毫伏级电压频率转换电路包括电源模块、手动/自动模式选择开关模块、毫伏级电压门限比较模块、逻辑编码模块、可编程增益运算放大模块、电压频率转换模块和放大增益显示模块。电源模块用于为其他各个模块提供电源以及基准电压，电源模块通过外接220V交流电压以及5V电池给其他模块提供±5V、+3.3V和±15V的电压。手动/自动模式选择开关模块实现手动选择放大增益以及自动识别输入电压并选择相应放大增益两种模式的切换，且可实现手动模式下，放大增益的选择。毫伏级电压门限比较模块由三组单限比较器构成，三组单限比较器的门限分别为1V、100mV、10mV，实现在自动模式下对输入电压大小进行识别并判断，判断出电压在1V以上、100mV-1V、10mV-100mV、10mV以下的哪一范围内，然后输出相应的逻辑信号至逻辑编码模块。逻辑编码模块实现为可编程增益运算放大模块提供逻辑信号。可编程增益运算放大模块实现对输入电压进行1倍、10倍、100倍或1000倍的放大，其放大增益由逻辑编码模块提供的逻辑信号决定。电压频率转换模块实现将放大后的电压进行电压频率的高精度转换，输出其频率与输入电压成正比的脉冲串。

下面结合附图对本实用新型中各模块的具体电路结构进行详细描述。

图2为电源模块的电路结构图。电源模块由AC220V转DC+12V模块、DC+12V转DC+5V模块、DC+5V电压基准模块、DC+5V转DC±5V模块、DC+5V转DC±15V模块、DC+5V转DC+3.3V模块构成。

AC220V转DC+12V模块由MINMAX公司的ACF-10S12交流/直流电源模块和外接电路构成，实现将交流220V电压转换为直流+12V电压。DC+12V转DC+5V模块由MINMAX公司的MCW03-12S05直流/直流转换器模块和外接电路构成，实现将直流+12V电压转换为直流+5V电压。DC+5V电压基准模块选用TI公司的REF5050电压基准芯片，具有低噪声、低温漂、高精度的特点，+5V供电，输出稳定的+5V基准电压。为适应多种应用场景，通过上述三种模块可实现电源模块的交流220V和直流+5V两种供电方式，模块可根据现场环境条件选择通过交流220V电源或直流5V电池进行供电。MCW03-12S05、REF5050的电压输出引脚均与DC+5V转DC±5V模块、DC+5V转DC±15V模块、DC+5V转DC+3.3V模块的电压输入引脚连接，提供+5V电压输入。

DC+5V转DC±5V模块选用MORNSUN公司的G0505S-1WR2直流/直流正负双路输出电源模块，外接多组电容，实现将直流+5V电压转换为直流±5V电压。G0505S-1WR2的引脚1为+5V电压输入端，引脚7、引脚5分别为+5V、-5V电压输出端，引脚7与毫伏级电压门限比较模块的V

DC+5V转DC±15V模块选用MORNSUN公司的G0515S-1WR2直流/直流正负双路输出电源模块，外接多组电容，实现将直流+5V电压转换为直流±15V电压。G0515S-1WR2的引脚1为+5V电压输入端，引脚7、引脚5分别为+15V、-15V电压输出引脚，引脚7、引脚5分别与可编程增益运算放大模块的+V、-V引脚连接，为该模块提供±15V电源；引脚7与电压频率转换模块的VS引脚连接，为该模块提供+15V电源。

DC+5V转DC+3.3V模块选用LT公司的LT1763CS8-3.3微功率、低噪声、低压差稳压器，外接多组电容和电感，实现+3.3V输出，引脚1为电压输出引脚，引脚1与放大增益显示模块的四组发光二极管的阳极连接，为发光二极管的阳极提供高电平。

图3是本实用新型中手动/自动模式选择开关模块的电路结构图。手动/自动模式选择开关模块由双刀双掷开关SW1和拨码开关SW2构成。通过切换双刀双掷开关SW1，可实现手动选择放大增益以及自动识别输入电压并选择相应放大增益两种模式的切换，通过拨动拨码开关SW2，可实现手动模式下，放大增益的选择。整个毫伏级电压频率转换电路的输入电压由SW1的引脚1输入，引脚2为+5V供电，引脚3通过毫伏级电压门限比较模块的外接电路与该模块的电压输入引脚连接，为三组单限比较器提供输入电压。SW1的引脚6与拨码开关SW2的引脚1、2连接，提供+5V高电平输入；SW1的引脚4、5接地；SW2的引脚4、3分别与可编程增益运算放大模块的A1、A0引脚连接，SW2的引脚4、3又分别与放大增益显示模块的引脚A、B连接，向可编程增益运算放大模块和放大增益显示模块输出逻辑电平。

若将模块切换为手动选择放大增益模式，即人工判断检定点电压值的量级范围，并主动选择放大增益。将双刀双掷开关SW1切换到使引脚1、4连通，引脚2、6连通，使输入电压由地线导出，不通过毫伏级电压门限比较模块，使+5V高电平导入拨码开关SW2。若输入电压U

若将模块切换为自动识别输入电压模式，即无需人工判断检定点电压值的范围，通过自动识别输入电压，自动选择相应的放大增益。将双刀双掷开关SW1切换到使引脚1、3连通，引脚2、5连通，使输入电压导入毫伏级电压门限比较模块，进行自动识别，拨码开关SW2无电流通过。

图4是本实用新型中毫伏级电压门限比较模块的电路结构图。毫伏级电压门限比较模块由TI公司的LM339LV四路差动比较器芯片和由电阻和稳压管组成的外接电路构成。LM339LV芯片由四个独立的电压比较器组成，利用其中三个比较器A、B、C，外接特定参数的电阻和稳压管，构成三组单限比较器。以比较器A为例进行说明：引脚4为比较器A的反相输入端，引脚5为其同相输入端，引脚2为输出端，输入电压U

毫伏级电压门限比较模块可实现当输入电压在1V以上时，引脚2、1、14输出逻辑“111”；当输入电压在100mV-1V内时，引脚2、1、14输出逻辑“011”；当输入电压在10mV-100mV内时，引脚2、1、14输出逻辑“001”；当输入电压在10mV以下时，引脚2、1、14输出逻辑“000”。

图5是本实用新型中逻辑编码模块的电路结构图。逻辑编码模块选用TI公司的SN74HC148型8线-3线优先级编码器，具有输入的优先级编码功能，将8条数据线编码为3位二进制逻辑信号，输入和输出端在低电平下有效。引脚16为电源引脚，模块支持+5V供电；引脚4、3、2接收来自毫伏级电压门限比较模块的引脚2、1、14的逻辑电平作为地址输入，其他地址端，即引脚1、10、11、12、13接地；低电平有效使能端引脚5接地；输出端只利用引脚A1、A0，即引脚7、9，分别与可编程增益运算放大模块的引脚A1、A0连接，对可编程增益运算放大模块输出逻辑电平。

逻辑编码模块可实现当引脚4、3、2输入逻辑“111”时，引脚7、9输出逻辑“00”；当引脚4、3、2输入逻辑“011”时，引脚7、9输出逻辑“01”；当引脚4、3、2输入逻辑“001”时，引脚7、9输出逻辑“10”；当引脚4、3、2输入逻辑“000”时，引脚7、9输出逻辑“11”。

图6是本实用新型中可编程增益运算放大模块的电路结构图。可编程增益运算放大模块选用TI公司的PGA204高精度可编程增益仪表放大器，增益为1、10、100、1000，由两条TTL或CMOS兼容地址线A0和A1选择，PGA204经过激光微调，具有极低的失调电压(50μV)、漂移(0.25μV/℃)和极高的共模抑制比(增益为1000时为115dB)。引脚13、8为电源引脚，±15V供电，由电源模块的G0515S-1WR2提供；引脚5为电压输入端，整个毫伏级电压频率转换电路的输入电压由引脚5输入；引脚16、15为逻辑电平输入端A1、A0，在手动选择放大增益模式下，引脚16、15接收拨码开关SW2的引脚4、3输出的逻辑电平，在自动识别输入电压模式下，引脚16、15接收逻辑编码模块的引脚7、9输出的逻辑电平；引脚11为电压输出端，输入电压经本模块放大后，由引脚11输出；引脚12为反馈端，与引脚11连接，引脚4、10、14接地。

可编程增益运算放大模块可实现当引脚16、15输入逻辑“00”时，模块放大增益为1；当引脚16、15输入逻辑“01”时，增益为10；当引脚16、15输入逻辑“10”时，增益为100；当引脚16、15输入逻辑“11”时，增益为1000。

图7是本实用新型中电压频率转换模块的电路结构图。电压频率转换模块由TI公司的LM331芯片和由温度稳定性高的特定参数电阻电容组成的外接电路构成。LM331用作电压频率转换器时，其输出是一个脉冲串，脉冲串的频率与所输入的电压成正比关系，且脉冲输出兼容所有的逻辑形式，LM331采用了新的温度补偿带隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度，LM331温度稳定性强，可达±50ppm/℃，同时其动态范围宽，可达100dB，线性度好，最大非线性失真小于0.01％。

结合图8，图8是本实用新型中LM331的电路结构图。LM331主要由镜像电流源、电流开关、电流泵、带隙基准电路、R-S触发器、输入比较器、定时比较器、输出驱动管、输出保护管和复位晶体管等部分组成。其中，带隙基准电路用来向各个电路提供偏置电流；电流泵使引脚2的电压维持在1.90V；镜像电流源使引脚1电流与引脚2的相等；输入比较器的同相输入端(引脚7)接待转换的输入电压；输出驱动管采用集电极开路的方式，可以根据外接电源改变输出脉冲的逻辑电平(引脚3)，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

引脚8为电源引脚，支持+15V供电，由电源模块的G0515S-1WR2提供；引脚7为电压输入端，接收可编程增益运算放大模块的输出电压；引脚3为频率输出端，作为整个毫伏级电压频率转换电路的输出端，输出与输入的电压成正比关系的频率的脉冲串。引脚1为电流输出端，引脚6为阈值输入端，用47Ω的电阻R9和1μF的电容C25串联接地，可提高模块线性度；引脚5为R-C滤波器输入端，由电容C27和电阻R11组成低通滤波电路；引脚2为参考电流输入端，接入串联的固定电阻R7和可调电阻Rp，以用来调整电阻R8、电阻R11和电容C27引起的误差。

当引脚7输入正电压U

根据充放电过程中电容C25的电荷平衡可知：

本实用新型应用于电压源远程校准时，为保证远程实验室端与校准现场端的两个毫伏级电压频率转换电路的一致性，需在校准工作前对可调电阻Rp进行调节，使两个毫伏级电压频率转换电路的输出频率与输入电压的线性关系一致。

图9是本实用新型中放大增益显示模块的电路结构图。放大增益显示模块由TI公司的SN74LS138型3线-8线译码器和四组发光二极管构成。SN74LS138译码器的引脚16为电源引脚，+5V供电；引脚1、2为地址输入端A、B，在手动选择放大增益模式下，引脚1、2接收拨码开关SW2的引脚4、3输出的逻辑电平，在自动识别输入电压模式下，引脚1、2接收逻辑编码模块的引脚7、9输出的逻辑电平；引脚6为高电平有效选通端，接+5V电源；引脚4、5为低电平有效选通端，接地；引脚15、14、13、12为低电平有效的输出端Y0、Y1、Y2、Y3，分别与四组发光二极管的阴极连接；四组发光二极管的阳极均通过电阻与+3.3V电源连接，+3.3V电源由电源模块的LT1763CS8-3.3提供。

放大增益显示模块的作用是实时显示放大增益。放大增益显示模块可实现当引脚1、2输入逻辑“00”，引脚15为低电平，引脚14、13、12为高电平，LED1导通灯亮，其他LED不亮，表示放大增益为1；当引脚1、2输入逻辑“01”，引脚14为低电平，LED2灯亮，表示放大增益为10；当引脚1、2输入逻辑“10”，引脚13为低电平，LED3灯亮，表示放大增益为100；当引脚1、2输入逻辑“11”，引脚12为低电平，LED4灯亮，表示放大增益为1000。

图10是上面图2-图9中各模块电路结构连接在一起所形成的本实用新型中毫伏级电压频率转换电路的整体电路结构图。

应用于电压源远程校准时，本实用新型所提供的毫伏级电压频率转换电路，可实现将电压源输出的毫伏级电压转换成脉冲信号，脉冲信号的频率值与电压值成正比，在现有的电压源远程校准系统中，通过GPS共视技术可完成远程实验室和校准现场两端的毫伏级电压频率转换电路输出的频率比对，而频率是通过毫伏级电压频率转换电路将标准电压源和待校电压源的电压经过电压频率转换而来的，进而可完成两端电压源的电压比对，实现远程校准。当检定点为毫伏级微小电压时，输入电压会通过本实用新型中电路进行放大，并由放大增益显示模块实时显示放大增益，对于这些检定点，在数据处理时，应对计算后的电压差值缩小相应的倍数，作为校准结果。