|
多路仿真
多路仿真模型如图５所示。
| 
| 
图4 导通电路 | 图5 多路仿真模型
模型共有4路通道，每路电压为12V，采用电流开关控制采集通道的选通，控制电路为74LS138片选芯片。片选的三个输入端是频率为1000Hz、500Hz和250Hz的脉冲信号，这样，在输出端从Y0到Y7依次产生低电平信号，模型选用其中4路作为电流开关的控制信号。
当模型的第1路开通时，输出波形有比较明显的尖峰(峰值为10V左右)。而在其他路开通时，输出波形的尖峰比较小(峰值为1V左右)。而由单路仿真可知，电路中由感抗引起的尖峰一般不会到10V。
观察第1路PNP管上的波形，见图６。图中，位置靠下的曲线为c极的波形(图7中B点的波形)，位置靠上的曲线为e极的波形(图7中A点的波形)。从图中可以看出，在所有4路三极管都关闭的时刻，输出点B的电压比输入点A低24V左右，即D点电压低于A点24V左右(三极管关断时B、D两点电压相同，参见图6)。当PNP管的导通时间比NPN管短时，图7中通路打开前A点电压高于D点24V左右，当PNP管导通而NPN管还没有导通的时候，输出回路的压降UBD为24V，而当NPN管导通形成回路以后，要求输出压降下降到电池输入两端的电压值，即12V，此时，输出回路经过放电达到要求，而产生第1路导通时刻的尖峰。
由于电路是依次导通的，在上一路电路关闭时，输出端的电势维持在关闭前的状态，由此不会产生过高的尖峰。而小尖峰产生则主要是由电路感抗引起的。
当输入路数比较多的时候，在所有回路都关闭时，输出回路处在某个未知电平。当三极管开关时间特性不同时，在导通瞬间，输出波形中会出现尖峰，输入回路中与PNP管相对应端的电势越高，输出的尖峰则越高。
下面测量实际电路的波形，首先接入6路左右的16V电池组，用示波器观察输出回路中UOUT与地线之间的电压。第一路电池组导通时，输出电平左端有尖峰出现，实际波形与分析的吻合，搭建的仿真模型有效。
改进方案及改进后电路测量数据的精度
根据仿真结果，确定电路出现问题主要有以下两个原因：
1. 回路中感性元件的影响；
2. 三极管开关特性的影响，此为主要原因。
针对分析结果的改进方案
在本系统设计中，采取了以下改进措施：
1. 并联电容
为了消除电路中电感对电路的影响，在输出回路的两端并联电容。并联电容基本上与回路的电感呈一定比例，而使得电路呈纯阻性。
2. 串联限流电阻
在每对三极管和二极管中串联限流电阻，可以保护三极管不会由于过流而击穿。同时，由于此限流电阻还有分压作用，使得瞬变二极管上的电压进一步降低，使瞬变二极管不易被击穿。
 |  图6 第1路PNP三极管两端的波形 | 图7 第1路仿真模型
改进后的电路
经过在回路中串联限流电阻，电路的安全性得到保证。但电路的一致性和线性则需要进一步测试。
一致性测量
测量一致性的主要问题是电路中串联的限流电阻的阻值之间有误差。在电路中串联的限流电阻为20k，误差为1％。分别输入9V和16V待测电压，分别接入26路输入端，得到的测量数据不在此详述。
由数据可以看出，第22、23、25和26路的测量结果偏小，最大测量误差为1.25%，测量一致性良好。
线性测量
由于电路中使用了三极管等非线性元器件，所以测量的线性需要验证。验证时，随机抽取一路，输入电压在2.0V~20.0V之间，每隔1V测量一次数据，测量数据也不在此详述。
通过数据可知，输入电压在5V以下时，测量数据是不可靠的。当输入电压高于5V时，测量数据与输入电压基本呈线性关系。由于本系统主要用于镍氢电池的测量，模块电压为12V左右，电路可以满足测量要求。
结语
本文就A/D采样测量电路中常用的多路电压采集电路提出了一种设计方法。针对电路使用中出现的问题，结合Electronics Workbench电路仿真软件搭建模型仿真电路，提出了电路的改善方法。经过验证，电路的一致性和线性较好，同时又具有电路简单、器件少等优点。
| |
