一種交流電壓的有效值隔離采樣電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于，包括：采樣電阻、電壓互感器、運放電路、全波整流電路和高階低通濾波電路；其中，所述采樣電阻的輸入端連接至待采樣交流電壓，輸出端與所述電壓互感器的輸入端相連；所述電壓互感器的輸出端與所述運放電路輸入端相連；所述運放電路的輸出端與所述全波整流電路的輸入端相連；所述全波整流電路的輸出端與所述高階低通濾波電路的輸入端相連。本實用新型減少基準電源芯片，有效地優(yōu)化了成本，且將交流電壓通過轉(zhuǎn)化，得到和有效值對應(yīng)的直流電壓，送給CPU的A/D采樣口，從而大大減少了CPU的運算資源，提高了CPU的運算能力。
【專利說明】—種交流電壓的有效值隔離采樣電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種交流電壓的檢測技術(shù)，尤其是一種交流電壓的有效值隔離采樣電路。

【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)交流電壓采樣電路通常需要提供一個基準電源作比較電路的參考電平，通過上抬電壓的方式，才能達到CPU采樣的范圍，且直接將運放后的幅值送給CPU，需要CPU內(nèi)部再經(jīng)過復(fù)雜計算轉(zhuǎn)化，才能得到交流電壓的有效值，這樣就占用了 CPU的運算資源，影響了CPU的使用率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的在于提供一種交流電壓的采樣電路，以實現(xiàn)交流電壓的有效值采樣，同時達到簡化采樣電路和減少CPU運算資源的目的。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是:一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于，包括:采樣電阻、電壓互感器、運放電路、全波整流電路和高階低通濾波電路；其中，所述采樣電阻的輸入端連接至待采樣交流電壓，輸出端與所述電壓互感器的輸入端相連；所述電壓互感器的輸出端與所述運放電路輸入端相連；所述運放電路的輸出端與所述全波整流電路的輸入端相連；所述全波整流電路的輸出端與所述高階低通濾波電路的輸入端相連。
[0005]在本實用新型一實施例中，所述有效值隔離采樣電路中還包括一限幅保護電路；所述限幅保護電路的輸入端與所述高階低通濾波電路的輸出端相連，所述限幅保護電路的輸出端與一 CPU的A/D端口相連。
[0006]在本實用新型一實施例中，所述采樣電阻包括:第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)和第一電容(Cl);所述第一電阻(Rl)的一端作為所述米樣電阻的第一輸入端；所述第二電阻(R2)的一端作為所述米樣電阻的第二輸入端；所述第一電阻(Rl)的另一端與所述第一電容(Cl)的一端相連，并作為所述米樣電阻的第一輸出端；所述第二電阻(R2)的另一端與所述第一電容(Cl)的另一端相連，并作為所述采樣電阻的第二輸出端。
[0007]在本實用新型一實施例中，所述運放電路包括:第三電阻(R3)和第一運放(ICl);所述第一運放(ICl)的反向輸入端與所述第三電阻(R3)的一端相連，并作為所述運放電路的第一輸入端；所述第一運放(ICl)的正向輸入端接地，并作為所述運放電路的第二輸入端；所述第三電阻(R3)的另一端與所述第一運放(ICl)的輸出端相連，并作為所述運放電路的輸出端。
[0008]在本實用新型一實施例中，所述全波整流電路包括:第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第六電阻(R6)、第七電阻(R7)、第八電阻(R8)、第二運放(IC2)、第三運放(IC3)、第一二極管(Dl)和第二二極管(D2);所述第一二極管(Dl)的正極與所述第二二極管(D2)的負極相連，并接入所述第二運放(IC2)的輸出端；所述第一二極管(Dl)的負極與所述第六電阻(R6)的一端相連，并接入所述第二運放(IC2)的反向輸入端；所述第二運放(IC2)的正向輸入端接地；所述第六電阻(R6)的另一端與所述第二二極管(D2)的正極相連，并接入所述第七電阻(R7)的一端；所述第七電阻(R7)的另一端與所述第五電阻(R5)的一端相連，并接入所述第三運放(IC3)的反相輸入端；所述第三運放(IC3)的正相輸入端接地；所述第五電阻(R5)的另一端與所述第四電阻(R4)的一端相連，并作為所述全波整流電路的輸入端；所述第四電阻(R4)的另一端與所述第二運放(IC2)的反向輸入端相連；所述第八電阻(R8)的一端與所述第三運放(IC3)的反相輸入端相連；所述第八電阻(R8)的另一端與所述第三運放(IC3)的輸出端相連，并作為所述全波整流電路的輸出端。
[0009]在本實用新型一實施例中，所述高階低通濾波電路包括:第九電阻(R9)、第十電阻(RlO)、第i^一電阻(R11)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第四電容(C4)和第四運放(IC4);所述第九電阻(R9)的一端作為所述高階低通濾波電路的輸入端；所述第九電阻(R9)的另一端與所述第二電容(C2)的一端相連，并接入所述第十電阻(RlO)的一端；所述第二電容(C2)的另一端接地；所述第十電阻(RlO)的另一端與所述第三電容(C3)的一端相連，并接入所述第十一電阻(Rll)的一端；所述第三電容(C3)的另一端與所述第四運放(IC4)的反向輸入端相連；所述第^ 電阻(Rll)的另一端與所述第四電容(C4)的一端相連，并接入所述第四運放(IC4)的正向輸入端；所述第四電容(C4)的另一端接地；所述第四運放(IC4)的反向輸入端和所述第四運放(IC4)的輸出端相連，并作為所述高階低通濾波電路的輸出端。
[0010]在本實用新型一實施例中，所述限幅保護電路包括:第十二電阻(R12)、第五電容(C5)、第三二極管(D3)和第四二極管(D4);所述第三二極管(D3)的正極與所述第四二極管(D4)的負極相連；所述第三二極管(D3)的負極接3.3V電壓；所述第四二極管(D4)的正極與所述第五電容(C5)的一端相連并接地；所述第五電容(C5)的另一端與所述第十二電阻(R12)的一端相連，并接入所述第三二極管(D3)正極和所述第四二極管(D4)負極的連接點；所述第十二電阻(R12)的另一端作為所述限幅保護電路的輸入端；所述第三二極管(D3)正極和所述第四二極管(D4)負極的連接點作為所述限幅保護電路的輸出端。
[0011]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下有益效果:本實用新型通過采用電壓互感器完成交流電的采樣隔離；通過采用簡單的全波整流技術(shù)及多階低通濾波電路，完成交流電壓的有效值采樣。不需要使用基準電源的芯片產(chǎn)生參考電平作為比較電路的輸入端，簡化了電路結(jié)構(gòu)，減少了基準電源芯片的使用，降低了電路成本，提高了交流電壓的有效值采樣電路的穩(wěn)定性；另外將和有效值對應(yīng)的直流電壓送至CPU的A/D采樣口，不需要CPU額外的運算轉(zhuǎn)化，節(jié)省了 CPU資源，提高了 CPU的使用效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型交流電壓的有效值隔離采樣電路的原理框圖。
[0013]圖2是本實用新型中正弦波交流電壓的有效值隔離采樣電路的電路圖。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案進行具體說明。
[0015]本實用新型的一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于，包括:采樣電阻1、電壓互感器2、運放電路3、全波整流電路4和高階低通濾波電路5 ;其中，所述采樣電阻I的輸入端連接至待采樣交流電壓，輸出端與所述電壓互感器2的輸入端相連；所述電壓互感器2的輸出端與所述運放電路3輸入端相連；所述運放電路3的輸出端與所述全波整流電路4的輸入端相連；所述全波整流電路4的輸出端與所述高階低通濾波電路5的輸入端相連。
[0016]在本實施例中，所述有效值隔離采樣電路中還包括一限幅保護電路6;所述限幅保護電路6的輸入端與所述高階低通濾波電路5的輸出端相連，所述限幅保護電路6的輸出端與一 CPU的A/D端口相連。所述限幅保護電路6包括:第十二電阻R12、第五電容C5、第三二極管D3和第四二極管D4 ;所述第三二極管D3的正極與所述第四二極管D4的負極相連；所述第三二極管D3的負極接3.3V電壓；所述第四二極管D4的正極與所述第五電容C5的一端相連并接地；所述第五電容C5的另一端與所述第十二電阻R12的一端相連，并接入所述第三二極管D3正極和所述第四二極管D4負極的連接點；所述第十二電阻R12的另一端作為所述限幅保護電路的輸入端；所述第三二極管D3正極和所述第四二極管D4負極的連接點作為所述限幅保護電路6的輸出端。
[0017]在本實施例中，所述采樣電阻I包括:第一電阻R1、第二電阻R2和第一電容Cl ;所述第一電阻Rl的一端作為所述米樣電I的第一輸入端；所述第二電阻R2的一端作為所述采樣電阻I的第二輸入端；所述第一電阻Rl的另一端與所述第一電容Cl的一端相連，并作為所述采樣電阻I的第一輸出端；所述第二電阻R2的另一端與所述第一電容Cl的另一端相連，并作為所述采樣電阻I的第二輸出端。
[0018]在本實施例中，所述運放電路3包括:第三電阻R3和第一運放ICl ;所述第一運放ICl的反向輸入端與所述第三電阻R3的一端相連,并作為所述運放電路3的第一輸入端；所述第一運放ICl的正向輸入端接地，并作為所述運放電路3的第二輸入端；所述第三電阻R3的另一端與所述第一運放ICl的輸出端相連，并作為所述運放電路3的輸出端。
[0019]在本實施例中，所述全波整流電路4包括:第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第二運放IC2、第三運放IC3、第一二極管Dl和第二二極管D2 ;所述第一二極管Dl的正極與所述第二二極管D2的負極相連，并接入所述第二運放IC2的輸出端；所述第一二極管Dl的負極與所述第六電阻R6的一端相連，并接入所述第二運放IC2的反向輸入端；所述第二運放IC2的正向輸入端接地；所述第六電阻R6的另一端與所述第二二極管D2的正極相連，并接入所述第七電阻R7的一端；所述第七電阻R7的另一端與所述第五電阻R5的一端相連，并接入所述第三運放IC3的反相輸入端；所述第三運放IC3的正相輸入端接地；所述第五電阻R5的另一端與所述第四電阻R4的一端相連，并作為所述全波整流電路4的輸入端；所述第四電阻R4的另一端與所述第二運放IC2的反向輸入端相連；所述第八電阻R8的一端與所述第三運放IC3的反相輸入端相連；所述第八電阻R8的另一端與所述第三運放IC3的輸出端相連，并作為所述全波整流電路4的輸出端。
[0020]在本實施例中，所述高階低通濾波電路5包括:第九電阻R9、第十電阻R10、第十一電阻R11、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4和第四運放IC4;所述第九電阻R9的一端作為所述高階低通濾波電路5的輸入端；所述第九電阻R9的另一端與所述第二電容C2的一端相連，并接入所述第十電阻RlO的一端；所述第二電容C2的另一端接地；所述第十電阻RlO的另一端與所述第三電容C3的一端相連，并接入所述第十一電阻Rll的一端；所述第三電容C3的另一端與所述第四運放IC4的反向輸入端相連；所述第十一電阻Rll的另一端與所述第四電容C4的一端相連，并接入所述第四運放IC4的正向輸入端；所述第四電容C4的另一端接地；所述第四運放IC4的反向輸入端和所述第四運放IC4的輸出端相連，并作為所述高階低通濾波電路5的輸出端。在本實施例中，所述高階低通濾波電路5的截止頻率小于所述交流電壓頻率的1/5倍。
[0021]為了讓本領(lǐng)域技術(shù)人員更加了解本實用新型裝置，以下結(jié)合現(xiàn)有軟體對本實用新型進行描述，需要特別說明的是該過程涉及的現(xiàn)有軟體描述不是本實用新型的保護客體，本實用新型僅保護連接電路及結(jié)構(gòu)。
[0022]在本實施例中，由圖1可知，待采樣交流電壓Ui經(jīng)過采樣電阻I限流衰減后輸入到電壓互感器2的原邊，通過電壓互感器2實現(xiàn)采樣過程的電氣隔離，安全可靠；待采樣交流電壓Ui經(jīng)過電壓互感器2后輸入到運放電路3，得到隔離衰減后的交流信號Ui'，Ui' =Kl*Ui，其中Kl為衰減系數(shù)；交流信號Ui'經(jīng)過全波整流電路4后得到直流信號Ui'' ;直流信號Ui''再經(jīng)過高階低通濾波電路5后，將直流信號Ui''的高頻分量信號濾除，只保留直流信號Ui''的直流分量信號D，D = K2*A，其中A是交流信號Ui'的峰值電壓，K2是直流分量D和峰值A(chǔ)之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，所以D = K2*A = Kl*K2*Ai，其中Ai是交流電壓Ui的峰值電壓；交流電壓Ui的有效值Ri和峰值A(chǔ)i之間的關(guān)系為Ri = K3*Ai，K3是有效值Ri和峰值A(chǔ)i之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，所以采樣信號D和Ui的有效值Ri之間的關(guān)系是Ri =D*K3/(K1*K2)。
[0023]故CPU只需要對本采樣電路送到A/D端口的直流信號D進行簡單的衰減比換算就可以快速得到待采樣交流電壓的有效值，不需要CPU進行復(fù)雜的有效值計算。
[0024]具體的，在本實施例中，由圖2可知，輸入的正弦交流電壓Uin經(jīng)過采樣電阻1，并通過電壓互感器TVl的變比后，在電壓互感器TVl次級得到一個正弦交流電流信號I。該電流信號經(jīng)運放電路3后，得到一個正弦波電壓信號Uol ;其中，Iin = Uin/(R1+R2) ；I =n*Iin ；Uol = I*R3講表示電壓互感器TVl初次級的阻比。
[0025]該正弦波信號電壓Uol經(jīng)全波整流電路4時，信號處理過程如下:
[0026]當Uol > OV時，即當正弦波電壓信號Uol的正半波輸入時，第二運放IC2的輸出為負，此時第一二極管Dl截止，第二二極管D2導通；第二運放IC2、第四電阻R4和第六電阻R6組成一個基本的反比例運算放大器，信號Uol經(jīng)該反比例運算放大器后輸出信號為UA=-(R6/R4) *Uol ;第三運放IC3的輸出信號Uo3則由正弦波電壓信號Uol和信號UA輸入疊加后產(chǎn)生；其中，第五電阻R5、第八電阻R8和第三運放IC3構(gòu)成一個基本的反比例運算放大器，信號Uol經(jīng)該反比例運算放大器后輸出信號為Uol' = -(R8/R5)*Uol ;第七電阻R7、第八電阻R8和第三運放IC3同樣構(gòu)成一個基本的反比例運算放大器，信號UA經(jīng)該反比例運算放大器后輸出信號為Uol'' = _(R8/R7)*UA ;故第三運放IC3的輸出信號Uo3為:
[0027]Uo3 = Uol'+Uol'' = [_(R8/R5)*Uol] + [-(R8/R7)*UA]
[0028]= [- (R8/R5) *Uo I ] + {[- (R8/R7) ] * [- (R6/R4) *Uo I ]}
[0029]= {[R8*(R6*R5_R4*R7)]/(R4*R5*R7)}*UoI
[0030](2)當Uol < OV時，即當正弦波信號Uol的負半波輸入時，第二運放IC2的輸出為正的，此時第一二極管Dl導通，第二二極管D2截止；第二運放IC2的輸出信號全部反饋到輸入端，此時第二運放IC2的凈輸入信號為零；故正弦波信號Uol的負半波只可通過由第五電阻R5、第八電阻R8和第三運放IC3構(gòu)成的反比例運算放大器，此時第三運放IC3的輸出信號為 Uo3 = Uol''' = _(R8/R5)*Uol。
[0031]綜上所述:
[0032]當Uol > O 時，Uo3 = {[R8* (R6*R5_R4*R7) ] / (R4*R5*R7)} *Uol ;
[0033]當Uol < 0 時，Uo3 = _(R8/R5)*Uol ；
[0034]令R5*R6 = 2*R4*R7，則在第三運放IC3的輸出端可以得到一個幅值一定的饅頭波信號，該幅值大小為A = I (R8/R5)*Uol I。
[0035]經(jīng)全波整流電路4得到的輸出信號Uo3再經(jīng)過高階低通濾波電路5后，只保留信號Uo3的直流分量信號D，信號D = 2*Apeak/ π，其中Apeak是信號Uo3的電壓峰值，即信號 D = 2*Apeak/ji = [2* | (R8/R5) *Uol | 眶]/ π = [2* (R8/R5) *R3*n*Uinpeak] /[(R1+R2)* ]，其中，Uinpeak是Uin的電壓峰值，和Uin的有效值Ri的關(guān)系為Ri=Uinpcak/V5 ,所以米樣信號D和Uin的有效值Ri之間的關(guān)系為:
[0036]m = D*{R\+R2)*nl(2*4l*R^*n*{R%l R5))






O
[0037]因此，在本實施例中的CPU只要對本采樣電路送到A/D端口的直流信號D進行簡單的換算就可以快速得到待采樣交流電壓的有效值，不需要CPU進行復(fù)雜的有效值計算，減少了基準電源芯片，不需要再進行額外的轉(zhuǎn)化，提高了 CPU的使用效率。
[0038]此外，本實施例中的待采樣交流電壓不限于正弦交流電壓，可以應(yīng)用于他交流電的檢測，如三角波、矩形波等。
[0039]以上是本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本實用新型技術(shù)方案的范圍時，均屬于本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于，包括:采樣電阻、電壓互感器、運放電路、全波整流電路和高階低通濾波電路；其中，所述采樣電阻的輸入端連接至待采樣交流電壓，輸出端與所述電壓互感器的輸入端相連；所述電壓互感器的輸出端與所述運放電路輸入端相連；所述運放電路的輸出端與所述全波整流電路的輸入端相連；所述全波整流電路的輸出端與所述高階低通濾波電路的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于:所述有效值隔離采樣電路中還包括一限幅保護電路；所述限幅保護電路的輸入端與所述高階低通濾波電路的輸出端相連，所述限幅保護電路的輸出端與一 CPU的A/D端口相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于:所述采樣電阻包括:第一電阻(R1)、第二電阻(R2)和第一電容(Cl);所述第一電阻(Rl)的一端作為所述采樣電阻的第一輸入端；所述第二電阻(R2)的一端作為所述采樣電阻的第二輸入端；所述第一電阻(Rl)的另一端與所述第一電容(Cl)的一端相連，并作為所述采樣電阻的第一輸出端；所述第二電阻(R2)的另一端與所述第一電容(Cl)的另一端相連，并作為所述米樣電阻的第二輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于:所述運放電路包括:第三電阻(R3)和第一運放(IC1);所述第一運放(ICl)的反向輸入端與所述第三電阻(R3)的一端相連，并作為所述運放電路的第一輸入端；所述第一運放(ICl)的正向輸入端接地，并作為所述運放電路的第二輸入端；所述第三電阻(R3)的另一端與所述第一運放(ICl)的輸出端相連，并作為所述運放電路的輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于:所述全波整流電路包括:第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第六電阻(R6)、第七電阻(R7)、第八電阻(R8)、第二運放(IC2)、第三運放(IC3)、第一二極管(Dl)和第二二極管(D2);所述第一二極管(Dl)的正極與所述第二二極管(D2)的負極相連，并接入所述第二運放(IC2)的輸出端；所述第一二極管(Dl)的負極與所述第六電阻(R6)的一端相連，并接入所述第二運放(IC2)的反向輸入端；所述第二運放(IC2)的正向輸入端接地；所述第六電阻(R6)的另一端與所述第二二極管(D2)的正極相連，并接入所述第七電阻(R7)的一端；所述第七電阻(R7)的另一端與所述第五電阻(R5)的一端相連，并接入所述第三運放(IC3)的反相輸入端；所述第三運放(IC3)的正相輸入端接地；所述第五電阻(R5)的另一端與所述第四電阻(R4)的一端相連，并作為所述全波整流電路的輸入端；所述第四電阻(R4)的另一端與所述第二運放(IC2)的反向輸入端相連；所述第八電阻(R8)的一端與所述第三運放(IC3)的反相輸入端相連；所述第八電阻(R8)的另一端與所述第三運放(IC3)的輸出端相連，并作為所述全波整流電路的輸出端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于:所述高階低通濾波電路包括:第九電阻(R9)、第十電阻(R10)、第i^一電阻(R11)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第四電容(C4)和第四運放(IC4);所述第九電阻(R9)的一端作為所述高階低通濾波電路的輸入端；所述第九電阻(R9)的另一端與所述第二電容(C2)的一端相連，并接入所述第十電阻(RlO)的一端；所述第二電容(C2)的另一端接地；所述第十電阻(RlO)的另一端與所述第三電容(C3)的一端相連，并接入所述第十一電阻(Rll)的一端；所述第三電容(C3)的另一端與所述第四運放(IC4)的反向輸入端相連；所述第十一電阻(Rll)的另一端與所述第四電容(C4)的一端相連，并接入所述第四運放(IC4)的正向輸入端；所述第四電容(C4)的另一端接地；所述第四運放(IC4)的反向輸入端和所述第四運放(IC4)的輸出端相連,并作為所述高階低通濾波電路的輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種交流電壓的有效值隔離采樣電路，其特征在于:所述限幅保護電路包括:第十二電阻(R12)、第五電容(C5)、第三二極管(D3)和第四二極管(D4)；所述第三二極管(D3)的正極與所述第四二極管(D4)的負極相連；所述第三二極管(D3)的負極接3.3V電壓；所述第四二極管(D4)的正極與所述第五電容(C5)的一端相連并接地；所述第五電容(C5)的另一端與所述第十二電阻(R12)的一端相連，并接入所述第三二極管(D3)正極和所述第四二極管(D4)負極的連接點；所述第十二電阻(R12)的另一端作為所述限幅保護電路的輸入端；所述第三二極管(D3)正極和所述第四二極管(D4)負極的連接點作為所述限幅保護電路的輸出端。
【文檔編號】G01R15/18GK203965512SQ201420419978
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】陳亞梯, 黃川龍, 吳作銀, 林華汕 申請人:深圳市科華恒盛科技有限公司