CN103487631B - 一种调制解调型电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调制解调型电流传感器，包括电流分流器、光电耦合器、电流互感器、控制模块、信号处理模块、电源转换模块和差分输出模块；所述电流分流器采集被测信号并输入光电耦合器，所述光电耦合器根据控制模块发出的时钟信号实现电流采样信号的调制，已调信号经过第一级放大电路处理后进入检波电路，所述检波电路根据延时电路发出的参考信号，从信号中提取反映被测量的信号，并经第二级放大电路放大处理后进入低通滤波器，所述低通滤波器将该信号解调还原成直流信号后通过所述差分输出模块输出。本发明解决了分流器式电流传感器的信号处理电路与被测电路直接耦合的问题，并且测量的准确度较高。

Description

一种调制解调型电流传感器
技术领域
本发明属于电子测量、工业测量领域的控制技术，涉及了一种基于电流分流器的调制解调型电流传感器。
背景技术
电流传感器是一种检测装置，能感受到被测电流的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传统的电流传感器存在抗干扰能力较差，输出信号噪声偏大等问题，为了提高测量的准确度，通常采用电气隔离将高压部分和低压部分分开，以减少高压部分对信号处理造成干扰。现有的电气隔离方式主要有以下三种：
第一种隔离方法：模数转换器将电压转换成数字值并将数字值传送给屏障接口。屏障接口对通过隔离屏障的数字值进行调制或者与其进行通信；调制后的信号就可以通过由变压器构成的隔离屏障。信号处理电路设置在低压部分，信号处理电路将对数字信号进行过滤、分析、处理等。采用数字信号传输可以避免传输过程中带来的损耗；分流器直接与高压接触，所采集到的信号噪声很高，模数转换器得到的结果准确度不高；而且系统需要双电压供电，外部系统需要增加一个DC-DC模块，增加了系统的体积。
第二种隔离方法：系统先对采集到的信号进行了相应的处理，如：放大、滤波和运算等；然后将电压调制成PWM波通过电气隔离；调制波发生器设置在低压部分，调制波需要反向穿过电气隔离。在调制完程序之后，调制波和调制后的信号一同正向通过电气隔离，在低压部分再继续处理。此种隔离方式的电路结构较复杂，使用的运算放大器较多，且需要两个外部电源供电。
第3种隔离方法：采用了线性光耦作为隔离装置，系统先对采集到的信号进行滤波和放大，同时判断所采集信号的极性，然后把信号与极性这两个信息通过线性光耦传递到后续系统之中。在低压端，利用了模数转换芯片，将模拟信号转换成数字信号，然后进一步处理。因为线性光耦是单通器件，所以无论是正电压还是负电压，都要将信号调整至正电压，使得信号能够正向通过线性光耦输入端。由于极性判断电路必不可少，使电路更加复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种调制解调型电流传感器，能解决分流器式电流传感器的信号处理电路与被测电路直接耦合的问题，并且测量的准确度较高。
本发明所述的调制解调型电流传感器，包括电流分流器、光电耦合器、电流互感器、控制模块、信号处理模块、电源转换模块和差分输出模块；
所述电流分流器、电流互感器和光电耦合器串联；
所述信号处理模块包括第一级放大电路、检波电路、第二级放大电路和低通滤波器，所述电流互感器的输出信号依次经第一级放大电路、检波电路、第二级放大电路、低通滤波器输出给差分输出模块；
所述控制模块包括驱动电路、控制信号发生器和延时电路，所述控制信号发生器通过驱动电路控制光电耦合器的断/开，所述控制信号发生器还经延时电路与检波电路连接；
电源转换模块，为控制模块、信号处理模块、电源转换模块和差分输出模块提供工作电压；
所述电流分流器采集被测信号并输入光电耦合器，所述光电耦合器根据控制模块发出的时钟信号实现电流采样信号的调制，已调信号经过第一级放大电路处理后进入检波电路，所述检波电路根据延时电路发出的参考信号，从信号中提取反映被测量的信号，并经第二级放大电路放大处理后进入低通滤波器，所述低通滤波器将该信号解调还原成直流信号后通过所述差分输出模块输出。
所述差分输出模块包括信号输出电路和基准电压两部分。
所述控制信号发生器采用方波信号发生器。
本发明具有以下优点：
（1）能够解决分流器式电流传感器的信号处理电路与被测电路直接耦合的问题；
（2）测量的准确度可达0.4%，具有较高的实用价值；
（3）不需要数字模块和可编程模块，电路结构简单、成本低和体积小。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明中调制解调过程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1和图2所示的调制解调型电流传感器，包括电流分流器1、光电耦合器2、电流互感器7、控制模块3、信号处理模块5、电源转换模块6和差分输出模块4；其中，电流分流器1为高压部分，控制模块3、信号处理模块5、电源转换模块6和差分输出模块4为低压部分，将由光电耦合器2和电流互感器7组成的电气隔离设置在高压部分和低压部分之间，避免了高压部分对信号处理造成干扰，同时有利于将信号和噪声分离。
所述电流分流器1，将实现对电流信号的感知与转换，根据欧姆定理，将被测电流转换为微弱的电压信号（不超过100mV），该电压信号内夹杂着大量的噪声，用示波器很难确定其幅值，这部分噪声虽大，但只能对其进行适当的滤波（此处通过RC滤波电路进行滤波），以避免信号衰减过大，使原本微弱的信号变得更加微弱。
所述控制模块3是整个系统的心脏，其中，控制信号发生器是控制模块3的核心，为系统提供时钟信号，控制着整个系统的频率。控制信号发生器采用方波信号发生器，为信号的调制提供时钟信号，为信号的解调提供参考信号。
被采集的被测信号在进入信号处理模块5之前需经过对其进行调制转换，使检测的直流信号转换成交流信号后能通过电流互感器7进入信号处理模块5。信号调制由控制模块3与光电耦合器2配合完成，其中光电耦合器2是调制的工作台，控制模块3负责控制调制的节奏。
所述信号处理模块5将对调制后的交流信号进行放大、检波和滤波处理，将交流信号还原成直流信号。信号处理模块5采用了两级放大，由于信号放大的倍数接近100倍，若仅用一个放大电路将会影响传感器的线性度，而且仅用一个放大器放大100倍，其效果也不理想。
所述检波电路的目的是区分被测信号是充电还是放电，当被测电流为放电时，检波电路将保留正半波，输出电压为正值；当被测电流为充电时，检波电路将保留负半波，输出电压为负值。
差分输出模块包括信号输出与基准电压两部分，解调后的电压范围是-2V~2V，信号有可能出现接近于0的值，这样微弱的电压很不稳定，容易缺失，不利于传输，于是引入了一个基准电压，本实施例引入的基准电压为2.5V；将两个差分输出的输出电压控制在0.5V~4.5V之间，两个差分输出端都以2.5V作为参考电压，最终输出的结果不会受到影响，差分电压的输出值将与被测电流成线性关系。差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线和一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号具有相反的相位，相等的振幅。差分输出的优点主要有以下三点：第一，差分输出能够很容易地识别小信号。第二，差分输出对外部电磁干扰（EMI）具有高度的抵抗性。第三，在单电源系统中，差分输出能够输出双极性信号。
以下对所述电流分流器1、光电耦合器2、电流互感器7、控制模块3、信号处理模块5、电源转换模块6和差分输出模块4的连接关系进行具体的说明：
所述电流分流器1、电流互感器7和光电耦合器2串联；所述信号处理模块5包括第一级放大电路、检波电路、第二级放大电路和低通滤波器，所述电流互感器7的输出信号依次经第一级放大电路、检波电路、第二级放大电路、低通滤波器输出给差分输出模块4；所述控制模块3包括驱动电路、控制信号发生器和延时电路，所述控制信号发生器通过驱动电路控制光电耦合器2的断/开，所述控制信号发生器还经延时电路与检波电路连接；电源转换模块6，为控制模块3、信号处理模块5、电源转换模块6和差分输出模块4提供工作电压。
所述电流分流器1采集被测信号并输入光电耦合器2，所述光电耦合器2根据控制模块3发出的时钟信号实现电流采样信号的调制，已调信号经过第一级放大电路处理后进入检波电路，所述检波电路根据延时电路发出的参考信号，从信号中提取反映被测量的信号，并经第二级放大电路放大处理后进入低通滤波器，所述低通滤波器将该信号解调还原成直流信号后通过所述差分输出模块4输出，最终输出值与被测值成线性关系。

Claims (3)

1.一种调制解调型电流传感器，其特征在于：包括电流分流器（1）、光电耦合器（2）、电流互感器（7）、控制模块（3）、信号处理模块（5）、电源转换模块（6）和差分输出模块（4）；
所述电流分流器（1）、电流互感器（7）和光电耦合器（2）串联；
所述信号处理模块（5）包括第一级放大电路、检波电路、第二级放大电路和低通滤波器，所述电流互感器（7）的输出信号依次经第一级放大电路、检波电路、第二级放大电路、低通滤波器输出给差分输出模块（4）；
所述控制模块（3）包括驱动电路、控制信号发生器和延时电路，所述控制信号发生器通过驱动电路控制光电耦合器（2）的断/开，所述控制信号发生器还经延时电路与检波电路连接；
电源转换模块（6），为控制模块（3）、信号处理模块（5）、电源转换模块（6）和差分输出模块（4）提供工作电压；
所述电流分流器（1）采集被测信号并输入光电耦合器（2），所述光电耦合器（2）根据控制模块（3）发出的时钟信号实现电流采样信号的调制，已调信号经过第一级放大电路处理后进入检波电路，所述检波电路根据延时电路发出的参考信号，从信号中提取反映被测量的信号，并经第二级放大电路放大处理后进入低通滤波器，所述低通滤波器将该信号解调还原成直流信号后通过所述差分输出模块（4）输出。
2.根据权利要求1所述的调制解调型电流传感器，其特征在于：所述差分输出模块（4）包括信号输出电路和基准电压两部分。
3.根据权利要求1或2所述的调制解调型电流传感器，其特征在于：所述控制信号发生器采用方波信号发生器。
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