CN104198801A - 交流电压采样电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电压采样电路和方法，其中电路包括第一采样电路、第二采样电路和比较模块；第一采样电路的输入端与交流电源的相线电连接，第一采样电路的第一输出端与交流电源的零线电连接，用于采集交流电源输出交流电压时的第一电压；第二采样电路的输入端与零线电连接，第二采样电路的第一输出端与相线电连接，用于采集交流电源输出交流电压时的第二电压；比较模块的第一输入端和第二输入端分别与第一采样电路的第二输出端和第二采样电路的第二输出端电连接，根据第一采样电路的第二输出端输出的第一电压和第二采样电路的第二输出端输出的第二电压，得到交流电压。其有效解决了现有的交流电压采样误差较大和采样精度较低的问题。

Description

交流电压采样电路和方法

技术领域

本发明涉及电子领域，特别是涉及一种交流电压采样电路和方法。 

背景技术

由于交流电压的方向和幅值随时间变化，对交流电压进行采样时通常采用电压互感器进行隔离降压后，再进行交流电压和相位的采样。但是，电压互感器精度不高，所采集的交流电压误差较大。 

采用将交流电压整流后，配合过零信号，进行交流电压和相位的采样的方法，整流后级需要连接较大负载，以保证整流后的电压能接近零点，但整流二极管的压降导致整流后的电压无法达到零点，使得通过将交流电压整流并配合过零信号进行交流电压和相位的采样精度较低。 

发明内容

基于此，有必要针对现有的交流电压采样误差较大和采样精度较低的问题，提供一种交流电压采样电路和方法。 

为实现本发明目的提供的一种交流电压采样电路，包括第一采样电路、第二采样电路和比较模块； 

所述第一采样电路的输入端与交流电源的相线电连接，所述第一采样电路的第一输出端与所述交流电源的零线电连接，用于采集所述交流电源输出交流电压时的第一电压； 

所述第二采样电路的输入端与所述零线电连接，所述第二采样电路的第一输出端与所述相线电连接，用于采集所述交流电源输出所述交流电压时的第二电压； 

所述比较模块的第一输入端和第二输入端分别与所述第一采样电路的第二输出端和所述第二采样电路的第二输出端电连接，根据所述第一采样电路的第二输出端输出的所述第一电压和所述第二采样电路的第二输出端输出的所述第 二电压，得到所述交流电压。 

在其中一个实施例中，所述第一采样电路包括第一电阻、第二电阻和第一二极管； 

所述第一电阻的一端为所述第一采样电路的输入端，与所述相线电连接； 

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端电连接，且所述第一电阻与所述第二电阻的连接端为所述第一采样电路的第二输出端； 

所述第二电阻的另一端与所述第一二极管的正极电连接后，耦合至参考电压端； 

所述第一二极管的负极为所述第一采样电路的第一输出端，与所述零线电连接。 

在其中一个实施例中，所述第二采样电路包括第三电阻、第四电阻和第二二极管； 

所述第三电阻的一端为所述第二采样电路的输入端，与所述零线电连接； 

所述第三电阻的另一端与所述第四电阻的一端电连接，且所述第三电阻与所述第四电阻的连接端为所述第二采样电路的第二输出端； 

所述第四电阻的另一端与所述第二二极管的正极电连接后，耦合至所述参考电压端； 

所述第二二极管的负极为所述第二采样电路的第一输出端，与所述相线电连接。 

在其中一个实施例中，所述比较器包括判断模块和第一计算模块； 

所述判断模块，用于判断所述第一电压和所述第二电压之间的大小关系； 

当所述判断模块判断出所述第一电压大于或等于所述第二电压时，所述第一计算模块根据所述第一电压和所述第二电压计算得到所述交流电压为： 

$u_{\mathrm{AC}}=\frac{R_2+R_1}{R_2}V1-\frac{R_3+R_4}{R_4}V2;$

其中，u_AC表征所述交流电源输出的所述交流电压；R₁表征所述第一电阻的阻值；R₂表征所述第二电阻的阻值；R₃表征所述第三电阻的阻值；R₄表征所述 第四电阻的阻值；V1表征所述第一电压；V2表征所述第二电压。 

在其中一个实施例中，所述比较器还包括第二计算模块； 

当所述判断模块判断出所述第一电压小于所述第二电压时，所述第二计算模块根据所述第一电压和所述第二电压计算得到所述交流电压为： 

$u_{\mathrm{AC}}=\frac{R_3+R_4}{R_4}V2-\frac{R_1+R_2}{R_2}V1.$

在其中一个实施例中，还包括第三二极管和第四二极管； 

所述第三二极管的正极与所述交流电源的所述零线电连接，所述第三二极管的负极耦合至参考电压端； 

所述第四二极管的正极与所述交流电源的所述相线电连接，所述第四二极管的负极耦合至所述参考电压端。 

在其中一个实施例中，还包括第五电阻，所述第五电阻的一端与所述第三二极管的负极和所述第四二极管的负极电连接，所述第五电阻的另一端耦合至所述参考电压端。 

相应的，基于上述任一种交流电压采样电路，本发明还提供了一种交流电压采样方法，包括如下步骤： 

分别采集交流电源输出交流电压时的第一电压和第二电压； 

根据所述第一电压和所述第二电压，得到所述交流电压。 

在其中一个实施例中，所述根据所述第一电压和所述第二电压，得到所述交流电压，包括如下步骤： 

判断所述第一电压和所述第二电压之间的大小关系； 

当所述第一电压大于或等于所述第二电压时，根据所述第一电压和所述第二电压计算得到所述交流电压为：   

其中，u_AC表征所述交流电源输出的所述交流电压；R₁表征第一电阻的阻值；R₂表征第二电阻的阻值；R₃表征第三电阻的阻值；R₄表征第四电阻的阻值；V1表征所述第一电压；V2表征所述第二电压。 

在其中一个实施例中，所述根据所述第一电压和所述第二电压，得到所述交流电压，还包括如下步骤： 

当所述第一电压小于所述第二电压时，根据所述第一电压和所述第二电压计算得到所述交流电压为：    $u_{\mathrm{AC}}=\frac{R_3+R_4}{R_4}V2-\frac{R_1+R_2}{R_2}V1.$

上述交流电压采样电路和方法的有益效果：其中交流电压采样电路包括第一采样电路、第二采样电路和比较模块。通过第一采样电路的输入端与交流电源的相线电连接，第一采样电路的第一输出端与交流电源的零线电连接，用于采集交流电源输出交流电压时的第一电压。同时，第二采样电路的输入端与交流电源的零线电连接，第二采样电路的第一输出端与交流电源的相线电连接，用于采集交流电源输出交流电压时的第二电压。比较模块的第一输入端和第二输入端分别与第一采样电路的第二输出端和第二采样电路的第二输出端电连接，用于根据第一采样电路的第二输出端输出的第一电压和第二采样电路的第二输出端输出的第二电压，计算得到交流电源输出的交流电压。 

其通过分别采集交流电源输出交流电压时的第一电压和第二电压，根据第一电压和第二电压的关系计算得到交流电源输出的交流电压，实现对交流电压的采样。不需要电压互感器进行隔离降低，从而避免了因电压互感器的精度不高导致电压判断误差过大的现象。并且，也不需要将交流电压整流后，配合过零信号进行采样，避免了整流后的电压无法达到零点影响采样精度的问题，进而有效地提高了交流电压采样的精度，最终解决了现有的交流电压采样误差较大和采样精度较低的问题。 

附图说明

图1为交流电压采样电路一具体实施例电路图； 

图2为交流电压采样电路一具体实施例中交流电源输出的交流电压为正半周时的工作示意图； 

图3为交流电压采样电路一具体实施例中交流电源输出的交流电压工作于负半周时的工作示意图； 

图4为交流电压采样方法一具体实施例流程图。 

具体实施方式

为使本发明技术方案更加清楚，以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

作为一具体实施例的交流电压采样电路，包括第一采样电路、第二采样电路和比较模块。 

第一采样电路的输入端与交流电源的相线电连接，第一采样电路的第一输出端与交流电源的零线电连接，用于采集交流电源输出交流电压时的第一电压。 

第二采样电路的输入端与零线电连接，第二采样电路的第一输出端与相线电连接，用于采集交流电源输出交流电压时的第二电压。 

比较模块的第一输入端和第二输入端分别与第一采样电路的第二输出端和第二采样电路的第二输出端电连接，根据第一采样电路的第二输出端输出的第一电压和第二采样电路的第二输出端输出的第二电压，得到交流电压。 

其通过分别采集交流电源输出交流电压时的第一电压和第二电压，根据第一电压和第二电压的关系计算得到交流电源输出的交流电压，实现对交流电压的采样，有效地解决了现有的交流电压采样误差较大和采样精度较低的问题。 

具体的，参见图1，用于采集交流电源输出交流电压时的第一电压的第一采样电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一二极管D1。 

第一电阻R1的一端为第一采样电路的输入端，与相线L电连接。 

第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端电连接，且第一电阻R1与第二电阻R2的连接端为第一采样电路的第二输出端。 

第二电阻R2的另一端与第一二极管D1的正极电连接后，耦合至参考电压端。参考电压端可为接地端GND。 

第一二极管D1的负极为第一采样电路的第一输出端，与零线N电连接。 

第一采样电路中的第一电阻R1和第二电阻R2作为分压电阻，当交流电源输出的交流电压为正半周时，对流经第一电阻R1和第二电阻R2的交流电压进行分压，得到交流电压为正半周时采集到的第一电压V1。 

同理，参见图1，用于采集交流电源输出交流电压时的第二电压的第二采样电路包括第三电阻R3、第四电阻R4和第二二极管D2。 

第三电阻R3的一端为第二采样电路的输入端，与零线N电连接。 

第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的一端电连接，且第三电阻R3与第四电阻R4的连接端为第二采样电路的第二输出端。 

第四电阻R4的另一端与第二二极管D2的正极电连接后，耦合至参考电压端GND。 

第二二极管D2的负极为第二采样电路的第一输出端，与相线L电连接。 

第二采样电路中的第三电阻R3和第四电阻R4同样作为分压电阻，当交流电源输出的交流电压为负半周时，对流经第三电阻R3和第四电阻R4的交流电压进行分压，得到交流电压为负半周时的采集到的第二电压V2。 

在此，需要说明的是，第一二极管D1和第二二极管D2可为同一型号，其正向压降均为u_FWD。 

更为具体的，参见图2和图3，对上述具体实施例的交流电压采样电路的工作原理进行说明： 

当交流电源输出的交流电压为正半周且大于二极管的正向压降u_FWD时，参见图2，作为一具体实施例的交流电压采样电路在交流电压为正半周时的电流流向示意图。其中，电流由交流电源的相线L出发，经过第一电阻R1和第二电阻R2后至接地端。由于第一二极管D1的正极与接地端电连接，负极与交流电源的零线N电连接。因此，此时第一二极管D1导通，电流流经第一电阻R1和第二电阻R2至接地端的同时，还经过第一二极管D1流回交流电源的零线N。第一电阻R1和第二电阻R2对流经的交流电压进行分压，得到第一电压： 

$V1=(u_{\mathrm{AC}}-u_{\mathrm{FWD}})\×\frac{R_2}{R_1+R_2}.$

同时，由于第三电阻R3的一端与交流电源的零线N电连接，第四电阻R4的另一端与第一二极管D1的正极电连接后耦合至参考电压端(即接地端GND)。 因此，第三电阻R3和第四电阻R4连接后的两端电压与第一二极管D1两端的电压相同。也就是说，第三电阻R3和第四电阻R4连接后被第一二极管D1钳位，由此得到第二采样电路的第二输出端(即第三电阻R3和第四电阻R4的连接端)输出的第二电压：   

此时，根据第一电压和第二电压可得到交流电压： 

$u_{\mathrm{AC}}=\frac{R_2+R_1}{R_2}V1-\frac{R_3+R_4}{R_4}V2.$

其中，公式中的u_AC表征交流电源输出的交流电压；R₁表征第一电阻R1的阻值；R₂表征第二电阻R2的阻值；R₃表征第三电阻R3的阻值；R₄表征第四电阻R4的阻值；V1表征第一电压；V2表征第二电压。 

当交流电源输出的交流电压为负半周时，参见图3，作为一具体实施例的交流电压采样电路在交流电压为负半周时的电流流向示意图。其中，电流由交流电源的零线N流出，经过第三电阻R3和第四电阻R4后至接地端GND的同时，还经过第二二极管D2流回交流电源的相线L。第三电阻R3和第四电阻R4对流经的交流电压进行分压，得到第二电压：   

同时，由于第一电阻R1的一端与交流电源的相线L电连接，第二电阻R2的另一端与第二二极管D2的正极均耦合至参考电压端(即接地端GND)。因此，第一电阻R1和第二电阻R2被第二二极管D2钳位，由此得到第一采样电路的第二输出端(即第一电阻R1和第二电阻R2的连接端)输出的第一电压为： 

$V1=-u_{\mathrm{FWD}}\×\frac{R_2}{R_1+R_2}.$

由此根据第一电压和第二电压可得到交流电压：   

根据上述交流电压采样电路的工作原理，通过在比较模块中设置判断模块， 用于判断第一采样电路的第二输出端输出的第一电压和第二采样电路的第二输出端输出的第二电压的大小关系。 

当判断模块判断出第一电压大于或等于第二电压时，表明此时交流电源输出的交流电压为正半周。因此，比较模块中的第一计算模块根据此时采集到的第一电压和第二电压，按照交流电压为正半周时的交流电压计算公式，计算得到交流电压u_AC。 

当判断模块判断出第一电压小于第二电压时，表明此时交流电源输出的交流电压为负半周。因此，比较模块中的第二计算模块根据此时采集到的第一电压和第二电压，按照交流电压为负半周时的交流电压计算公式，计算得到交流电压u_AC。 

其中，比较模块可为具有AD接口的微控制单元(Micro Control Unit，MCU)，即单片机。参见图1，设置第一采样电路的第二输出端和第二采样电路的第二输出端分别与MCU的主控芯片的第一接口AD1和第二接口AD2连接。 

主控芯片通过第一接口AD1和第二接口AD2分别接收第一采样电路的第二输出端输出的第一电压V1的模拟量和第二采样电路的第二输出端输出的第二电压V2的模拟量，并将其均转换为数字信号后，对第一电压V1和第二电压V2的大小关系进行判断，并根据判断结果进行相应的计算，最终得到需要采集的交流电压u_AC。 

需要说明的是，作为一具体实施例的交流电压采样电路，还包括第三二极管D3和第四二极管D4。 

第三二极管D3的正极与交流电源的零线N电连接，第三二极管D3的负极耦合至参考电压端(即接地端GND)。 

第四二极管D4的正极与交流电源的相线L电连接，第四二极管D4的负极耦合至参考电压端。 

同时，还包括第五电阻R5，第五电阻R5的一端与第三二极管D3的负极和第四二极管D4的负极电连接，第五电阻R5的另一端耦合至参考电压端。 

作为一具体实施例的交流电压采样电路，其通过设置第一采样电路和第二采样电路分别采集交流电源输出的交流电压时的第一电压和第二电压，并根据 交流电压为正半周和负半周时，第一电压与第二电压不同的大小关系计算得到需要采集的交流电压，不需要电压互感器进行隔离降低，从而避免了因电压互感器的精度不高导致电压判断误差过大的现象。并且，也不需要将交流电压整流后，配合过零信号进行采样，避免了整流后的电压无法达到零点影响采样精度的问题，进而有效地提高了交流电压采样的精度。 

并且，第一采样电路和第二采样电路均由分压电阻和二极管组成，电路成本低且易于实现。 

相应的，基于上述任一种交流电压采样电路的工作原理，本发明还提供了一种交流电压采样方法，由于交流电压采样方法原理与交流电压采样电路的工作原理相同或相似，因此重复之处不再赘述。 

作为一具体实施例的交流电压采样方法，包括如下步骤： 

步骤S100，分别采集交流电源输出交流电压时的第一电压和第二电压。 

步骤S200，根据第一电压和所述第二电压，得到交流电压。 

其中，参见图4，步骤S200，根据所第一电压和第二电压，得到交流电压，包括如下步骤： 

步骤S210，判断第一电压和第二电压之间的大小关系。即可通过判断第一电压是否大于或等于第二电压，来得到第一电压和第二电压的大小关系。 

当第一电压大于或等于所第二电压时，执行步骤S220，根据第一电压和第二电压计算得到交流电压为：   

当第一电压小于第二电压时，执行步骤S230，根据第一电压和第二电压计算得到交流电压为：    $u_{\mathrm{ac}}=\frac{R_3+R_4}{R_4}V2-\frac{R_1+R_2}{R_2}V1.$

作为一具体实施例的交流电压采样方法，其通过分别采集交流电源输出的交流电压时的第一电压和第二电压，并根据交流电压为正半周和负半周时，第一电压与第二电压不同的大小关系计算得到需要采集的交流电压，不需要电压互感器进行隔离降低和将交流电压整流后，配合过零信号进行采样，从而有效提高了交流电压采样的精度，避免了电压判断误差过大的现象。 

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (10)

1.一种交流电压采样电路，其特征在于，包括第一采样电路、第二采样电路和比较模块； 

所述第一采样电路的输入端与交流电源的相线电连接，所述第一采样电路的第一输出端与所述交流电源的零线电连接，用于采集所述交流电源输出交流电压时的第一电压； 

所述第二采样电路的输入端与所述零线电连接，所述第二采样电路的第一输出端与所述相线电连接，用于采集所述交流电源输出所述交流电压时的第二电压； 

所述比较模块的第一输入端和第二输入端分别与所述第一采样电路的第二输出端和所述第二采样电路的第二输出端电连接，根据所述第一采样电路的第二输出端输出的所述第一电压和所述第二采样电路的第二输出端输出的所述第二电压，得到所述交流电压。 

2.根据权利要求1所述的交流电压采样电路，其特征在于，所述第一采样电路包括第一电阻、第二电阻和第一二极管； 

所述第一电阻的一端为所述第一采样电路的输入端，与所述相线电连接； 

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端电连接，且所述第一电阻与所述第二电阻的连接端为所述第一采样电路的第二输出端； 

所述第二电阻的另一端与所述第一二极管的正极电连接后，耦合至参考电压端； 

所述第一二极管的负极为所述第一采样电路的第一输出端，与所述零线电连接。 

3.根据权利要求2所述的交流电压采样电路，其特征在于，所述第二采样电路包括第三电阻、第四电阻和第二二极管； 

所述第三电阻的一端为所述第二采样电路的输入端，与所述零线电连接； 

所述第三电阻的另一端与所述第四电阻的一端电连接，且所述第三电阻与所述第四电阻的连接端为所述第二采样电路的第二输出端； 

所述第四电阻的另一端与所述第二二极管的正极电连接后，耦合至所述参 考电压端； 

所述第二二极管的负极为所述第二采样电路的第一输出端，与所述相线电连接。 

4.根据权利要求3所述的交流电压采样电路，其特征在于，所述比较器包括判断模块和第一计算模块； 

所述判断模块，用于判断所述第一电压和所述第二电压之间的大小关系； 

当所述判断模块判断出所述第一电压大于或等于所述第二电压时，所述第一计算模块根据所述第一电压和所述第二电压计算得到所述交流电压为： 

其中，u_AC表征所述交流电源输出的所述交流电压；R₁表征所述第一电阻的阻值；R₂表征所述第二电阻的阻值；R₃表征所述第三电阻的阻值；R₄表征所述第四电阻的阻值；V1表征所述第一电压；V2表征所述第二电压。 

5.根据权利要求4所述的交流电压采样电路，其特征在于，所述比较器还包括第二计算模块； 

当所述判断模块判断出所述第一电压小于所述第二电压时，所述第二计算模块根据所述第一电压和所述第二电压计算得到所述交流电压为： 

6.根据权利要求1所述的交流电压采样电路，其特征在于，还包括第三二极管和第四二极管； 

所述第三二极管的正极与所述交流电源的所述零线电连接，所述第三二极管的负极耦合至参考电压端； 

所述第四二极管的正极与所述交流电源的所述相线电连接，所述第四二极管的负极耦合至所述参考电压端。 

7.根据权利要求6所述的交流电压采样电路，其特征在于，还包括第五电阻，所述第五电阻的一端与所述第三二极管的负极和所述第四二极管的负极电 连接，所述第五电阻的另一端耦合至所述参考电压端。 

8.一种交流电压采样方法，其特征在于，包括如下步骤： 

分别采集交流电源输出交流电压时的第一电压和第二电压； 

根据所述第一电压和所述第二电压，得到所述交流电压。 

9.根据权利要求8所述的交流电压采样方法，其特征在于，所述根据所述第一电压和所述第二电压，得到所述交流电压，包括如下步骤： 

判断所述第一电压和所述第二电压之间的大小关系； 

当所述第一电压大于或等于所述第二电压时，根据所述第一电压和所述第二电压计算得到所述交流电压为：   

其中，u_AC表征所述交流电源输出的所述交流电压；R₁表征第一电阻的阻值；R₂表征第二电阻的阻值；R₃表征第三电阻的阻值；R₄表征第四电阻的阻值；V1表征所述第一电压；V2表征所述第二电压。 

10.根据权利要求9所述的交流电压采样方法，其特征在于，所述根据所述第一电压和所述第二电压，得到所述交流电压，还包括如下步骤： 

当所述第一电压小于所述第二电压时，根据所述第一电压和所述第二电压计算得到所述交流电压为：