CN105182061A - 一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路，所述电路包括电流采集网络、运算放大电路、参考电压电路和单片机。电流采集网络的输出端与运算放大电路的同相输入端连接，参考电压电路的输出端与运算放大电路的同相输入端连接，运算放大电路的输出端连接单片机的ADC输入端。运算放大电路采用了差动放大电路，通过电平移位将输入信号电压提高，解决了单电源工作时运算放大器不能完全0V输出的问题，而且实现了交流电流的双向采集，量程宽，精度高。交流电流采集电路使用单电源供电，减少了供电电源，而且不增加采集电路的复杂性，电路结构简洁，容易实现，节约成本。

Description

一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路

技术领域

本发明属于电子技术与信号检测技术领域，具体涉及一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路。

背景技术

目前，在一般陶瓷机械设备检测交流电流的场合，能够实现双极性电压输出的放大电路中，供电方式都为正负双电源供电，如果采用单电源供电，则放大器输出必然是正电压，而不能输出负电压。同时，在单电源供电的情况下，放大器输入在几mV以下时放大器的输出饱和，即单电源工作中，放大器不能完全0V输出，这对检测交流电流的负电流部分造成极大的麻烦，给单片机的AD采样处理带来很大的误差。另外，采用双电源供电比单电源供电多了一路负电源，增加了成本，资源得不到充分利用。

发明内容

为了解决上述问题，在减少供电电源、不增加交流电流采集电路复杂性的前提下，本发明提供一种结构简单、容易实现的交流电流采集电路，以实现单片机在单电源供电的条件下进行交流电流的精确检测。

本发明的技术方案是：一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路，包括电流采集网络、运算放大电路、参考电压电路和单片机；该电路由所述电流采集网络的输出端与所述运算放大电路的同相输入端连接，所述参考电压电路的输出端与所述运算放大电路的同相输入端连接，所述运算放大电路的输出端连接所述单片机的ADC输入端；其特点是：所述运算放大电路由运算放大器OP1、电阻R1–R4、R8、电容C3、C4组成，其中所述运算放大器OP1由单电源+5V供电；所述运算放大器OP1与所述电阻R1–R4构成差动运算放大电路，对输入交流电压信号进行放大和电平移动处理，把正负电压输入转换成正电压输出；所述运算放大器OP1的输出端通过所述反馈电阻R3连接到反相输入端，所述运算放大器OP1的反相输入端通过所述电阻R1接地；所述运算放大器OP1的同相输入端通过所述电阻R2引出一个端子作为所述运算放大电路的输入端，并连接到所述电流采集网络的输出端；所述运算放大器OP1的同相输入端通过所述电阻R4引出一个端子作为所述运算放大电路的输入端，并连接到所述参考电压电路的输出端；所述电阻R8与所述电容C4串联构成RC低通滤波网络，在所述电阻R8的一端连接所述运算放大器OP1的输出端，另一端接地，相邻两者之间引出的端子作为运算放大电路的输出端。

所述电流采集网络包括：电流互感器(CT1)、高精度电阻(R_L)和滤波电容(C1)，其中所述电流互感器(CT1)的输出端相应地连接到所述高精度电阻(R_L)的两端，所述高精度电阻(R_L)的两端相应地连接到所述滤波电容(C1)的两端，并且所述高精度电阻(R_L)与所述滤波电容(C1)相连接的一端引出作为电流采集网络的输出端，而另一端接地。

所述参考电压电路由基准电压电路、分压电路和电压跟随器组成，其中所述基准电压电路通过电阻R5与电容C2相连接处引出端子连接到电源+5V，电容C2的另一端接地，电阻R5的另一端与三端并联稳压器U1相连接并且输出2.5V的基准电压，并引出端子作为基准电压电路的输出端；所述分压电路对基准电压2.5V进行分压，由高精度电阻R6、R7串联组成，其一端连接基准电压2.5V的输出端，另一端接地，并且串联电阻相连处引出端子作为分压电路的输出端；所述电压跟随器由运算放大器OP2的同相输入端连接到所述分压电路的输出端，反相输入端连接到其输出端，并且从运算放大器OP2的输出端引出端子作为参考电压电路的输出端。

所述单片机采用集成电路芯片，其具有自带的ADC模块，所述单片机的ADC模块的输入端口接收来自所述运算放大电路的输出信号(Uo)，并对该输出信号(Uo)进行AD转换和进行逻辑分析。

本发明的有益效果如下：运算放大电路采用了差动运算放大电路，通过电平移位将输入信号电压提高，解决了单电源工作时运算放大器不能完全0V输出的问题，又实现对交流电流的双向采集，量程宽，精度高。交流电流采集电路使用单电源供电，减少了供电电源，且不增加采集电路的复杂性，电路结构简洁，容易实现，节约成本。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明的总体电路示意图。

具体实施方式

本发明如图1所示：一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路，包括电流采集网络、运算放大电路、参考电压电路和单片机；该电路由所述电流采集网络的输出端与所述运算放大电路的同相输入端连接，所述参考电压电路的输出端与所述运算放大电路的同相输入端连接，所述运算放大电路的输出端连接所述单片机的ADC输入端；其特点是：所述运算放大电路由运算放大器OP1、电阻R1–R4、R8、电容C3、C4组成，其中所述运算放大器OP1由单电源+5V供电；所述运算放大器OP1与所述电阻R1–R4构成差动运算放大电路，对输入交流电压信号进行放大和电平移动处理，把正负电压输入转换成正电压输出；所述运算放大器OP1的输出端通过所述反馈电阻R3连接到反相输入端，所述运算放大器OP1的反相输入端通过所述电阻R1接地；所述运算放大器OP1的同相输入端通过所述电阻R2引出一个端子作为所述运算放大电路的输入端，并连接到所述电流采集网络的输出端；所述运算放大器OP1的同相输入端通过所述电阻R4引出一个端子作为所述运算放大电路的输入端，并连接到所述参考电压电路的输出端；所述电阻R8与所述电容C4串联构成RC低通滤波网络，在所述电阻R8的一端连接所述运算放大器OP1的输出端，另一端接地，相邻两者之间引出的端子作为运算放大电路的输出端。

所述电流采集网络包括：电流互感器(CT1)、高精度电阻(R_L)和滤波电容(C1)，其中所述电流互感器(CT1)的输出端相应地连接到所述高精度电阻(R_L)的两端，所述高精度电阻(R_L)的两端相应地连接到所述滤波电容(C1)的两端，并且所述高精度电阻(R_L)与所述滤波电容(C1)相连接的一端引出作为电流采集网络的输出端，而另一端接地。

所述参考电压电路由基准电压电路、分压电路和电压跟随器组成，其中所述基准电压电路通过电阻R5与电容C2相连接处引出端子连接到电源+5V，电容C2的另一端接地，电阻R5的另一端与三端并联稳压器U1相连接并且输出2.5V的基准电压，并引出端子作为基准电压电路的输出端；所述分压电路对基准电压2.5V进行分压，由高精度电阻R6、R7串联组成，其一端连接基准电压2.5V的输出端，另一端接地，并且串联电阻相连处引出端子作为分压电路的输出端；所述电压跟随器由运算放大器OP2的同相输入端连接到所述分压电路的输出端，反相输入端连接到其输出端，并且从运算放大器OP2的输出端引出端子作为参考电压电路的输出端。

所述单片机采用集成电路芯片，其具有自带的ADC模块，所述单片机的ADC模块的输入端口接收来自所述运算放大电路的输出信号(Uo)，并对该输出信号(Uo)进行AD转换和进行逻辑分析。

检测电流经过电流采集网络的电流互感器CT1转换得到测量所需的电流信号I_in，然后电流信号I_in经过高精度电阻R_L后转换成可测量的电压信号，经过电容C1滤波后进入运算放大电路的输入端。其中，高精度电阻R_L是电流互感器CT1的匹配电阻。

参考电压电路包括基准电压电路、分压电路和电压跟随器，该电路产生一个1.5V的平移电平输出到运算放大电路的输入端。基准电压电路产生2.5V的标准电压，并由正电源+5V供电，分压电路将2.5V分压后输出1.5V的电压到电压跟随器的输入端，电压跟随器再将1.5V电压送到运算放大电路的输入端。

运算放大器OP1和电阻R1–R4组成了差动运算放大电路，并在输入电压信号的同相输入端叠加一个平移电平，将输入电压由双向正负电压范围调整到单向正电压范围，使运算放大器OP1的输入保持在几mV以上时，运算放大器OP1才不会输出饱和。电阻R8、电容C4组成RC低通滤波网络，将差动运算放大电路的输出电压信号的高频噪声滤除之后再送到单片机的ADC输入端。

单片机采用集成电路芯片，其具有自带的ADC模块，可对0～5V的输入信号进行采样；单片机的ADC模块的输入端口接收来自运算放大电路的输出信号(Uo)，并对该输出信号(Uo)进行AD转换和进行逻辑分析。

所述电路工作时，图1中运算放大器OP1的输出电压和输入电流关系如下：

$U_O=\frac{R_2}{R_1}\·\frac{R_1+R_3}{R_2+R_4}\·\frac{R_7}{R_6+R_7}\·2.5V+\frac{R_4}{R_1}\·\frac{R_1+R_3}{R_2+R_4}\·R_L\·I_{in}$

经过上述电路，通过调整电阻R1–R4、R6、R7的参数，使得运算放大器OP1的输出电压的范围在0～3.5V以内，这个信号经过滤波后可直接送到单片机的ADC输入端进行检测，从而实现单电源供电时对交流电流的精确采集。

Claims (4)

1.一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路，包括电流采集网络(1)、运算放大电路(2)、参考电压电路(3)和单片机(4)；该电路由所述电流采集网络(1)的输出端与所述运算放大电路(2)的同相输入端连接，所述参考电压电路(3)的输出端与所述运算放大电路(2)的同相输入端连接，所述运算放大电路(2)的输出端连接所述单片机(4)的ADC输入端，其特征在于，所述运算放大电路(2)由运算放大器OP1、电阻R1–R4、R8、电容C3、C4组成，其中所述运算放大器OP1由单电源+5V供电；所述运算放大器OP1与所述电阻R1–R4构成差动运算放大电路，对输入交流电压信号进行放大和电平移动处理，把正负电压输入转换成正电压输出；所述运算放大器OP1的输出端通过所述反馈电阻R3连接到反相输入端，所述运算放大器OP1的反相输入端通过所述电阻R1接地；所述运算放大器OP1的同相输入端通过所述电阻R2引出一个端子作为所述运算放大电路(2)的输入端，并连接到所述电流采集网络(1)的输出端；所述运算放大器OP1的同相输入端通过所述电阻R4引出一个端子作为所述运算放大电路(2)的输入端，并连接到所述参考电压电路(3)的输出端；所述电阻R8与所述电容C4串联构成RC低通滤波网络，在所述电阻R8的一端连接所述运算放大器OP1的输出端，另一端接地，相邻两者之间引出的端子作为运算放大电路(2)的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路，其特征在于，所述电流采集网络(1)包括：电流互感器(CT1)、高精度电阻(R_L)和滤波电容(C1)，其中：所述电流互感器(CT1)的输出端相应地连接到所述高精度电阻(R_L)的两端，所述高精度电阻(R_L)的两端相应地连接到所述滤波电容(C1)的两端，并且所述高精度电阻(R_L)与所述滤波电容(C1)相连接的一端引出作为电流采集网络(1)的输出端，而另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路，其特征在于，所述参考电压电路(3)由基准电压电路、分压电路和电压跟随器组成，其中：所述基准电压电路通过电阻R5与电容C2相连接处引出端子连接到电源+5V，电容C2的另一端接地，电阻R5的另一端与三端并联稳压器U1相连接并且输出2.5V的基准电压，并引出端子作为基准电压电路的输出端；所述分压电路对基准电压2.5V进行分压，由高精度电阻R6、R7串联组成，其一端连接基准电压2.5V的输出端，另一端接地，并且串联电阻相连处引出端子作为分压电路的输出端；所述电压跟随器由运算放大器OP2的同相输入端连接到所述分压电路的输出端，反相输入端连接到其输出端，并且从运算放大器OP2的输出端引出端子作为参考电压电路(3)的输出端。

4.根据权利要求1所述的一种陶瓷机械设备使用的交流电流采集电路，其特征在于，所述单片机(4)采用集成电路芯片，其具有自带的ADC模块，所述单片机(4)的ADC模块的输入端口接收来自所述运算放大电路(2)的输出信号(Uo)，并对该输出信号(Uo)进行AD转换和进行逻辑分析。