CN105403759A - 供adc采样的漏电流检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种供ADC采样的漏电流检测电路,其能够获得适于ADC采用的电压信号。该供ADC采样的漏电流检测电路包括电流互感器检测电路,其用于输出差分电压信号;与所述电流互感器检测电路电连接的差分滤波电路,其用于滤除电流互感器检测电路中供电电源耦合到漏电流信号中的高频纹波;与电流互感器检测电路电连接的差分比例放大电路,用于将所述电流互感器检测电路输出的差分电压信号转换为单端信号,并作比例放大;与差分比例放大电路电连接的4阶巴特沃斯滤波器,用于滤除高频纹波并对信号进行比例放大;与4阶巴特沃斯滤波器电连接的绝对值电路,用于将输入该绝对值电路的工频交流信号转变为馒头波,以输出满足ADC采样要求的电压。
Description
技术领域
本发明属于漏电流检测电路的技术领域,具体地说是涉及一种供ADC采样的漏电流检测电路。
背景技术
公告号为203376382U、公开日为2014年01月01日的中国实用新型专利公开了一种漏电流检测装置,包括环形磁芯,其特征在于,火线和中线穿过环形磁芯作为初级线圈,环形磁芯还绕有次级线圈,次级线圈连接信号放大电路,信号放大电路连接信号比较电路,信号比较电路连接漏电流信号指示针,所述的环形磁芯上设置有屏蔽罩。这种结构的漏电流检测装置中经放大电路输出的信号不适于ADC采样。
发明内容
本发明的目的是提供一种供ADC采样的漏电流检测电路,其能够获得适于ADC采用的电压信号。
为解决上述技术问题,本发明的目的是这样实现的:一种供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:包括电流互感器检测电路,其用于输出差分电压信号;与所述电流互感器检测电路电连接的差分滤波电路,其用于滤除电流互感器检测电路中供电电源耦合到漏电流信号中的高频纹波;与电流互感器检测电路电连接的差分比例放大电路,用于将所述电流互感器检测电路输出的差分电压信号转换为单端信号,并作比例放大;与差分比例放大电路电连接的4阶巴特沃斯滤波器,用于滤除高频纹波并对信号进行比例放大;与4阶巴特沃斯滤波器电连接的绝对值电路,用于将输入该绝对值电路的工频交流信号转变为馒头波,以输出满足ADC采样要求的电压。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述电流互感器检测电路包括电流互感器,所述电流互感器包括磁芯,在磁芯上绕有原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组,第一副边绕组经第一电阻、第二电阻与第二副边绕组电连接,在第一电阻与第二电阻之间的公共端上接供电电源。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述差分滤波电路包括第三电阻和第四电阻,供电电源经所述第三电阻和第四电阻与第一运算放大器的同相输入端电连接,第一运算放大器的反相输入端与第八电阻的一端电连接,第一运算放大器的反相输入端与第八电阻之间的公共端经第九电阻接地,第一运算放大器的输出端经第二电容接地,第一运算放大器的同相输入端经第一电容与第一运算放大器的输出端电连接,第一运算放大器的输出端经第六电阻与第二运算放大器的反相输入端电连接,第二运算放大器的反相输入端与第六电阻之间的公共端经第七电阻接地,第三电阻和第四电阻之间的公共端经第五电阻与第二运算放大器的同相输入端电连接,第三电容的一端与第二运算放大器的同相输入端电连接,第三电容的另一端与第二运算放大器的输出端电连接,第二运算放大器的输出端经第四电容接地,第二运算放大器的输出端与第八电阻的另一端电连接。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述差分比例放大电路包括第三运算放大器,第三运算放大器的同相输入端电连接在第一副边绕组与第一电阻之间的公共端上,第三运算放大器的输出端经第十一电阻与第五运算放大器的同相输入端电连接,第五运算放大器的同相输入端与第十一电阻之间的公共端经第十六电阻接地,第四运算放大器的同相输入端电连接在第二副边绕组与第二电阻之间的公共端上,第四运算放大器的输出端经第十五电阻与第五运算放大器的反相输入端电连接,第三运算放大器的输出端依次经第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻与第四运算放大器的输出端电连接,第三运算放大器的反相输入端电连接在第十二电阻与第十三电阻之间的公共端上,第四运算放大器的反相输入端电连接在第十三电阻与第十四电阻之间的公共端上,第十七电阻的一端电连接在第五运算放大器的反相输入端与第十五电阻之间的公共端上,第十七电阻的另一端电连接在第五运算放大器的输出端上。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述4阶巴特沃斯滤波器包括第十八电阻,该第十八电阻经第十九电阻电连接在第六运算放大器的同相输入端上,第六运算放大器的同相输入端经第六电容接地,第六运算放大器的反相输入端经第二十电阻接地,第二十一电阻的一端电连接在第六运算放大器的反相输入端与第二十电阻之间的公共端上,第二十一电阻的另一端电连接在第六运算放大器的输出端上,第五电容的一端电连接在第十八电阻与第十九电阻之间的公共端上,第五电容的另一端电连接在第六运算放大器的输出端上,第六运算放大器的输出端经第二十二电阻、第二十三电阻电连接在第七运算放大器的同相输入端上,第七运算放大器的同相输入端经第七电容接地,第七运算放大器的反相输入端与第七运算放大器的输出端电连接,第八电容的一端电连接在第二十二电阻与第二十三电阻之间的公共端上,第八电容的另一端电连接在第七运算放大器的输出端上。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述绝对值电路包括第二十四电阻,第二十四电阻的一端与第八运算放大器的反相输入端电连接,第八运算放大器的同相输入端经第二十七电阻接地,第八运算放大器的输出端与第一二级管的正极电连接,第一二极管的负极与第二十五电阻的一端电连接,第二十五电阻的另一端与第二十四电阻的另一端电连接,第二二极管的正极电连接在第八运算放大器的反相输入端与第二十四电阻之间的公共端上,第二二极管的负极电连接在第八运算放大器的输出端上,第九电容与第二二极管并联,第二十六电阻的一端电连接在第八运算放大器的反相输入端与第二十四电阻之间的公共端上,第二十六电阻的另一端电连接在第一二极管的负极与第二十五电阻之间的公共端上,第一二极管、第二十五电阻和第二十六电阻之间的公共端为输出电压端。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述第一运算放大器、第二运算放大器均采用单电源供电方式。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器均采用双电源供电方式。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述第六运算放大器、第七运算放大器均采用双电源供电方式。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案:所述第八运算放大器采用双电源供电方式。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是:
本发明的漏电流检测电路,采用了电流互感器检测电路、差分滤波电路、差分比例放大电路、4阶巴特沃斯滤波器和绝对值电路结构,将原始漏电流转换成等比例的电压信号,通过对电压信号放大、滤波和取绝对值,使其变为适于ADC采样的电压信号。
附图说明
图1是本发明的电路原理示意图。
图2是使用MATLAB画四阶巴特沃斯滤波器传递函数的bode图。
具体实施方式
下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述,参见图1-图2;
需要说明的是,本实施例中所称的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”、“第九”、“第十”、“第十一”、“第十二”、“第十三”、“第十四”、“第十五”、“第十六”、“第十七”、“第十八”、“第十九”、“第二十”、“第二十一”、“第二十二”、“第二十三”、“第二十四”、“第二十五”、“第二十六”、“第二十七”并不是对相关技术特征在数量上的限定,而是为了区分同类别的技术特征而作出的命名。
本实施例给出了一种供ADC采样的漏电流检测电路,包括电流互感器检测电路、差分滤波电路、差分比例放大电路、4阶巴特沃斯滤波器和绝对值电路。其中,电流互感器检测电路用于输出差分电压信号;与所述电流互感器电连接的差分滤波电路,其用于滤除电流互感器检测电路中供电电源耦合到漏电流信号中的高频纹波;与电流互感器检测电路电连接的差分比例放大电路,用于将所述电流互感器检测电路输出的差分电压信号转换为单端信号,并作比例放大;与差分比例放大电路电连接的4阶巴特沃斯滤波器,用于滤除高频纹波并对信号进行比例放大;与4阶巴特沃斯滤波器电连接的绝对值电路,用于将输入该绝对值电路的工频交流信号转变为馒头波,以输出满足ADC采样要求的电压。
本发明的漏电流检测电路,采用了电流互感器检测电路、差分滤波电路、差分比例放大电路、4阶巴特沃斯滤波器和绝对值电路结构,将原始漏电流转换成等比例的电压信号,通过对电压信号放大、滤波和取绝对值,使其变为适于ADC采样的电压信号。
在本实施例中,如图1中所示,所述电流互感器检测电路包括电流互感器,所述电流互感器包括磁芯,在磁芯上绕有原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组。通常,原边绕组为1匝,其由原边绕组穿过电流互感器的磁芯形成,第一副边绕组和第二副边绕组分别采用100匝漆包线绕制而成。第一副边绕组经第一电阻R1、第二电阻R2与第二副边绕组电连接,在第一电阻与第二电阻之间的公共端上接供电电源。在本实施例中,供电电源为+5V。在该电流互感器检测电路中,第一副边绕组与第一电阻之间的公共端以及第二副边绕组与第二电阻之间的公共端作为输出端,以输出差分电压信号。工作时,副边电流为原边1/100,该电流流过副边绕组串联的200Ω电阻产生压降,将电流信号转换为电压信号。
在本实施例中,所述差分滤波电路包括第三电阻R3和第四电阻R4,供电电源经所述第三电阻R3和第四电阻R4与第一运算放大器的同相输入端电连接,第一运算放大器的反相输入端与第八电阻R8的一端电连接,第一运算放大器的反相输入端与第八电阻R8之间的公共端经第九电阻R9接地,第一运算放大器的输出端经第二电容C2接地,第一运算放大器的同相输入端经第一电容C1与第一运算放大器的输出端电连接,第一运算放大器的输出端经第六电阻R6与第二运算放大器的反相输入端电连接,第二运算放大器的反相输入端与第六电阻R6之间的公共端经第七电阻R7接地,第三电阻R3和第四电阻R4之间的公共端经第五电阻R5与第二运算放大器的同相输入端电连接,第三电容C3的一端与第二运算放大器的同相输入端电连接,第三电容C3的另一端与第二运算放大器的输出端电连接,第二运算放大器的输出端经第四电容C4接地。第二运算放大器的输出端与第八电阻R8的另一端电连接。在本实施例中,所述第一运算放大器、第二运算放大器均采用单电源供电方式。在该差分滤波电路中,第二运算放大器的输出端与第八电阻之间的公共端以及第一运算放大器的输出端与第六电阻之间的公共端作为输出端,分别用于和第一副边绕组和第二副边绕组的异名端电连接。大功率系统应用中,供电电源+5V会被功率电路干扰,包含高频纹波,由于+5V电源要给电流互感器副边供电,这个干扰信号会耦合进漏电流检测信号中,若不进行有效的滤波,会降低整个系统的检测精度。差分滤波电路的两个端子分别连接电流互感器两个绕组的异名端,可以对供电电源耦合到漏电流信号中的高频纹波进行有效滤除。
在本实施例中,所述差分比例放大电路包括第三运算放大器,第三运算放大器的同相输入端电连接在第一副边绕组与第一电阻R1之间的公共端上,第三运算放大器的输出端经第十一电阻R11与第五运算放大器的同相输入端电连接,第五运算放大器的同相输入端与第十一电阻R11之间的公共端经第十六电阻R16接地,第四运算放大器的同相输入端电连接在第二副边绕组与第二电阻R2之间的公共端上,第四运算放大器的输出端经第十五电阻R15与第五运算放大器的反相输入端电连接,第三运算放大器的输出端依次经第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14与第四运算放大器的输出端电连接,第三运算放大器的反相输入端电连接在第十二电阻R12与第十三电阻R13之间的公共端上,第四运算放大器的反相输入端电连接在第十三电阻R13与第十四电阻R14之间的公共端上,第十七电阻R17的一端电连接在第五运算放大器的反相输入端与第十五电阻R15之间的公共端上,第十七电阻R17的另一端电连接在第五运算放大器的输出端上。在该差分比例放大电路中,第五运算放大器的输出端与第十七电阻R17之间的公共端作为输出端。在本实施例中,所述第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器均采用双电源供电方式。差分比例放大电路可以有效抑制共模干扰,同时将差分信号转换为单端信号,利于后续的信号调理,并对差分信号进行线性放大。由于漏电流信号包含有高频纹波,差分比例放大电路在将有效的漏电流信号进行放大的同时,也将高频干扰信号进行了放大。漏电流检测电路应用在大功率电路时,高频干扰尖峰比较大,若差分比例放大电路的增益比比较大,则会使输出信号中高频尖峰超出运算放大器的输出上限电压,致使信号失真。因此,本设计中取增益为2.5。
在本实施例中,所述4阶巴特沃斯滤波器包括第十八电阻R18,该第十八电阻R18经第十九电阻R19电连接在第六运算放大器的同相输入端上,第六运算放大器的同相输入端经第六电容C6接地,第六运算放大器的反相输入端经第二十电阻R20接地,第二十一电阻R21的一端电连接在第六运算放大器的反相输入端与第二十电阻R20之间的公共端上,第二十一电阻R21的另一端电连接在第六运算放大器的输出端上,第五电容C5的一端电连接在第十八电阻R18与第十九电阻R19之间的公共端上,第五电容C5的另一端电连接在第六运算放大器的输出端上,第六运算放大器的输出端经第二十二电阻R22、第二十三电阻R23电连接在第七运算放大器的同相输入端上,第七运算放大器的同相输入端经第七电容C7接地,第七运算放大器的反相输入端与第七运算放大器的输出端电连接,第八电容C8的一端电连接在第二十二电阻R22与第二十三电阻R23之间的公共端上,第八电容C8的另一端电连接在第七运算放大器的输出端上。在本实施例中,所述第六运算放大器、第七运算放大器均采用双电源供电方式。
巴特沃斯滤波器输入信号为工频基波和高频纹波的叠加,高频纹波主要是逆变器开关频率次纹波,高频纹波需要被滤除。逆变器的开关频率一般为10kHz或更高,因此将巴特沃斯滤波器的转折频率设为500Hz。
选用四阶巴特沃斯滤波器,其系数为a1=1.8478,b1=1;a2=0.7654,b2=1。
使用MATLAB画四阶巴特沃斯滤波器传递函数的bode图
MATLAB程序为:
R1=15.8*10^3;
R2=43.2*10^3;
c3=4.7*10^(-9);
c4=33*10^(-9);
R3=21.5*10^3;
R4=30.1*10^3;
A0=1+10^3/10^3;
a1=R1*R2*c1*c2
a2=(c1*(R1+R2)+(1-A0)*R1*c2)
A1=tf([A0],[a1a21])
a3=R3*R4*c3*c4
a4=c3*(R3+R4)
A2=tf([1],[a3a41])
A=A1*A2
bode(A)
margin(A)
bode图,如图2所示,从图中可以看出,滤波器的穿越频率为656Hz,高频时以-80db/dec进行衰减,可以有效滤除高频纹波。在工频50Hz处,滤波器的增益为6.12db,且其附近频率的增益变化很小,因此滤波器可以对工频漏电流信号进行无畸变放大。
在本实施例中,所述绝对值电路包括第二十四电阻R24,第二十四电阻R24的一端与第八运算放大器的反相输入端电连接,第八运算放大器的同相输入端经第二十七电阻R27接地,第八运算放大器的输出端与第一二级管D1的正极电连接,第一二极管D1的负极与第二十五电阻R25的一端电连接,第二十五电阻R25的另一端与第二十四电阻R24的另一端电连接,第二二极管D2的正极电连接在第八运算放大器的反相输入端与第二十四电阻R24之间的公共端上,第二二极管D2的负极电连接在第八运算放大器的输出端上,第九电容C9与第二二极管D2并联,第二十六电阻R26的一端电连接在第八运算放大器的反相输入端与第二十四电阻R24之间的公共端上,第二十六电阻R26的另一端电连接在第一二极管D1的负极与第二十五电阻R25之间的公共端上,第一二极管D1、第二十五电阻R25和第二十六电阻R26之间的公共端为输出电压端。在本实施例中,所述第八运算放大器采用双电源供电方式。这种结构的绝对值电路结构简单。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例,并非依此限制本发明的保护范围,故:凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化,均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:包括电流互感器检测电路,其用于输出差分电压信号;
与所述电流互感器检测电路电连接的差分滤波电路,其用于滤除电流互感器检测电路中供电电源耦合到漏电流信号中的高频纹波;
与电流互感器检测电路电连接的差分比例放大电路,用于将所述电流互感器检测电路输出的差分电压信号转换为单端信号,并作比例放大;
与差分比例放大电路电连接的4阶巴特沃斯滤波器,用于滤除高频纹波并对信号进行比例放大;
与4阶巴特沃斯滤波器电连接的绝对值电路,用于将输入该绝对值电路的工频交流信号转变为馒头波,以输出满足ADC采样要求的电压。
2.根据权利要求1所述的供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:所述电流互感器检测电路包括电流互感器,所述电流互感器包括磁芯,在磁芯上绕有原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组,第一副边绕组经第一电阻、第二电阻与第二副边绕组电连接,在第一电阻与第二电阻之间的公共端上接供电电源。
3.根据权利要求2所述的供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:所述差分滤波电路包括第三电阻和第四电阻,供电电源经所述第三电阻和第四电阻与第一运算放大器的同相输入端电连接,第一运算放大器的反相输入端与第八电阻的一端电连接,第一运算放大器的反相输入端与第八电阻之间的公共端经第九电阻接地,第一运算放大器的输出端经第二电容接地,第一运算放大器的同相输入端经第一电容与第一运算放大器的输出端电连接,第一运算放大器的输出端经第六电阻与第二运算放大器的反相输入端电连接,第二运算放大器的反相输入端与第六电阻之间的公共端经第七电阻接地,第三电阻和第四电阻之间的公共端经第五电阻与第二运算放大器的同相输入端电连接,第三电容的一端与第二运算放大器的同相输入端电连接,第三电容的另一端与第二运算放大器的输出端电连接,第二运算放大器的输出端经第四电容接地,第二运算放大器的输出端与第八电阻的另一端电连接。
4.根据权利要求2所述的供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:所述差分比例放大电路包括第三运算放大器,第三运算放大器的同相输入端电连接在第一副边绕组与第一电阻之间的公共端上,第三运算放大器的输出端经第十一电阻与第五运算放大器的同相输入端电连接,第五运算放大器的同相输入端与第十一电阻之间的公共端经第十六电阻接地,第四运算放大器的同相输入端电连接在第二副边绕组与第二电阻之间的公共端上,第四运算放大器的输出端经第十五电阻与第五运算放大器的反相输入端电连接,第三运算放大器的输出端依次经第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻与第四运算放大器的输出端电连接,第三运算放大器的反相输入端电连接在第十二电阻与第十三电阻之间的公共端上,第四运算放大器的反相输入端电连接在第十三电阻与第十四电阻之间的公共端上,第十七电阻的一端电连接在第五运算放大器的反相输入端与第十五电阻之间的公共端上,第十七电阻的另一端电连接在第五运算放大器的输出端上。
5.根据权利要求1所述的供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:所述4阶巴特沃斯滤波器包括第十八电阻,该第十八电阻经第十九电阻电连接在第六运算放大器的同相输入端上,第六运算放大器的同相输入端经第六电容接地,第六运算放大器的反相输入端经第二十电阻接地,第二十一电阻的一端电连接在第六运算放大器的反相输入端与第二十电阻之间的公共端上,第二十一电阻的另一端电连接在第六运算放大器的输出端上,第五电容的一端电连接在第十八电阻与第十九电阻之间的公共端上,第五电容的另一端电连接在第六运算放大器的输出端上,第六运算放大器的输出端经第二十二电阻、第二十三电阻电连接在第七运算放大器的同相输入端上,第七运算放大器的同相输入端经第七电容接地,第七运算放大器的反相输入端与第七运算放大器的输出端电连接,第八电容的一端电连接在第二十二电阻与第二十三电阻之间的公共端上,第八电容的另一端电连接在第七运算放大器的输出端上。
6.根据权利要求1所述的供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:所述绝对值电路包括第二十四电阻,第二十四电阻的一端与第八运算放大器的反相输入端电连接,第八运算放大器的同相输入端经第二十七电阻接地,第八运算放大器的输出端与第一二级管的正极电连接,第一二极管的负极与第二十五电阻的一端电连接,第二十五电阻的另一端与第二十四电阻的另一端电连接,第二二极管的正极电连接在第八运算放大器的反相输入端与第二十四电阻之间的公共端上,第二二极管的负极电连接在第八运算放大器的输出端上,第九电容与第二二极管并联,第二十六电阻的一端电连接在第八运算放大器的反相输入端与第二十四电阻之间的公共端上,第二十六电阻的另一端电连接在第一二极管的负极与第二十五电阻之间的公共端上,第一二极管、第二十五电阻和第二十六电阻之间的公共端为输出电压端。
7.根据权利要求3所述的供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:所述第一运算放大器、第二运算放大器均采用单电源供电方式。
8.根据权利要求4所述的供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:所述第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器均采用双电源供电方式。
9.根据权利要求5所述的供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:所述第六运算放大器、第七运算放大器均采用双电源供电方式。
10.根据权利要求6所述的供ADC采样的漏电流检测电路,其特征在于:所述第八运算放大器采用双电源供电方式。
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