CN105445536A - 一种交流电压采集装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电压采集装置及其工作方法，其特征在于所述采集装置包括依次连接的限流支路、交流电压转换支路、直流偏压支路、阻抗变换和跟随支路以及软件处理支路，其中，所述限流支路上接有被测交流电压输入端。本发明的优点是，可以在一定温度范围内减小主要温漂器件的影响，提高了测量精度并减小了测量误差，处理方法简单，成本较低，适合大规模推广使用。

Description

一种交流电压采集装置及其工作方法

技术领域

本发明属于电压测量技术领域，具体涉及一种交流电压采集装置及其工作方法。

背景技术

目前，交流电压的采集主要采用半波整流滤波技术：采用二极管进行整流和电容进行滤波。此方法的缺点是二极管温漂大，电容滤波后滤掉部分谐波分量将增大测量误差并降低测量精度。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种交流电压采集装置及其工作方法，该交流电压采集装置通过采用程序滤波方法不会对输出波形造成影响，可精确采集交流电压。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种交流电压采集装置，其特征在于所述采集装置包括依次连接的限流支路、交流电压转换支路、直流偏压支路、阻抗变换和跟随支路以及软件处理支路，其中，所述限流支路上接有被测交流电压输入端。

所述限流支路包括依次串联的电阻R1以及电流互感器T1初级线圈，其中，所述电阻R1与所述被测交流电压输入端连接。

所述交流电压转换支路依次包括电流互感器T1次级线圈、电阻R2以及电容C1，其中，所述电阻R2与所述电流互感器T1次级线圈并联，所述电容C1与所述电流互感器T1次级线圈串联。

所述直流偏压支路位于所述交流电压转换支路以及所述阻抗变换和跟随支路之间，包括依次连接的电源电压VCC1、电阻R3、电阻R4以及GND1。

所述阻抗变换和跟随支路包括电阻R5以及运算放大器，所述运算放大器同相输入端连接所述直流偏压支路，所述电阻R5连接所述运算放大器异相输入端以及所述运算放大器的输出端。

一种涉及任一上述交流电压采集装置的工作方法，其特征在于所述工作方法包括如下步骤：被测交流电压输入所述限流支路中，将被测交流电压转变成小电流；所述交流电压转换支路将小电流转换成交流低电压输出，并隔断其中直流；输出的交流低电压负值部分叠加在所述直流偏压支路内的直流偏置电压上从而变成正值交流电压；正值交流电压经所述阻抗变换和跟随支路提高输入阻抗，输出电压进入所述软件处理支路中进行程序滤波和计算处理，获得交流电压值。

所述工作方法包括如下步骤：

a.被测交流电压V_test输入所述限流支路中，所述电流互感器T1初级线圈串联电阻R1进行限流，将被测交流电压V_test转变成小电流I1，其中，I1=V_test/R1；

b.小电流I1进入所述交流电压转换支路，1:1变比的所述电流互感器T1次级线圈将小电流I1转换为小电流I2，其中，I1=I2；所述电阻R2将小电流I2转换成交流低电压V1，其中，V1=I2*R2；低电压V1经过电容C1后隔断其中直流变为输出电压V2,其中，V2=V1；

c.所述交流电压转换支路输出电压V2进入所述直流偏压支路内，并叠加在直流偏置电压上转变为输出电压V3，其中，V3=V2+VCC1*R4/（R3+R4）；

d.所述直流偏压支路输出电压V3连接所述阻抗变换和跟随支路中所述运算放大器同相输入端进行阻抗变换并输出电压V_out，其中，V_out=V3；

e.由所述软件处理支路中的ADC和MCU计算输出电压V_out，计算方法为：

采用内循环和外循环进行ADC采集计算，其中，内循环为ADC连续采集30次，以AD[30]为数组计数，把数组AD[30]进行冒泡法从小到大排序，去掉尖峰毛刺即最大值AD[29]，选AD[28]-AD[19]的平均值，即：

V_out=V_erf*(AD[19]+AD[20]+AD[21]+AD[22]+AD[23]+AD[24]+AD[25]+AD[26]+AD[27]+AD[28])/10/4095

式中，V_erf为ADC的参考电压；4095是12位的ADC总步数，即采集分辨率是V_erf/4095；

f.根据计算出的V_out计算被测交流电压V_test，计算公式为：

V_test=（V_out-VCC1*R4/（R3+R4））*R1/R2。

本发明的优点是，可以在一定温度范围内减小主要温漂器件的影响，提高了测量精度并减小了测量误差，处理方法简单，成本较低，适合大规模推广使用。

附图说明

图1为本发明中交流电压采集装置原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种交流电压采集装置及其工作方法，能够实时测量市电或其它交流电压，该交流电压采集装置包括依次连接的限流支路、交流电压转换支路、直流偏压支路、阻抗变换和跟随支路以及软件处理支路。

限流支路用于限流以把要测试的交流电压转变成小电流，包括依次串联的电阻R1以及电流互感器T1初级线圈，电阻R1的一端接被测交流电压输入端、另一端接电流互感器T1初级线圈的脚1，电流互感器T1初级线圈的脚4则接PGND，其中，电阻R1为限流电阻，阻值介于100-900KΩ之间，电流互感器T1的变比为1:1，其阻值为百欧姆级，可以忽略不计。

交流电压转换支路用于把限流支路中的小电流转换成交流低电压并隔断其中的直流，包括电流互感器T1次级线圈、电阻R2以及电容C1，电阻R2两端分别接电流互感器T1次级线圈的脚2、3以构成并联用于将小电流转换成交流低电压，电容C1则接电流互感器T1次级线圈的脚2以构成串联隔断直流；其中，R2为负载电阻，阻值为百欧姆级。

直流偏压支路位于交流电压转换支路以及所述阻抗变换和跟随支路之间，包括依次连接的电源电压VCC1、电阻R3以及电阻R4，其中R3和R4为直流偏置电阻；通过在电容C1后端加一直流偏置电压，以把输入的交流低电压负值部分叠加在直流偏置电压上从而变成正值交流电压。

阻抗变换和跟随支路用于提高正值交流电压的输入阻抗，包括电阻R5以及运算放大器，运算放大器同相输入端3连接直流偏压支路，电阻R5连接运算放大器异相输入端2以及运算放大器的输出端1，形成跟随器，正值交流电压经该跟随器提高输入阻抗。

软件处理支路包括ADC以及MCU，跟随器输出电压进入ADC进行采集，并由MCU进行程序滤波和计算处理。

需要说明的是，V1、VCC1、VCC2、V_out共地GND1。

如图1所示，本实施例中交流电压采集装置的工作方法包括如下步骤：

（a）被测交流电压V_test输入限流支路中，电流互感器T1初级线圈串联电阻R1进行限流，将被测交流电压V_test转变成小电流I1，小电流I1的计算公式为：

I1=V_test/R1；

式中，R1的阻值已知，可以介于100-900KΩ之间；

（b）小电流I1进入交流电压转换支路，1:1变比的电流互感器T1次级线圈将小电流I1转换为小电流I2，因为电流互感器T1的变比为1:1，故I1=I2；

电阻R2将小电流I2转换成交流低电压V1，其中，V1=I2*R2，式中，R2为负载电阻，阻值已知，通常选定为百欧姆级；

低电压V1经过电容C1后隔断其中直流变为输出电压V2,其中，V2=V1，其中，C1选择为nf级的电容，因此V2近似等于V1；

（c）交流电压转换支路输出电压V2进入直流偏压支路内，并叠加在直流偏置电压上转变为输出电压V3，输出电压V3的计算公式如下：

V3=V2+VCC1*R4/（R3+R4）；

式中，VCC1为已知的电源电压；R3和R4为阻值已知的直流偏置电阻；

（d）直流偏压支路输出电压V3连接阻抗变换和跟随支路中运算放大器同相输入端进行阻抗变换并输出电压V_out，其中，V_out=V3；

（e）输出电压V_out进入软件处理支路中，ADC进行采集，并由MCU进行程序滤波和计算处理，计算输出电压V_out，计算方法为：

采用2个循环（即内循环和外循环）进行ADC采集计算，内循环为ADC连续采集30次，以AD[30]为数组计数，把数组AD[30]进行冒泡法从小到大排序，去掉尖峰毛刺即最大值AD[29]，选AD[28]-AD[19]的平均值，即：

V_out=V_erf*(AD[19]+AD[20]+AD[21]+AD[22]+AD[23]+AD[24]+AD[25]+AD[26]+AD[27]+AD[28])/10/4095

式中，V_erf为ADC的参考电压；4095是12位的ADC总步数，即采集分辨率是V_erf/4095；

外循环为间隔一段时间进入ADC采样，间隔20次，把每次采样结果进行比较取最大值，保证外循环间隔20次能采集一次完整周期，这样ADC的读数值V_out计算出的测试值V_test就是交流电的峰值电压；

（f）根据计算出的V_out计算被测交流电压V_test，计算公式为：

V_test=（V_out-VCC1*R4/（R3+R4））*R1/R2

式中各值均为已知值或已计算出相应的值，故可计算出V_test的值，由于我们说的市电指的是有效值，所以V_test/1.414才是我们所需要的最终测量结果。

Claims (7)

1.一种交流电压采集装置，其特征在于所述采集装置包括依次连接的限流支路、交流电压转换支路、直流偏压支路、阻抗变换和跟随支路以及软件处理支路，其中，所述限流支路上接有被测交流电压输入端。

2.根据权利要求1所述的一种交流电压采集装置，其特征在于所述限流支路包括依次串联的电阻R1以及电流互感器T1初级线圈，其中，所述电阻R1与所述被测交流电压输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种交流电压采集装置，其特征在于所述交流电压转换支路依次包括电流互感器T1次级线圈、电阻R2以及电容C1，其中，所述电阻R2与所述电流互感器T1次级线圈并联，所述电容C1与所述电流互感器T1次级线圈串联。

4.根据权利要求1所述的一种交流电压采集装置，其特征在于所述直流偏压支路位于所述交流电压转换支路以及所述阻抗变换和跟随支路之间，包括依次连接的电源电压VCC1、电阻R3、电阻R4以及GND1。

5.根据权利要求1所述的一种交流电压采集装置，其特征在于所述阻抗变换和跟随支路包括电阻R5以及运算放大器，所述运算放大器同相输入端连接所述直流偏压支路，所述电阻R5连接所述运算放大器异相输入端以及所述运算放大器的输出端。

6.一种涉及权利要求1-5任一所述交流电压采集装置的工作方法，其特征在于所述工作方法包括如下步骤：被测交流电压输入所述限流支路中，将被测交流电压转变成小电流；所述交流电压转换支路将小电流转换成交流低电压输出，并隔断其中直流；输出的交流低电压负值部分叠加在所述直流偏压支路内的直流偏置电压上从而变成正值交流电压；正值交流电压经所述阻抗变换和跟随支路提高输入阻抗，输出电压进入所述软件处理支路中进行程序滤波和计算处理，获得交流电压值。

7.根据权利要求6所述的一种交流电压采集装置的工作方法，其特征在于所述工作方法包括如下步骤：

a.被测交流电压V_test输入所述限流支路中，所述电流互感器T1初级线圈串联电阻R1进行限流，将被测交流电压V_test转变成小电流I1，其中，I1=V_test/R1；

b.小电流I1进入所述交流电压转换支路，1:1变比的所述电流互感器T1次级线圈将小电流I1转换为小电流I2，其中，I1=I2；所述电阻R2将小电流I2转换成交流低电压V1，其中，V1=I2*R2；低电压V1经过电容C1后隔断其中直流变为输出电压V2,其中，V2=V1；

c.所述交流电压转换支路输出电压V2进入所述直流偏压支路内，并叠加在直流偏置电压上转变为输出电压V3，其中，V3=V2+VCC1*R4/（R3+R4）；

d.所述直流偏压支路输出电压V3连接所述阻抗变换和跟随支路中所述运算放大器同相输入端进行阻抗变换并输出电压V_out，其中，V_out=V3；

e.由所述软件处理支路中的ADC和MCU计算输出电压V_out，计算方法为：

采用内循环和外循环进行ADC采集计算，其中，内循环为ADC连续采集30次，以AD[30]为数组计数，把数组AD[30]进行冒泡法从小到大排序，去掉尖峰毛刺即最大值AD[29]，选AD[28]-AD[19]的平均值，即：

V_out=V_erf*(AD[19]+AD[20]+AD[21]+AD[22]+AD[23]+AD[24]+AD[25]+AD[26]+AD[27]+AD[28])/10/4095

式中，V_erf为ADC的参考电压；4095是12位的ADC总步数，即采集分辨率是V_erf/4095；

f.根据计算出的V_out计算被测交流电压V_test，计算公式为：

V_test=（V_out-VCC1*R4/（R3+R4））*R1/R2。