CN105588971A - 一种交流电压采样电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种交流电压采样电路，能够解决现有的采样电路准确性及可靠性差的问题，有效抑制温漂，实现精确检测，且检测范围较宽。包括：第一电压转换模块、第二电压转换模块以及采样模块，第一电压转换模块的两输入端分别与交流电源的零线和火线连接，第一电压转换模块的两输出端分别与第二电压转换模块的两输入端连接，第二电压转换模块的输出端与采样模块的输入端连接；第一电压转换模块用于将交流电源输出的第一交流电压转换为第二交流电压，第二电压转换模块用于将第二交流电压转换为第三交流电压，采样模块用于对第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到交流电源的峰值电压及频率。本发明适用于电子技术领域。

Description

一种交流电压采样电路及方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种交流电压采样电路及方法。

背景技术

输入电压对于电气设备来说是一个至关重要的参量，而能够准确检测与否对电气设备的运行与保护十分关键。

目前，主要通过交流电压采样电路对交流电压进行检测。现有技术中主要存在以下两种交流电压采样电路：(1)差分放大模式的电压采样电路。差分放大模式的电压采样电路通过在交流电压输入端串联电阻层层分压，以降低交流电压的幅值，进而将降压后的交流电压经由运算放大器处理后，输出至微控制单元(MicroControlUnit，MCU)进行运算处理。可见，在差分放大模式的电压采样电路中，电阻的数量及电阻功率规格决定了其所能检测的交流电压的范围。为了使采样电路的电压检测范围尽可能的宽，同时保证串入电阻的功率满足要求，需在交流电压输入端串联较多的分压电阻，但随着分压电阻的增多其所带来的检测误差也会增大，这样采样电路的可靠性就会大大降低，而且这种电路属强电热地设计，不能普遍运用于家电电控系统中。(2)基于电压互感器的整流滤波型电压采样电路。基于电压互感器的整流滤波型电压采样电路是通过电压互感器将交流电压进行隔离降压，并经整流滤波电路转换为直流电压后，输出至MCU进行检测。该类采样电路不需要借助分压电阻进行分压，检测范围较宽。但电路中的整流滤波电路的抑制温漂特性极差，这使得该类采样电路极易受到外部环境温度的影响，可靠性较差。

综上所述，目前亟需设计一种新的交流电压采样电路，以克服上述现有采样电路存在的缺陷。

发明内容

本发明的实施例提供一种交流电压采样电路及方法，以至少解决现有的采样电路为实现宽电压范围检测所引起的准确性差的问题，同时能够有效抑制温漂，且能普遍适用于家电电控系统中。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种交流电压采样电路，用于检测交流电压，包括：

第一电压转换模块、第二电压转换模块以及采样模块；其中，所述第一电压转换模块的两个输入端分别与交流电源的零线和火线连接，所述第一电压转换模块的两个输出端分别与所述第二电压转换模块的两个输入端连接；所述第二电压转换模块的输出端与所述采样模块的输入端连接；

所述第一电压转换模块用于将所述交流电源输出的第一交流电压转换为第二交流电压，所述第二交流电压的幅值小于所述第一交流电压的幅值；

所述第二电压转换模块用于将所述第一电压转换模块输出的所述第二交流电压转换为第三交流电压，所述第三交流电压的峰值电压小于所述采样模块的最大耐压值；

所述采样模块用于对所述第二电压转换模块输出的所述第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到所述交流电源的峰值电压及频率。

第二方面，提供一种交流电压采样方法，应用于第一方面所述的交流电压采样电路，包括：

将交流电源输出的第一交流电压转换为第二交流电压，所述第二交流电压的幅值小于所述第一交流电压的幅值；

将所述第二交流电压转换为第三交流电压，所述第三交流电压的峰值电压小于所述采样模块的最大耐压值；

对所述第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到所述交流电源的峰值电压及频率。

基于本发明实施例提供的交流电压采样电路及方法，通过将待检测交流电源输出的第一交流电压转换为幅值较小的第二交流电压，进而将第二交流电压转换为可被识别的第三交流电压，最后对第三交流电压进行采样，根据采样结果即可计算得到交流电源的电压。如此，即可实现对交流电压的采样。一方面，由于本发明实施例是通过第一电压转换模块来实现分压的，因此通过对第一电压转换模块进行调整即可对其电压转换比例进行调节，如此即可调节采样电路可检测的交流电压的范围，实现宽电压范围检测。同时，基于本发明实施例提供的交流电压采样电路，无需如现有的差分放大模式的电压采样电路那样，通过增加分压电阻的数量来扩宽检测范围，因此检测准确性更高；另一方面，本发明实施例提供的交流电压采样电路中第一电压转换模块及第二电压转换模块转换得到的均为交流电压，采样模块最终检测的也是交流电压，因此电路中并不涉及整流滤波电路，同时电路中也不存在其他温漂特性差的元器件，因此相比于现有的基于电压互感器的整流滤波型电压采样电路，本发明实施例提供的交流电压采样电路能够有效抑制温漂，可靠性较好。

综上，本发明的实施例提供的交流电压采样电路及方法，能够解决现有的采样电路为实现宽电压范围检测所引起的准确性差的问题，同时可有效抑制温漂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种交流电压采样电路的组成示意图；

图2为本发明实施例提供的交流电压采样电路中第一电压转换模块的组成示意图；

图3为本发明实施例提供的交流电压采样电路中第二电压转换模块的组成示意图；

图4为本发明实施例提供的一种优选的交流电压采样电路的组成示意图；

图5为本发明实施例提供的一种交流电压采样方法的流程示意图一；

图6为本发明实施例提供的一种交流电压采样方法的流程示意图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

本发明实施例提供一种交流电压采样电路，用于检测交流电压，如图1所示，包括：第一电压转换模块20、第二电压转换模块30以及采样模块40。其中，第一电压转换模块20的两输入端201及202分别与交流电源10的零线101和火线102连接，第一电压转换模块20的两输出端203及204分别与第二电压转换模块30的两输入端301及302连接，第二电压转换模块30的输出端303与采样模块40的输入端401连接。

其中，第一电压转换模块20用于将交流电源10输出的第一交流电压转换为第二交流电压，第二交流电压的幅值小于第一交流电压的幅值；

第二电压转换模块30用于将第一电压转换模块20输出的第二交流电压转换为第三交流电压，第三交流电压的峰值电压小于采样模块40的最大耐压值；

采样模块40用于对第二电压转换模块30输出的第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到交流电源10的峰值电压及频率。

基于本发明实施例提供的交流电压采样电路，通过第一电压转换模块将待检测交流电源输出的第一交流电压转换为幅值较小的第二交流电压，进而通过第二电压转换模块将第二交流电压转换为可被采样模块识别的第三交流电压，最后由采样模块对第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到交流电源的电压。如此，即可实现对交流电压的采样。一方面，由于本发明实施例提供的交流电压采样电路是通过第一电压转换模块来实现分压的，因此通过对第一电压转换模块进行调整即可对其电压转换比例进行调节，如此即可调节采样电路可检测的交流电压的范围，实现宽电压范围检测。同时，由于本发明实施例提供的交流电压采样电路无需如现有的差分放大模式的电压采样电路那样，通过增加分压电阻的数量来扩宽检测范围，因此检测准确性更高；另一方面，本发明实施例提供的交流电压采样电路中第一电压转换模块及第二电压转换模块转换得到的均为交流电压，采样模块最终检测的也是交流电压，因此电路中并不涉及整流滤波电路，同时电路中也不存在其他温漂特性差的元器件，因此相比于现有的基于电压互感器的整流滤波型电压采样电路，本发明实施例提供的交流电压采样电路能够有效抑制温漂，可靠性较好。

优选的，本发明实施例提供的交流电压采样电路中，采样模块40具体可以包括MCU。此时，采样模块40的最大耐压值即为MCU的输入端口的最大耐压值，其通常为5V。

优选的，如图2所示，本发明实施例提供的交流电压采样电路中，第一电压转换模块20具体可以包括隔离变压器。如图2所示，隔离变压器的初级的两端为第一电压转换模块20的两输入端201及202，隔离变压器的次级的两端为第一电压转换模块20的两输出端203及204。

如此，以隔离变压器作为第一电压转换模块，即可将强弱电进行有效隔离，能够确保操作人员的人身安全，这样一来，本发明实施例提供的交流电压采样电路即可应用至需要强弱电隔离的家电电控系统中。

值得说明的是，日常生产及生活中通常使用的是220V50Hz的交流电，而主控MCU的输入端口的最大耐压值通常为5V，因此为设计方便，可将隔离变压器的变压比设计为100:1，即将第一电压转换模块的电压转换公式设计为：第一交流电压：第二交流电压＝100:1。

当然，以上所述仅为本发明实施例给出的一种具体示例，本领域普通技术人员可以理解，在实际应用中可根据具体需求设计相应的变压器，本发明实施例对此不作具体限定。

优选的，如图3所示，第二电压转换模块30具体可以包括：第一电阻R1、第二电阻R2、运算放大器、第三电阻R3、第四电阻R4以及第五电阻R5。

其中，如图3所示，第一电阻R1的一端与第一电压转换模块20的一输出端连接，为第二电压转换模块30的一输入端301，第一电阻R1的另一端与运算放大器的反向输入端及第三电阻R3的一端连接；第二电阻R2的一端与第一电压转换模块20的另一输出端连接，为第二电压转换模块30的另一输入端302，第二电阻R2的另一端与运算放大器的正向输入端、第四电阻R4的一端以及第五电阻R5的一端连接；第四电阻R4的一端还与第五电阻R5的一端连接，第四电阻R4的另一端输入供电电压V_DD，第五电阻R5的另一端接地；运算放大器的输出端与采样模块40的输入端401及第三电阻R3的另一端连接，为第二电压转换模块30的输出端303。

请参考图3，假设第二电压转换模块30的输入电压为V_i1及V_i2，输出电压为V_o，则本领域普通技术人员容易得出，第二电压转换模块30的电压转换公式如公式(1)所示：

$V_o=\frac{R3}{R2}(V_{i2}-V_{i1})+\frac{R5}{R4+R5}{V}_{DD}$ 公式(1)

具体的，本发明实施例提供的交流电压采样电路中，采样模块40具体可以用于：

在预设的采样时间内，按照预设周期对第二电压转换模块30输出的第三交流电压进行采样，得到采样点集合；

确定采样点集合中电压值最大的N个采样点，并根据N个采样点的电压值、预先存储的第一电压转换公式以及第二电压转换公式，计算得到交流电源10的峰值电压，以及，根据N个采样点中相邻两个采样点的间隔时间，确定交流电源10的频率。

其中，N为整数，N≥2。

本领域技术人员可以理解，所述预先存储的第一电压转换公式即为第一电压转换模块将交流电源输出的第一交流电压转换为第二交流电压的公式，第二电压转换公式即为第二电压转换模块将第二交流电压转换为第三交流电压的公式。

示例性的，给出一种优选的交流电压采样电路，如图4所示。其中，V_i表示待检测的交流电源的输入电压，假设隔离变压器的变压比为100:1，则有如下所示的公式(2)，公式(2)即为第一电压转换公式。

V_i＝100×(V_i2-V_i1)公式(2)

假设运算放大器的供电电压V_DD＝5V，电阻R1＝R2,R4＝R5＝2*R3，则根据公式(1)，容易得到如下所示的公式(3)，公式(3)即为第二电压转换公式。

$V_o=\frac{R3}{R2}(V_{i2}-V_{i1})+2.5$ 公式(3)

根据公式(2)和公式(3)可以得到输入电压V_i与输出电压V_o的关系如公式(4)所示：

$V_o=\frac{R3}{R2}\×\frac{V_i}{100}+2.5$ 公式(4)

相应的，基于本发明实施例提供的交流电压采样电路，本发明实施例还提供了一种交流电压采样方法，如图5所示，包括：

S501、交流电压采样电路将交流电源输出的第一交流电压转换为第二交流电压。

其中，第二交流电压的幅值小于第一交流电压的幅值。

S502、交流电压采样电路将第二交流电压转换为第三交流电压。

其中，第三交流电压的峰值电压小于采样模块的最大耐压值。

S503、交流电压采样电路对第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到交流电源的峰值电压及频率。

进一步的，如图6所示，本发明实施例提供的交流电压采样方法中，交流电压采样电路对第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到交流电源的峰值电压及频率(即步骤S503)，具体可以包括：

S503a、交流电压采样电路在预设的采样时间内，按照预设周期对第三交流电压进行采样，得到采样点集合。

S503b、交流电压采样电路确定采样点集合中电压值最大的N个采样点，并根据N个采样点的电压值、预先存储的第一电压转换公式以及第二电压转换公式，计算得到交流电源的峰值电压,以及，根据N个采样点中任意两个采样点的间隔时间，确定交流电源的频率。

其中，N为整数，N≥2。

需要说明的是，本领域普通技术人员容易理解，采样时间的时长应大于交流电源所产生的交流电的周期，以保证在采样时间内可采集到至少两个峰值点。

示例性的，假设所采用的采样电路为图4所示的电路(且电阻R2＝R3)，在100ms的采样时间内采集得到的采样点集合中存在5个峰值电压，分别为4.9V、4.9V、4.9V、4.9V、4.9V，则计算交流电源峰值电压的具体过程为：对5个峰值电压取平均得到V_o(4.9V)，代入至预存的第二电压转换公式，即公式(3)，得到_Vi2-Vi1＝2.4V，进一步代入至第一电压转换公式，即公式(2)，即可得到交流电源输出的交流电压的峰值电压V_i＝240V。进一步的，假设5个采样点中相邻两个采样点的间隔时间为20ms，则该交流电压的频率即为

基于本发明实施例提供的交流电压采样电路及方法，通过将待检测交流电源输出的第一交流电压转换为幅值较小的第二交流电压，进而将第二交流电压转换为可被识别的第三交流电压，最后对第三交流电压进行采样，根据采样结果即可计算得到交流电源的电压。如此，即可实现对交流电压的采样。一方面，由于本发明实施例是通过第一电压转换模块来实现分压的，因此通过对第一电压转换模块进行调整即可对其电压转换比例进行调节，如此即可调节采样电路可检测的交流电压的范围，实现宽电压范围检测。同时，基于本发明实施例提供的交流电压采样电路，无需如现有的差分放大模式的电压采样电路那样，通过增加分压电阻的数量来扩宽检测范围，因此检测准确性更高；另一方面，本发明实施例提供的交流电压采样电路中第一电压转换模块及第二电压转换模块转换得到的均为交流电压，采样模块最终检测的也是交流电压，因此电路中并不涉及整流滤波电路，同时电路中也不存在其他温漂特性差的元器件，因此相比于现有的基于电压互感器的整流滤波型电压采样电路，本发明实施例提供的交流电压采样电路能够有效抑制温漂，可靠性较好。

综上，本发明的实施例提供的交流电压采样电路及方法，能够解决现有的采样电路为实现宽电压范围检测所引起的准确性差的问题，同时可有效抑制温漂。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种交流电压采样电路，用于检测交流电压，其特征在于，包括：第一电压转换模块、第二电压转换模块以及采样模块；其中，所述第一电压转换模块的两输入端分别与交流电源的零线和火线连接，所述第一电压转换模块的两输出端分别与所述第二电压转换模块的两输入端连接；所述第二电压转换模块的输出端与所述采样模块的输入端连接；

所述第一电压转换模块用于将所述交流电源输出的第一交流电压转换为第二交流电压，所述第二交流电压的幅值小于所述第一交流电压的幅值；

所述第二电压转换模块用于将所述第一电压转换模块输出的所述第二交流电压转换为第三交流电压，所述第三交流电压的峰值电压小于所述采样模块的最大耐压值；

所述采样模块用于对所述第二电压转换模块输出的所述第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到所述交流电源的峰值电压及频率。

2.根据权利要求1所述的交流电压采样电路，其特征在于，所述第一电压转换模块包括隔离变压器，所述隔离变压器的初级的两端为所述第一转换模块的两输入端，所述隔离变压器的次级的两端为所述第一电压转换模块的两输出端。

3.根据权利要求1或2所述的交流采样电路，其特征在于，所述第二电压转换模块包括：第一电阻、第二电阻、运算放大器、第三电阻、第四电阻以及第五电阻；

所述第一电阻的一端与所述第一电压转换模块的一输出端连接，为所述第二电压转换模块的一输入端，所述第一电阻的另一端与所述运算放大器的反向输入端及所述第三电阻的一端连接；

所述第二电阻的一端与所述第一电压转换模块的另一输出端连接，为所述第二电压转换模块的另一输入端，所述第二电阻的另一端与所述运算放大器的正向输入端、所述第四电阻的一端以及所述第五电阻的一端连接；

所述运算放大器的输出端与所述采样模块的输入端及所述第三电阻的另一端连接，为所述第二电压转换模块的输出端；

所述第四电阻的一端还与所述第五电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端输入供电电压，所述第五电阻的另一端接地。

4.根据权利要求1-3任一项所述的交流电压采样电路，其特征在于，所述采样模块具体用于：

在预设的采样时间内，按照预设周期对所述第二电压转换模块输出的第三交流电压进行采样，得到采样点集合；

确定所述采样点集合中电压值最大的N个采样点，并根据所述N个采样点的电压值、预先存储的第一电压转换公式及第二电压转换公式，计算得到所述交流电源的峰值电压；以及，根据所述N个采样点中相邻两个采样点的间隔时间，确定所述交流电源的频率；其中，N为整数，N≥2。

5.根据权利要求1-4任一项所述的交流电压采样电路，其特征在于，所述采样模块包括微处理单元MCU。

6.一种交流电压采样方法，应用于如权利要求1-5任一项所述的交流电压采样电路，其特征在于，包括：

将交流电源输出的第一交流电压转换为第二交流电压，所述第二交流电压的幅值小于所述第一交流电压的幅值；

将所述第二交流电压转换为第三交流电压，所述第三交流电压的峰值电压小于所述采样模块的最大耐压值；

对所述第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到所述交流电源的峰值电压及频率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述第三交流电压进行采样，并根据采样结果计算得到所述交流电源的峰值电压及频率，包括：

在预设的采样时间内，按照预设周期对所述第三交流电压进行采样，得到采样点集合；

确定所述采样点集合中电压值最大的N个采样点，并根据所述N个采样点的电压值、预先存储的第一电压转换公式及第二电压转换公式，计算得到所述交流电源的峰值电压；以及，根据所述N个采样点中相邻两个采样点的间隔时间，确定所述交流电源的频率；其中，N为整数，N≥2。