CN106300304B - 一种交流小信号调理电路的保护电路及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流小信号调理电路的保护电路及其保护方法；第二运算放大器电路对输入的交流电压信号或交流电流信号进行放大处理，处理后送入窗口比较器；窗口比较器对放大处理后的信号进行比较，窗口比较电路的比较电平为设定范围，通过计算设定范围与衰减电路的衰减系数的比值，得到输入信号的幅度阈值，若输入的交流电压信号或交流电流信号的信号幅度超过幅度阈值，则窗口比较器输出低电平给RS触发器；RS触发器输出低电平给继电器电路，RELAY继电器打向常闭触点，将输入的交流电压大信号或交流电流大信号切向第一运算放大器电路，输入大的交流信号经过第一运算放大器电路衰减后输出，实现了对交流小信号的有效保护和准确测量的优点。

Description

一种交流小信号调理电路的保护电路及其保护方法

技术领域

本发明公开了一种交流小信号调理电路的保护电路及其保护方法。

背景技术

在数字万用表交流电路测量过程中，交流电压的测量是通过真有效值变换电路实现的。真有效值变换电路包括交流信号调理电路和真有效值转换器两部分组成。此部分的难点是交流小信号调理电路的有效保护。传统电路的设计是采用常规的保护电路设计方式，该种保护方式当针对宽电压测试时对交流小信号电路的保护在一定程度上会失效。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种交流小信号调理电路的保护电路及其保护方法，它具有实现了对交流小信号的有效保护和准确测量的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种交流小信号调理电路的保护电路，包括：

继电器电路，继电器电路分别与第一运算放大器电路和电压比较器电路连接；

继电器电路还与第二运算放大器电路连接、第二运算放大器电路与窗口比较器连接，窗口比较器与RS触发器连接，RS触发器与继电器电路连接；

第二运算放大器电路对输入的交流电压信号或交流电流信号进行放大处理，放大处理后送入窗口比较器；窗口比较器对放大处理后的信号进行比较，窗口比较电路的比较电平为设定范围，通过计算设定范围与衰减电路的衰减系数的比值，得到输入信号的幅度阈值，若输入的交流电压信号或交流电流信号的信号幅度超过幅度阈值，则窗口比较器输出低电平给RS触发器；RS触发器输出低电平给继电器电路，继电器电路中的RELAY继电器打向常闭触点，将输入的交流电压大信号或交流电流大信号切向第一运算放大器电路，输入大的交流信号经过第一运算放大器电路衰减后输出。

所述继电器电路包括：RELAY继电器K6，RELAY继电器K6的1号引脚与电源VCC连接，RELAY继电器K6的2号引脚ACS1与RELAY继电器K6的3号引脚ACOT连接，RELAY继电器K6的3号引脚ACOT与第一运算放大器电路连接，RELAY继电器K6的8号引脚与RELAY继电器K6的9号引脚AGND连接，RELAY继电器K6的8号引脚还与电阻R115的第一端连接，电阻R115的第二端与电阻R51的第一端连接，电阻R51的第二端端与电阻R97的第一端连接，电阻R97的第二端与第一运算放大器电路连接，RELAY继电器K6的7号引脚通过电容C56与测量交流电压ACV连接；RELAY继电器K6的10号引脚与4148二极管的正极连接，4148二极管的负极与电源VCC连接；RELAY继电器K6的10号引脚还与9013三极管的集电极连接，9013三极管的基极通过电阻R64的第一端点连接，电阻R64的第二端点与RS触发器连接，9013三极管的基极还通过101电容C60与接地点VSS连接；9013三极管的发射极也与接地点VSS连接。

所述第一运算放大器电路包括LF356运算放大器U8，所述LF356运算放大器U8的2号引脚与LF356运算放大器U8的6号引脚连接，所述LF356运算放大器U8的4号引脚通过104电容C38连接地AGND；所述LF356运算放大器U8的4号引脚与-15V电压连接；所述LF356运算放大器U8的7号引脚通过104电容C55余地AGND连接，所述LF356运算放大器U8的7号引脚还与+15V电压连接；所述LF356运算放大器U8的7号引脚通过BAV199瞬态抑制二极管V41与所述LF356运算放大器U8的4号引脚连接，所述BAV199瞬态抑制二极管V41包括串联的第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极与与所述LF356运算放大器U8的4号引脚连接，所述第一二极管的负极与第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述LF356运算放大器U8的7号引脚连接，所述第一二极管的负极与电阻R97的第二端连接；所述LF356运算放大器U8的6号引脚通过依次串联的电阻R55和电阻R59余地AGND连接，所述电阻R55与电容C47并联；所述电容C47与电容C48并联。

所述电压比较器电路包括LF356运算放大器N18，所述LF356运算放大器N18的2号引脚与LF356运算放大器N18的6号引脚连接，所述LF356运算放大器N18的3号引脚与RELAY继电器K6的3号引脚ACOT连接，所述LF356运算放大器N18的4号引脚通过104电容C40与地AGND连接，所述LF356运算放大器N18的4号引脚还与-15V电压连接；所述LF356运算放大器N18的7号引脚通过电容C52余地AGND连接，所述LF356运算放大器N18的7号引脚还与+15V电压连接；所述LF356运算放大器N18的6号引脚还与万用表交流档位ACS2连接。

所述第二运算放大器电路包括：LF356运算放大器U15，所述LF356运算放大器U15的2号引脚通过依次串联的电容C82和电阻R89与LF356运算放大器U15的6号引脚连接，所述LF356运算放大器U15的2号引脚还通过依次串联的电阻R96和电阻R90与LF356运算放大器U15的6号引脚连接，所述电阻R90与电阻R98并联；所述LF356运算放大器U15的2号引脚分别与电阻R74的第一端和电阻R75的第一端连接，电阻R74的第二端与电阻R66的第一端连接，电阻R75的第二端与电阻R67的第一端连接，电阻R74的第二端与电阻R75的第二端连接，电阻R66的第二端连接与电阻R67的第二端连接；电阻R66的第二端与RELAY继电器K6的7号引脚连接；LF356运算放大器U15的3号引脚接地AGND，LF356运算放大器U15的4号引脚通过电容C79接地AGND，所述LF356运算放大器U15的4号引脚还与-15V电压连接，所述LF356运算放大器U15的7号引脚通过电容C65接地AGND，所述LF356运算放大器U15的7号引脚与+15连接；所述LF356运算放大器U15的6号引脚与RELAY继电器K6的2号引脚ACS1连接；所述LF356运算放大器U15的6号引脚还与窗口比较器连接。

所述窗口比较器包括：LM393电压比较器U13B和LM393电压比较器U13A，所述LM393电压比较器U13B的5号引脚通过电阻R82接地AGND，所述LM393电压比较器U13B的5号引脚还通过电阻R72连接+15，所述LM393电压比较器U13B的6号引脚与RELAY继电器K6的2号引脚ACS1连接；所述LM393电压比较器U13B的6号引脚与所述LF356运算放大器U15的6号引脚连接，所述LM393电压比较器U13B的6号引脚与LM393电压比较器U13A的3号引脚连接，LM393电压比较器U13B的7号引脚与LM393电压比较器U13A的1号引脚连接，所述LM393电压比较器U13A的2号引脚通过电阻R85与地AGND连接，所述LM393电压比较器U13A的2号引脚通过电阻R88与-15V电压连接，LM393电压比较器U13A的4号引脚通过电容C85与地AGND连接，LM393电压比较器U13A的4号引脚通过电容C85与-15V电压连接，LM393电压比较器U13A的8号引脚通过电容C63地AGND连接，LM393电压比较器U13A的8号引脚与+15连接；所述LM393电压比较器U13B的7号引脚与电阻R77的第一端连接，所述电阻R77的第二端与电阻R68的第一端连接，所述电阻R68的第二端与RS触发器连接，所述电阻R77与电容C68并联。

所述RS触发器包括：7400触发器D7A、7400触发器D7B、7400触发器D7C和7400触发器D7D，所述7400触发器D7A的1号引脚通过电阻R69与3.3V连接，所述7400触发器D7A的1号引脚通过电阻R69与电阻R68的第二端连接，所述7400触发器D7A的2号引脚分别与7400触发器D7B的4号引脚、7400触发器D7B的5号引脚和7400触发器D7C的8号引脚连接，所述7400触发器D7A的3号引脚与7400触发器D7C的9号引脚连接，所述7400触发器D7B的6号引脚与电阻R64的第二端点连接，7400触发器D7C的10号引脚与电阻R77的第二端连接，所述7400触发器D7C的10号引脚与9013三极管Q11的集电极连接，所述9013三极管Q11的发射极接地，所述9013三极管Q11的基极通过电阻R87与7400触发器D7D的11号引脚连接，所述7400触发器D7D的12号引脚和13号引脚均与AC nRST连接。

AC nRST是一个复位信号，用于测量电路复位的。

一种交流小信号调理电路的保护电路的保护方法，包括如下步骤：

步骤(1)：输入交流电压信号或交流电流信号；

步骤(2)：第二运算放大器电路对输入的交流电压信号或交流电流信号进行放大处理，放大处理后送入窗口比较器；

步骤(3)：窗口比较器对放大处理后的信号进行比较，窗口比较电路的比较电平为设定范围，通过计算设定范围与衰减电路的衰减系数的比值，得到输入信号的幅度阈值，若输入的交流电压信号或交流电流信号的信号幅度超过幅度阈值，则窗口比较器输出低电平给RS触发器；

步骤(4)：RS触发器输出低电平给继电器电路，继电器电路中的RELAY继电器K6打向常闭触点，将输入的交流电压大信号或交流电流大信号切向第一运算放大器电路，输入大的交流信号经过第一运算放大器电路衰减后输出。

本发明的有益效果：

保护电路中电压比较器与放大器都是多管脚集成电路，通过集成电路管脚与印制板焊盘焊接在一起，用于与印制板结构体的固定连接。本电路装置具有能有效的保护交流小信号调理电路的优点。

本发明通过在常规保护电路的基础上，引入了交流小信号调理电路的有效保护装置。有效的解决了在交流宽电压测试条件下的交流小信号调理电路的保护。

本发明引入了基于窗口比较器和RS触发器的保护电路，实现了对交流小信号的有效保护和准确测量。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一般来说，为了降低噪声，交流大信号和小信号的调理分开进行。交流大信号需要通过衰减的办法将输入信号的幅度限制在AD转换器的输入范围内，而交流小信号无需衰减，可直接(或经放大)送入真有效值转换器实现交流到有效值的转换。由于本项目的输入信号范围较宽，高达1000V，因此为了防止误操作，交流小信号调理电路必须具有快速、可靠的保护功能。针对该问题，本项目在常规保护电路的基础上，引入了交流小信号调理电路的保护电路。电路设计如图1所示。

交流小信号的保护电路主要由K6、N18、U13、U15及D7以及电阻R72、R82、R85、R88等器件连接组成，

交流小信号电压比较电路由U13和电阻R72、R82、R85、R88构成，电阻R72的一端接+15V，另一端与R82相连接，R82与模拟地和R85相连接，R85的另一端与R88连接，R88的一端与-15V连接。U13的3脚、6脚相连接并与ACS1连接。U13的5脚分别与R82和R72两个电阻连接，U13的2脚分别与R85和R88两个电阻连接，N18的第3脚与K6的第3脚相连，可以计算，该交流小信号保护电路的衰减系数为0.0075，电平限制在±0.53V，因此，当输入信号幅度|V|>0.53/0.0075＝70.44时，D7的第10脚为低电平，导致第6脚ACCTR输出低电平，使K6打向常闭触点，将输入的信号立即切向衰减电路，从而实现了可靠的交流小信号调理电路的有效保护功能。

一种交流小信号调理电路的有效保护装置，包括放大器、多层印制板和继电器以及比较器和电阻等，其特征是放大器和电压比较器焊接在多层印制板上，放大器集成电路与多路模拟转换器集成电路的地与印制板上定义的地平面良好连接，印制板的顶层和底层是完全的地平面。

运算放大器后连接有比较器，包括比较器必须的电阻等器件。

该交流小信号保护电路的衰减系数为0.0075，电平限制在±0.53V，因此，当输入信号幅度|V|>0.53/0.0075＝70.44时，是衰减电路的衰减系数为0.0075，D7第10脚为低电平，导致第6脚ACCTR输出低电平，使K6打向常闭触点，将输入的信号立即切向衰减电路，从而实现了可靠的交流小信号调理电路的有效保护功能。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种交流小信号调理电路的保护电路，其特征是，包括：

继电器电路，继电器电路分别与第一运算放大器电路和电压比较器电路连接；

继电器电路还与第二运算放大器电路连接、第二运算放大器电路与窗口比较器连接，窗口比较器与RS触发器连接，RS触发器与继电器电路连接；

第二运算放大器电路对输入的交流电压信号或交流电流信号进行放大处理，放大处理后送入窗口比较器；窗口比较器对放大处理后的信号进行比较，窗口比较电路的比较电平为设定范围，通过计算设定范围与衰减电路的衰减系数的比值，得到输入信号的幅度阈值，若输入的交流电压信号或交流电流信号的信号幅度超过幅度阈值，则窗口比较器输出低电平给RS触发器；RS触发器输出低电平给继电器电路，继电器电路中的RELAY继电器打向常闭触点，将输入的交流电压大信号或交流电流大信号切向第一运算放大器电路，输入大的交流信号经过第一运算放大器电路衰减后输出；

第一运算放大器电路包括LF356运算放大器U8，所述LF356运算放大器U8的2号引脚与LF356运算放大器U8的6号引脚连接，所述LF356运算放大器U8的4号引脚通过104电容C38连接地AGND；所述LF356运算放大器U8的4号引脚与-15V电压连接；所述LF356运算放大器U8的7号引脚通过104电容C55余地AGND连接，所述LF356运算放大器U8的7号引脚还与+15V电压连接；所述LF356运算放大器U8的7号引脚通过BAV199瞬态抑制二极管V41与所述LF356运算放大器U8的4号引脚连接，所述BAV199瞬态抑制二极管V41包括串联的第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极与与所述LF356运算放大器U8的4号引脚连接，所述第一二极管的负极与第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述LF356运算放大器U8的7号引脚连接，所述第一二极管的负极与电阻R97的第二端连接；所述LF356运算放大器U8的6号引脚通过依次串联的电阻R55和电阻R59余地AGND连接，所述电阻R55与电容C47并联；所述电容C47与电容C48并联；

电压比较器电路包括LF356运算放大器N18，所述LF356运算放大器N18的2号引脚与LF356运算放大器N18的6号引脚连接，所述LF356运算放大器N18的3号引脚与RELAY继电器K6的3号引脚ACOT连接，所述LF356运算放大器N18的4号引脚通过104电容C40与地AGND连接，所述LF356运算放大器N18的4号引脚还与-15V电压连接；所述LF356运算放大器N18的7号引脚通过电容C52余地AGND连接，所述LF356运算放大器N18的7号引脚还与+15V电压连接；所述LF356运算放大器N18的6号引脚还与万用表交流档位ACS2连接。

2.如权利要求1所述的一种交流小信号调理电路的保护电路，其特征是，所述继电器电路包括：RELAY继电器K6，RELAY继电器K6的1号引脚与电源VCC连接，RELAY继电器K6的2号引脚ACS1与RELAY继电器K6的3号引脚ACOT连接，RELAY继电器K6的3号引脚ACOT与第一运算放大器电路连接，RELAY继电器K6的8号引脚与RELAY继电器K6的9号引脚AGND连接，RELAY继电器K6的8号引脚还与电阻R115的第一端连接，电阻R115的第二端与电阻R51的第一端连接，电阻R51的第二端端与电阻R97的第一端连接，电阻R97的第二端与第一运算放大器电路连接，RELAY继电器K6的7号引脚通过电容C56与测量交流电压ACV连接；RELAY继电器K6的10号引脚与4148二极管的正极连接，4148二极管的负极与电源VCC连接；RELAY继电器K6的10号引脚还与9013三极管的集电极连接，9013三极管的基极通过电阻R64的第一端点连接，电阻R64的第二端点与RS触发器连接，9013三极管的基极还通过101电容C60与接地点VSS连接；9013三极管的发射极也与接地点VSS连接。

3.如权利要求1所述的一种交流小信号调理电路的保护电路，其特征是，所述第二运算放大器电路包括：LF356运算放大器U15，所述LF356运算放大器U15的2号引脚通过依次串联的电容C82和电阻R89与LF356运算放大器U15的6号引脚连接，所述LF356运算放大器U15的2号引脚还通过依次串联的电阻R96和电阻R90与LF356运算放大器U15的6号引脚连接，所述电阻R90与电阻R98并联；所述LF356运算放大器U15的2号引脚分别与电阻R74的第一端和电阻R75的第一端连接，电阻R74的第二端与电阻R66的第一端连接，电阻R75的第二端与电阻R67的第一端连接，电阻R74的第二端与电阻R75的第二端连接，电阻R66的第二端连接与电阻R67的第二端连接；电阻R66的第二端与RELAY继电器K6的7号引脚连接；LF356运算放大器U15的3号引脚接地AGND，LF356运算放大器U15的4号引脚通过电容C79接地AGND，所述LF356运算放大器U15的4号引脚还与-15V电压连接，所述LF356运算放大器U15的7号引脚通过电容C65接地AGND，所述LF356运算放大器U15的7号引脚与+15连接；所述LF356运算放大器U15的6号引脚与RELAY继电器K6的2号引脚ACS1连接；所述LF356运算放大器U15的6号引脚还与窗口比较器连接。

4.如权利要求3所述的一种交流小信号调理电路的保护电路，其特征是，所述窗口比较器包括：LM393电压比较器U13B和LM393电压比较器U13A，所述LM393电压比较器U13B的5号引脚通过电阻R82接地AGND，所述LM393电压比较器U13B的5号引脚还通过电阻R72连接+15，所述LM393电压比较器U13B的6号引脚与RELAY继电器K6的2号引脚ACS1连接；所述LM393电压比较器U13B的6号引脚与所述LF356运算放大器U15的6号引脚连接，所述LM393电压比较器U13B的6号引脚与LM393电压比较器U13A的3号引脚连接，LM393电压比较器U13B的7号引脚与LM393电压比较器U13A的1号引脚连接，所述LM393电压比较器U13A的2号引脚通过电阻R85与地AGND连接，所述LM393电压比较器U13A的2号引脚通过电阻R88与-15V电压连接，LM393电压比较器U13A的4号引脚通过电容C85与地AGND连接，LM393电压比较器U13A的4号引脚通过电容C85与-15V电压连接，LM393电压比较器U13A的8号引脚通过电容C63地AGND连接，LM393电压比较器U13A的8号引脚与+15连接；所述LM393电压比较器U13B的7号引脚与电阻R77的第一端连接，所述电阻R77的第二端与电阻R68的第一端连接，所述电阻R68的第二端与RS触发器连接，所述电阻R77与电容C68并联。

5.如权利要求4所述的一种交流小信号调理电路的保护电路，其特征是，所述RS触发器包括：7400触发器D7A、7400触发器D7B、7400触发器D7C和7400触发器D7D，所述7400触发器D7A的1号引脚通过电阻R69与3.3V连接，所述7400触发器D7A的1号引脚通过电阻R69与电阻R68的第二端连接，所述7400触发器D7A的2号引脚分别与7400触发器D7B的4号引脚、7400触发器D7B的5号引脚和7400触发器D7C的8号引脚连接，所述7400触发器D7A的3号引脚与7400触发器D7C的9号引脚连接，所述7400触发器D7B的6号引脚与电阻R64的第二端点连接，7400触发器D7C的10号引脚与电阻R77的第二端连接，所述7400触发器D7C的10号引脚与9013三极管Q11的集电极连接，所述9013三极管Q11的发射极接地，所述9013三极管Q11的基极通过电阻R87与7400触发器D7D的11号引脚连接，所述7400触发器D7D的12号引脚和13号引脚均与AC nRST连接。

6.如上述任一权利要求所述的保护电路的保护方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤(1)：输入交流电压信号或交流电流信号；

步骤(2)：第二运算放大器电路对输入的交流电压信号或交流电流信号进行放大处理，放大处理后送入窗口比较器；

步骤(3)：窗口比较器对放大处理后的信号进行比较，窗口比较电路的比较电平为设定范围，通过计算设定范围与衰减电路的衰减系数的比值，得到输入信号的幅度阈值，若输入的交流电压信号或交流电流信号的信号幅度超过幅度阈值，则窗口比较器输出低电平给RS触发器；

步骤(4)：RS触发器输出低电平给继电器电路，继电器电路中的RELAY继电器K6打向常闭触点，将输入的交流电压大信号或交流电流大信号切向第一运算放大器电路，输入大的交流信号经过第一运算放大器电路衰减后输出。