CN106707012B

CN106707012B - 交流信号采集电路

Info

Publication number: CN106707012B
Application number: CN201710044641.0A
Authority: CN
Inventors: 柴雪峰; 尹樟涌
Original assignee: Shenzhen Hi Tech Investment Sanjiang Electronics Co ltd
Current assignee: Shenzhen Hi Tech Investment Sanjiang Electronics Co ltd
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2037-01-19
Also published as: CN106707012A

Abstract

本申请提供一种交流信号采集电路，包括：交流信号采集模块，用于采集交流信号，其包括：交流信号转换单元，包括交流互感器，交流互感器连接火线和零线；波形上移单元，用于上移交流信号的整体波形设定值；采样负载单元，用于调节交流信号采集支路输出的交流信号的采样值，采样负载单元的输入端连接交流互感器的第一端，其中，调节采样电阻的阻值以调节交流信号的采样值；交流信号检测模块，用于将输出比较结果以供作为调节采样负载单元的采样电阻的阻值的参考以使得交流信号的采样值的精度更高。本申请能够减少因为器件的增多而导致采样精度的误差，并且降低了生产难度和生产成本，降低了功耗，也可以实现精度的控制。

Description

交流信号采集电路

技术领域

本申请涉及消防设备电源监控领域，尤其涉及一种交流信号采集电路。

背景技术

现有技术中，为保障消防设备在关键时刻能够正常运转，需要确保设备供电正常。因此，对于消防设备的供电系统需要能时刻监测，尤其是交流主、备电供电系统。目前，市面上的电源监控设备交流信号采集电路主要方式是：用交流互感器将强电的交流信号转变为安全的交流信号，再用运放将信号放大，然后使用 RMS-DC 芯片（如 AD536A 等）处理后进入 MCU 进行 AD 采集检测（或者使用电能计量 IC 处理）。

以上方式的交流信号采集电路精度随着电路增多误差增大，运放部份的器件精度尤为敏感，若选用不当，在生产中很容易出现一致性差异较大的情况，并且运放电路通常需要使用正、负电压供电，电路复杂。另外，随着交流信号路数增多，器件数量相应增加，器件成本和布板面积也成倍增加，功耗也增大。

发明内容

本申请提供一种交流信号采集电路，能够在解决现在的交流信号采集电路的电路结构随着采集的电路增多而导致采样精度的误差增大、并且增加了生产难度、生产成本和功耗的问题。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种交流信号采集电路，交流信号采集电路包括：至少一交流信号采集模块以及连接交流信号采集模块的交流信号检测模块；交流信号采集模块，用于采集交流信号，其包括：交流信号转换单元，用于将接收到的强电交流信号转化为安全的交流信号，其包括交流互感器，交流互感器的初级绕组的两端分别连接火线和零线；波形上移单元，用于上移交流信号的整体波形设定值，其包括输入端和输出端，波形上移单元的输入端连接交流互感器的次级绕组的第一端；采样负载单元，用于调节交流信号采集模块输出的交流信号的采样值，其包括输入端、输出端以及采样电阻，采样电阻连接在采样负载单元的输入端和输出端之间，采样负载单元的输入端连接交流互感器的次级绕组的第一端，其中，调节采样电阻的阻值以调节交流信号的采样值；交流信号检测模块，用于将设定时间内采集到的采样值进行处理统计得出输出值，并比较输出值以及采样值，输出比较结果以供作为调节采样负载单元的采样电阻的阻值的参考，以使得交流信号的采样值的精度更高。

优选地，交流信号转换单元包括：串联在交流互感器的初级绕组的两端与火线和零线之间的限流电阻。

优选地，波形上移单元包括：第一电容、第二电容、第一电阻以及第二电阻，第一电容连接在供电电源以及波形上移单元的输出端之间，第二电容连接在波形上移单元的输出端与地之间，第一电阻与第一电容并联，第二电阻连接在波形上移单元的输入端与地之间。

优选地，采样负载单元包括第一采样电阻、第二采样电阻以及第三采样电阻，第二采样电阻以及第三采样电阻连接在采样负载单元的输入端与输出端之间，第一采样电阻与第二采样电阻以及第三采样电阻并联。

优选地，采样负载单元还包括用于避免交流互感器内阻影响的第三电阻，第三电阻连接在采样负载单元的输出端以及交流互感器的次级绕组的第二端之间。

优选地，采样负载单元还包括用于保护内部电路的双向TVS 管，双向 TVS

管连接在交流互感器的次级绕组的两端。

优选地，交流信号采集模块还包括滤波单元，滤波单元用于平滑交流信号，其包括输入端和输出端，滤波单元的输入端连接采样负载单元的输出端，滤波单元的输出端连接交流信号检测模块。

优选地，滤波单元包括第四电阻、第三电容以及第四电容，第四电阻连接在滤波单元的输入端和输出端，第三电容连接在滤波单元的输入端和地之间，第四电容连接在滤波单元的输出端和地之间。

优选地，交流信号检测模块包括：统计单元，用于统计采样时间是否在设定时间内；计算单元，其连接统计单元，用于当采样时间在设定时间内时，将交流信号的采样值与设定值进行比较，并将采样值与设定值之差的绝对值除以设定系数以保留有效位数，再将相除后得到的值进行累加；判断单元，其连接计算单元，用于判断经过累加后的采样值是否有效；输出单元，其连接判断单元，用于如果经过处理后的采样值有效，则输出为输出值；比较单元，其连接输出单元，用于比较采样值和输出值，并输出比较结果。

优选地，当应用在三相四线电压的交流信号检测时，电路包括三路交流信号采集模块，其中，一路交流信号采集模块的交流信号转换单元的限流电阻的阻值小于其余两路交流信号采集模块的交流信号转换单元的限流电阻的阻值，该一路交流信号采集模块的采样负载单元的采样电阻的阻值小于其余两路交流信号采集模块的采样负载单元的采样电阻的阻值。

本申请的有益效果在于：通过较少的外围器件实现交流信号的采集，并且能够给电路的采样精度提供调节参考，这样就能够减少因为器件的增多而导致采样精度的误差，并且降低了生产难度和生产成本，降低了功耗，也可以实现精度的控制。

附图说明

图 1 是本申请一种实施例示出的交流信号采集电路的交流信号采集模块的原理图；

图 2 是本申请一种实施例示出的交流信号采集电路的交流信号检测模块的原理图；

图 3 是本申请一种实施例示出的正弦信号上移与采样示意图；图 4 是本申请一种实施例示出的交流信号检测的流程图；

图 5 是本申请一种实施例示出的应用在三相四线交流信号采集的原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

在本发明实施例中，通过较少的外围器件实现交流信号的采集，并且能够给电路的采样精度提供调节参考，能够减少因为器件的增多而导致采样精度的误差，并且降低了生产难度和生产成本，降低了功耗，也可以实现精度的控制。

请参阅图 1 和图 2，一种交流信号采集电路，电路包括：至少一交流信号采集模块以及连接交流信号采集模块的交流信号检测模块。

交流信号采集模块，用于采集交流信号，其包括：交流信号转换单元 11、波形上移单元 12、采样负载单元 13 以及滤波单元 14。交流信号检测模块，用于将设定时间内采集到的采样值进行处理统计得出输出值，并比较输出值以及采样值，输出比较结果以供作为调节采样负载单元 13 的采样电阻的阻值的参考，以使得交流信号的采样值的精度更高，其包括统计单元、计算单元、判断单元、输出单元以及比较单元。

交流信号转换单元 11，用于将接收到的强电交流信号转化为安全的交流信号，其包括交流互感器，交流互感器的初级绕组的两端分别连接火线和零线。波形上移单元 12，用于上移交流信号的整体波形设定值，其包括输入端和输出端，波形上移单元 12 的输入端连接交流互感器的次级绕组的第一端。采样负载单元 13，用于调节交流信号采集模块输出的交流信号的采样值，其包括输入端、输出端以及采样电阻，采样电阻连接在采样负载单元 13 的输入端和输出端之间，采样负载单元 13 的输入端连接交流互感器 B5 的次级绕组的第一端，其中，调节采样电阻的阻值以调节交流信号的采样值。滤波单元 14 用于平滑交流信号，其包括输入端和输出端，滤波单元 14 的输入端连接采样负载单元 13 的输出端，滤波单元 14 的输出端连接交流信号检测模块。

统计单元，用于统计采样时间是否在设定时间内。计算单元，其连接统计单元，用于当采样时间在设定时间内时，将交流信号的采样值与设定值进行比较，并将采样值与设定值之差的绝对值除以设定系数以保留有效位数，再将相除后得到的值进行累加。判断单元，其连接计算单元，用于判断经过累加后的采样值是否有效。输出单元，其连接判断单元，用于如果经过处理后的采样值有效，则输出为输出值。比较单元，其连接输出单元，用于比较采样值和输出值，并输出比较结果。

交流信号转换单元 11 包括：串联在交流互感器 B5 的初级绕组的一端与火线之间的限流电阻R52、限流电阻R51，串联在交流互感器B5 的初级绕组的一端与零线之间的限流电阻R98、限流电阻R99。本实施例中，交流互感器B5 用于隔离高压对内部电路影响，为保障信号的精度，本实施例优先选用 0.2%精度的电压互感器。限流电阻将电压信号转为电流信号，限流电阻的阻值均为 47K Ω，精度均为 1%、功率均为 1W 的晶圆电阻，能够起到避免因电阻发热而影响精度的问题。

请参阅图 1 和图 3，波形上移单元 12 包括：第一电容 C8、第二电容 C10、第一电阻R16 以及第二电阻R22，第一电容 C8 连接在供电电源以及波形上移单元 12 的输出端之间，第二电容 C10连接在波形上移单元 12 的输出端与地之间，第一电阻R16 与第一电容C8 并联，第二电阻 R22 连接在波形上移单元 12 的输入端与地之间。本实施例中，第一电容 C8 与第二电容C10 的电容值均为 100μ，第一电阻R16 以及第二电阻R22 的电阻值均为 5.1KΩ，第一电阻 R16 以及第二电阻 R22 的精度为 1%。本实施例中，波形上移单元 12 将交流信号的整体波形上移的设定值设置为 VCC/2，此处波形上移分压电阻选用精度 0.1%的器件，能够确保参考电平精准，为后续软件判断提供硬件支持。

采样负载单元 13 包括第一采样电阻 R78、第二采样电阻 R71、第三采样电阻R41、第三电阻 R40 以及双向 TVS 管 D5。第二采样电阻 R71 以及第三采样电阻 R41 连接在采样负载单元 13 的输入端与输出端之间，第一采样电阻 R78与第二采样电阻R71 以及第三采样电阻 R41 并联。第三电阻 R40 连接在采样负载单元 13 的输出端以及交流互感器的次级绕组的第二端之间。双向 TVS 管 D5 连接在交流互感器的次级绕组的两端。

本实施例中，第一采样的阻值为 7.5KΩ、精度为 0.1%，第二采样电阻R71的阻值为 63.4RΩ、精度为 0.5%，第三采样电阻 R41 的阻值为 4.7RΩ、精度为 1%，采样负载单元 13 设计上采用三颗电阻串并联形式，方便用户匹配出合适的负载电阻。

本实施例中，第三电阻 R40 的阻值为 10R、精度为 1%第三电阻R40 用于避免交流互感器内阻影响。

本实施例中，双向 TVS 管 D5 用于保护内部电路，双向 TVS 的型号为SMBJ6.0CA，稳压值为 6V。

滤波单元 14 包括第四电阻R38、第三电容C23 以及第四电容C24。第四电阻 R38连接在滤波单元 14 的输入端和输出端，第三电容 C23 连接在滤波单元 14 的输入端和地之间，第四电容C24 连接在滤波单元 14 的输出端和地之间。

本实施例中，第四电阻 R38 的阻值为 10KΩ、精度为 1%，第一电容 C8 与第二电容 C10 的型号为 104、精度为 5%，第四电阻 R38、第三电容 C23 以及第四电容C24 构成π形滤波电路，可以平滑采样信号，避免外界噪音的干扰。

请参阅图 2 至图 4，交流信号检测模块可通过 MCU 主控电路执行 RMS－ DC 算法来实现。亦既是，每一路交流信号都通过 MCU 的一路 AD 通道进行采集，然后通过在MCU 主控电路运行RMS－DC 算法来实现交流信号的处理。本实施例中，MCU 选型 AD 位数为 10bit ，采样误差+/-1bit，采样参考电压 VCC， MCU 的 AD 通道大于 6 路，采样频率500KHz。

请继续参阅图 4，下面详细描述RMS-DC 算法实现交流信号检测的过程。第一步，设置交流信号频率为 50Hz，设置交流信号的采样时长为 20ms，启动定时器。

第二步，在 20ms 采样期间，尽可能得到更多的采样点数。将每次采样值与 512比较，如果采样值大于 VCC/2，则将 AD 值减去 512，否则，用 512 减去 AD 值，从而得到幅值 Vn，然后将每一次的幅值 Vn 通过除以 32 以保留 6MSB（Most Significant Bit，最高有效位）的幅值 Vn，再将每一次的幅值 Vn 累加得到输出值ΣAD。

第三步，当超过 20ms 的设定时间时，通过判断交流信号的频率是否在 60HZ与40HZ 之间判断数据的合法性，如果不合法，则认为是干扰信号，并且舍弃无效数据，如果合法，继续判断输出值ΣAD 是否大于 1023，如果是，则输出Σ AD=1023，否则认为输出值ΣAD 位有效信号，并且输出该输出值ΣAD。

第四步，比较输出值ΣAD 与交流信号的采样值，并输出比较结果。

如果比较结果存在较大的偏差，可调整采样负载单元 13 的采样电阻的阻值进行重新匹配。具体是，当输出值ΣAD 大于采样值时，把采样电阻的阻值改小，当输出值ΣAD小于采样值时，把采样电阻的阻值改大。

请参阅图 5，当交流信号采集电路应用在三相四线电压时，采集三相四线的相电压，将每一路相电压作为独立的交流电压信号进行采集，再通过 MCU 主控电路综合三路信号值判断出过压、欠压、缺相、中断、错相等故障信息。

三路交流信号采集模块的波形上移电路复用，节省电路空间，也避免不同通道因参考电位不同导致信号判断不一致问题。

值得注意的是，三路相电压转换单元的限流电阻以及采样负载单元 13的采样电阻的阻值不能完全相同，其中，一路的交流信号转换单元的限流电阻的阻值小于其余两路的交流信号转换单元的限流电阻的阻值，该一路的采样负载单元的采样电阻的阻值小于其余两路的采样负载单元的采样电阻的阻值。

本实施例中，其中一路的限流电阻的阻值均为 47KΩ，精度均为 1%、功率均为1W，其余两路的限流电阻的阻值为 100KΩ，精度均为 1%、功率均为 1W。

其中一路的第一采样的阻值为 7.5KΩ、精度为 0.1%，第二采样电阻 R71 的阻值为 63.4RΩ、精度为 0.5%，第三采样电阻 R41 的阻值为 4.7RΩ、精度为 1%，其余两路的第一采样的阻值为 6.2KΩ、精度为 0.1%，第二采样电阻 R71 的阻值为 100RΩ、精度为0.1%，第三采样电阻 R41 的阻值为 47RΩ、精度为 0.1%。以上应用了具体个例对本申请进行阐述，只是用于帮助理解本申请，并不用以限制本申请。对于本申请所属技术领域的技术人员，依据本申请的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：通过较少的外围器件实现交流信号的采集，并且能够给电路的采样精度提供调节参考，这样就能够减少因为器件的增多而导致采样精度的误差，并且降低了生产难度和生产成本，降低了功耗，也可以实现精度的控制。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘等。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims

1.一种交流信号采集电路，其特征在于，所述交流信号采集电路包括：至少一交流信号采集模块以及连接所述交流信号采集模块的交流信号检测模块；

所述交流信号采集模块，用于采集交流信号，其包括：

交流信号转换单元，用于将接收到的强电交流信号转化为安全的交流信号，其包括交流互感器，所述交流互感器的初级绕组的两端分别连接火线和零线；

波形上移单元，用于上移所述交流信号的整体波形设定值，其包括输入端和输出端，所述波形上移单元的输入端连接所述交流互感器的次级绕组的第一端；

采样负载单元，用于调节所述交流信号采集模块输出的交流信号的采样值，其包括输入端、输出端以及采样电阻，所述采样电阻连接在所述采样负载单元的输入端和输出端之间，所述采样负载单元的输入端连接所述交流互感器的次级绕组的第一端，其中，调节所述采样电阻的阻值以调节所述交流信号的采样值；

所述交流信号检测模块，用于将设定时间内采集到的所述采样值进行处理统计得出输出值，并比较输出值以及采样值，输出比较结果以供作为调节所述采样负载单元的采样电阻的阻值的参考，以使得所述交流信号的采样值的精度更高；

所述交流信号检测模块包括：

统计单元，用于统计采样时间是否在设定时间内；

计算单元，其连接所述统计单元，用于当采样时间在设定时间内时，将所述交流信号的采样值与所述设定值进行比较，并将所述采样值与设定值之差的绝对值除以设定系数以保留有效位数，再将相除后得到的值进行累加；

判断单元，其连接所述计算单元，用于判断经过累加后的所述采样值是否有效；

输出单元，其连接所述判断单元，用于如果经过处理后的所述采样值有效，则输出为所述输出值；

比较单元，其连接所述输出单元，用于比较所述采样值和输出值，并输出比较结果；

所述交流信号转换单元包括：串联在所述交流互感器的初级绕组的两端与所述火线和零线之间的限流电阻。

2.如权利要求1所述的交流信号采集电路，其特征在于，所述波形上移单元包括：第一电容、第二电容、第一电阻以及第二电阻，所述第一电容连接在供电电源以及所述波形上移单元的输出端之间，所述第二电容连接在所述波形上移单元的输出端与地之间，所述第一电阻与第一电容并联，所述第二电阻连接在所述波形上移单元的输入端与地之间。

3.如权利要求1所述的交流信号采集电路，其特征在于，所述采样负载单元包括第一采样电阻、第二采样电阻以及第三采样电阻，所述第二采样电阻以及第三采样电阻连接在所述采样负载单元的输入端与输出端之间，所述第一采样电阻与所述第二采样电阻以及第三采样电阻并联。

4.如权利要求3所述的交流信号采集电路，其特征在于，所述采样负载单元还包括用于避免交流互感器内阻影响的第三电阻，所述第三电阻连接在所述采样负载单元的输出端以及所述交流互感器的次级绕组的第二端之间。

5. 如权利要求3所述的交流信号采集电路，其特征在于，所述采样负载单元还包括用于保护内部电路的双向TVS 管，所述双向TVS 管连接在所述交流互感器的次级绕组的两端。

6.如权利要求1所述的交流信号采集电路，其特征在于，所述交流信号采集模块还包括滤波单元，所述滤波单元用于平滑所述交流信号，其包括输入端和输出端，所述滤波单元的输入端连接所述采样负载单元的输出端，所述滤波单元的输出端连接所述交流信号检测模块。

7.如权利要求6所述的交流信号采集电路，其特征在于，所述滤波单元包括第四电阻、第三电容以及第四电容，所述第四电阻连接在所述滤波单元的输入端和输出端，所述第三电容连接在所述滤波单元的输入端和地之间，所述第四电容连接在所述滤波单元的输出端和地之间。

8. 如权利要求1 所述的交流信号采集电路，其特征在于，当应用在三相四线电压的交流信号检测时，所述电路包括三路交流信号采集模块，其中，一路所述交流信号采集模块的交流信号转换单元的限流电阻的阻值小于其余两路交流信号采集模块的交流信号转换单元的限流电阻的阻值，该一路所述交流信号采集模块的采样负载单元的采样电阻的阻值小于其余两路交流信号采集模块的采样负载单元的采样电阻的阻值。