CN109061269A - 一种信号采样电路及信号采样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种信号采样电路及信号采样装置，包括依次连接的信号处理电路、电压跟随电路、电压隔离变换电路、放大电路、滤波电路，还包括隔离电源变换电路和电压基准电路，所述信号处理电路的输入端为待采样信号的输入端，所述待采样信号为零序电压传感器的电压信号，所述滤波电路的输出端为采样后信号的输出端，所述隔离电源变换电路分别为信号处理电路、电压跟随电路和电压隔离变换电路提供隔离电源，所述电压基准电路为放大电路提供基准电压。本发明的信号采样电路及信号采样装置结构简单、采样精度高、输入阻抗高，抗干扰能力强，性能可靠，能应用于长距离线缆传输信号的采样工作。
Description
技术领域
本发明涉及基本电子电路的技术领域，具体的讲是一种信号采样电路及信号采样装置。
背景技术
因配网自动化技术发展需要，国家电网提出通过提高配电一二次设备的标准化、集成化水平，提升配电设备运行水平、运维质量与效率，满足线损管理的技术要求，服务配电网建设改造行动计划。它以打造“安全可靠、融合成套高效”为技术目标，以需求为导向、检测为保障，主要面向配电网建设改造中的增量设备，按照总体设计标准化、功能模块独立化、设备互换灵活化的思路，优先解决配电自动化建设中面临的遥信抖动、一二次接口的兼容性和扩展性、终端新增计量功能等迫切问题，分阶段推进配电设备一二次融合成套工作。
在推进配电设备一二次融合成套工作前，原配网自动化馈线终端对电网的电压、电流参数进行实时采样，通常情况都是以传统的电磁式电流互感器、电磁式电压互感器进行采样监测。
但是随着“一二次融合成套配电自动化终端技术规范和检测规范”的实施与执行；零序电压信号采样方式，由原通常使用的“三相五柱式电压互感器”，明确要求改用为“零序电压传感器”。零序电压采样通道，电压信号采样时，在接入线缆最长达15米情况下，施加振荡波干扰、快速瞬变、浪涌等三级电磁兼容试验测试时，并需满足相关测量精度要求。
这样，零序电压传感器信号额定输出电压信号低，传送距离长，采样精度要求高。零序电压采样通道电压小信号接入线缆时，只要线缆长度过长或外加施加干扰等情况时，就很容易在采样信号耦合引入各种干扰，导致零序电压模拟采样输入的电压值不准。例如：零序电压采样通道在施加额定值，对零序电压采样通道施加耦合干扰信号时，波动值立刻超过允许偏差要求，浪涌测试时还会导致零序电压采样通道部分器件烧坏。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种强抗干扰能力的信号采样电路及信号采样装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种信号采样电路，包括依次连接的信号处理电路、电压跟随电路、电压隔离变换电路、放大电路、滤波电路，还包括隔离电源变换电路和电压基准电路，所述信号处理电路的输入端为待采样信号的输入端，所述待采样信号为零序电压传感器的电压信号，所述滤波电路的输出端为采样后信号的输出端，所述隔离电源变换电路分别为信号处理电路、电压跟随电路和电压隔离变换电路提供隔离电源，所述电压基准电路为放大电路提供基准电压。
进一步，所述信号处理电路包括陶瓷气体放电管GDT1、电感L2、共模电感L1、电阻R2、电阻R3、双向瞬变抑制二极管TVS2、电容C10和放大器U3B，所述陶瓷气体放电管GDT1的第一端连接待采样信号的正极输入端，所述陶瓷气体放电管GDT1的第二端连接待采样信号的负极输入端，所述陶瓷气体放电管GDT1的第二端还与电感L2的第一端连接，所述电感L2的第二端连接共模电感L1的第二线圈的第一端，所述共模电感L1的第一线圈的第一端连接陶瓷气体放电管GDT1的第一端，所述共模电感L1第二线圈的第二端和第一线圈的第二端之间接有电阻R2，所述电阻R2的第一端连接电阻R3的第一端，所述电阻R3的第二端连接放大器U3B的正极输入端，所述电阻R2的第二端与电阻R3的第二端之间接有双向瞬变抑制二极管TVS2，所述双向瞬变抑制二极管TVS2与电容C10并联。
进一步，所述电压跟随电路包括电阻R11、电阻R12、电容C13、电容C14、双向瞬变抑制二极管TVS3、放大器U3A、电容C19和电容C20，所述电阻R11和电容C13并联，所述电阻R12和电容C14并联，所述电阻R11的第一端分别连接放大器U3B的负极输入端和输出端，所述电阻R11的第二端串联接有电阻R12，所述电阻R12与双向瞬变抑制二极管TVS3并联，所述双向瞬变抑制二极管TVS3的第一端连接放大器U3A的正极输入端，所述放大器U3A的正极供电端经电容C19接地，所述放大器U3A的正极供电端还连接+12V隔离电源，所述放大器U3A的负极供电端经电容C20接地，所述放大器U3A的负极供电端还连接-12V隔离电源。
进一步，所述电压隔离变换电路包括隔离放大器U4、电阻R21、电容C41、电阻R22、电容C21、和电容C16，所述隔离放大器U4的正极电压输入端经电阻R21分别连接放大器U3A的负极输入端和输出端，所述隔离放大器U4的负极电压输入端经电阻R22连接共模电感L1第二线圈的第二端，所述电阻R21和电阻R22之间接有电容C41，所述隔离放大器U4的第一接地端经电容C21连接5V隔离电源，所述隔离放大器U4的第二接地端经电容C16连接电源VCC。
进一步，所述放大电路包括放大器U2、电阻R7、电阻R9、电阻R19、电阻R4和电容C9，所述放大器U2的正极输入端经电阻R9连接隔离放大器U4的正极电压输出端，所述放大器U2的负极输入端经电阻R10连接隔离放大器U4的负极电压输出端，所述放大器U2的正极输入端还经电阻R7连接2.5V基准电压，所述放大器U2的负极输入端还经电阻R4连接放大器U2的输出端，所述放大器U2的正极供电端经电容C9接地，所述放大器U2的正极供电端还连接电源VCC，所述放大器U2的负极供电端接地。
进一步，所述滤波电路包括双向瞬变抑制二极管TVS1、电阻R1和电容C4，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第一端经电阻R1连接放大器U2的输出端，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第二端接地，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第一端和第二端之间接有电容C4，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第一端为采样后信号的输出端。
进一步，所述隔离电源变换电路包括电容C1、电容C2、DC/DC隔离电源模块U1、电感L3、电感L4、电容C7、电容C8、电容C11、电容C12、电阻R5、电阻R6、电阻R8、齐纳二极管Z1、电容C15和电容C3，所述电容C1和电容C2并联，所述电容C1的第一端分别连接电源VCC和DC/DC隔离电源模块U1的正极电压输入端，所述电容C1的第二端分别接地和连接DC/DC隔离电源模块U1的负极电压输入端，所述DC/DC隔离电源模块U1的正极电压输出端经电感L3输出+12V隔离电源，所述DC/DC隔离电源模块U1的负极电压输出端经电感L4输出-12V隔离电源，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端并联接有电容C7和电容C8，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端还并联接有电容C11和电容C12，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端还并联接有电阻R5和电阻R6，所述电容C7、电容C11、电阻R5并联，所述电容C8、电容C12、电阻R6并联，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端连接齐纳二极管Z1的阳极，所述齐纳二极管Z1的阴极为5V隔离电源输出端，所述齐纳二极管Z1还并联接有电容C15，所述齐纳二极管Z1的阳极经电容C3接地，所述齐纳二极管Z1的阴极还经电阻R8连接电感L3。
进一步，所述电压基准电路包括DC/DC隔离电源模块U5、电容C17、电容C18、电容C22和电容C23，所述DC/DC隔离电源模块U5的输入端连接电源VCC，所述DC/DC隔离电源模块U5的输入端还分别经电容C17接地、经电容C18接地，所述DC/DC隔离电源模块U5的输出端输出2.5V基准电压，所述DC/DC隔离电源模块U5的输出端还分别经电容C22接地、经电容C23接地。
具有所述信号采样电路的一种信号采样装置，所述信号采样装置的输入端经RVSP线缆连接零序电压传感器，所述信号采样装置的输出端经ADC芯片连接主控MCU。
本发明的有益效果是：本发明的信号采样电路及信号采样装置结构简单、采样精度高、输入阻抗高，抗干扰能力强，性能可靠，能应用于长距离线缆传输信号的采样工作。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述：
图1是本发明的工作原理框图；
图2是本发明的主要部分电路图；
图3是隔离电源变换电路的电路图；
图4是电压基准电路的电路图；
图5是信号采样装置与传感器的连接示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合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的实施例，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作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参照图1，一种信号采样电路，包括信号处理电路1、电压跟随电路2、电压隔离变换电路3、放大电路4、滤波电路5、隔离电源变换电路6和电压基准电路7，所述信号处理电路1的输入端为待采样信号的输入端，所述待采样信号为零序电压传感器的电压信号，所述信号处理电路1的输出端连接电压跟随电路2的输入端，所述电压跟随电路2的输出端连接电压隔离变换电路3的输入端，所述电压隔离变换电路3的输出端连接放大电路4的输入端，所述放大电路4的输出端连接滤波电路5的输入端，所述滤波电路5的输出端为采样后信号的输出端，所述隔离电源变换电路6分别为信号处理电路1、电压跟随电路2和电压隔离变换电路3提供隔离电源，所述电压基准电路7为放大电路4提供基准电压。
参照图2，所述信号处理电路1包括陶瓷气体放电管GDT1、电感L2、共模电感L1、电阻R2、电阻R3、双向瞬变抑制二极管TVS2、电容C10和放大器U3B，所述陶瓷气体放电管GDT1的第一端连接待采样信号的正极输入端，所述陶瓷气体放电管GDT1的第二端连接待采样信号的负极输入端，所述陶瓷气体放电管GDT1的第二端还与电感L2的第一端连接，所述电感L2的第二端连接共模电感L1的第二线圈的第一端，所述共模电感L1的第一线圈的第一端连接陶瓷气体放电管GDT1的第一端，所述共模电感L1第二线圈的第二端和第一线圈的第二端之间接有电阻R2，所述电阻R2的第一端连接电阻R3的第一端，所述电阻R3的第二端连接放大器U3B的正极输入端，所述电阻R2的第二端与电阻R3的第二端之间接有双向瞬变抑制二极管TVS2，所述双向瞬变抑制二极管TVS2与电容C10并联。信号处理电路1实现了信号的钳位、滤波和电压跟随。
所述电压跟随电路2包括电阻R11、电阻R12、电容C13、电容C14、双向瞬变抑制二极管TVS3、放大器U3A、电容C19和电容C20，所述电阻R11和电容C13并联，所述电阻R12和电容C14并联，所述电阻R11的第一端分别连接放大器U3B的负极输入端和输出端，所述电阻R11的第二端串联接有电阻R12，所述电阻R12与双向瞬变抑制二极管TVS3并联，所述双向瞬变抑制二极管TVS3的第一端连接放大器U3A的正极输入端，所述放大器U3A的正极供电端经电容C19接地，所述放大器U3A的正极供电端还连接+12V隔离电源，所述放大器U3A的负极供电端经电容C20接地，所述放大器U3A的负极供电端还连接-12V隔离电源。电压跟随电路2不仅实现了电压的跟随，还实现了分压。
所述电压隔离变换电路3包括隔离放大器U4、电阻R21、电容C41、电阻R22、电容C21、和电容C16，所述隔离放大器U4的正极电压输入端经电阻R21分别连接放大器U3A的负极输入端和输出端，所述隔离放大器U4的负极电压输入端经电阻R22连接共模电感L1第二线圈的第二端，所述电阻R21和电阻R22之间接有电容C41，所述隔离放大器U4的第一接地端经电容C21连接5V隔离电源，所述隔离放大器U4的第二接地端经电容C16连接电源VCC。电压隔离变换电路3对电压信号进行了部分隔离，保证信号的无干扰。
所述放大电路4包括放大器U2、电阻R7、电阻R9、电阻R19、电阻R4和电容C9，所述放大器U2的正极输入端经电阻R9连接隔离放大器U4的正极电压输出端，所述放大器U2的负极输入端经电阻R10连接隔离放大器U4的负极电压输出端，所述放大器U2的正极输入端还经电阻R7连接2.5V基准电压，所述放大器U2的负极输入端还经电阻R4连接放大器U2的输出端，所述放大器U2的正极供电端经电容C9接地，所述放大器U2的正极供电端还连接电源VCC，所述放大器U2的负极供电端接地。所述放大电路4不仅实现了信号的放大，还实现了电压的抬升。
所述滤波电路5包括双向瞬变抑制二极管TVS1、电阻R1和电容C4，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第一端经电阻R1连接放大器U2的输出端，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第二端接地，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第一端和第二端之间接有电容C4，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第一端为采样后信号的输出端。所述滤波电路5实现了信号的低通滤波，避免了信号的高频干扰。
参照图3，所述隔离电源变换电路6包括电容C1、电容C2、DC/DC隔离电源模块U1、电感L3、电感L4、电容C7、电容C8、电容C11、电容C12、电阻R5、电阻R6、电阻R8、齐纳二极管Z1、电容C15和电容C3，所述电容C1和电容C2并联，所述电容C1的第一端分别连接电源VCC和DC/DC隔离电源模块U1的正极电压输入端，所述电容C1的第二端分别接地和连接DC/DC隔离电源模块U1的负极电压输入端，所述DC/DC隔离电源模块U1的正极电压输出端经电感L3输出+12V隔离电源，所述DC/DC隔离电源模块U1的负极电压输出端经电感L4输出-12V隔离电源，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端并联接有电容C7和电容C8，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端还并联接有电容C11和电容C12，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端还并联接有电阻R5和电阻R6，所述电容C7、电容C11、电阻R5并联，所述电容C8、电容C12、电阻R6并联，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端连接齐纳二极管Z1的阳极，所述齐纳二极管Z1的阴极为5V隔离电源输出端，所述齐纳二极管Z1还并联接有电容C15，所述齐纳二极管Z1的阳极经电容C3接地，所述齐纳二极管Z1的阴极还经电阻R8连接电感L3。
参照图4，所述电压基准电路7包括DC/DC隔离电源模块U5、电容C17、电容C18、电容C22和电容C23，所述DC/DC隔离电源模块U5的输入端连接电源VCC，所述DC/DC隔离电源模块U5的输入端还分别经电容C17接地、经电容C18接地，所述DC/DC隔离电源模块U5的输出端输出2.5V基准电压，所述DC/DC隔离电源模块U5的输出端还分别经电容C22接地、经电容C23接地。
参照图5，具有所述信号采样电路的一种信号采样装置，所述信号采样装置的输入端经RVSP线缆连接零序电压传感器，所述信号采样装置的输出端经ADC芯片连接主控MCU。
综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然能够对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中不乏技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种信号采样电路，其特征在于：包括依次连接的信号处理电路(1)、电压跟随电路(2)、电压隔离变换电路(3)、放大电路(4)、滤波电路(5)，还包括隔离电源变换电路(6)和电压基准电路(7)，所述信号处理电路(1)的输入端为待采样信号的输入端，所述待采样信号为零序电压传感器的电压信号，所述滤波电路(5)的输出端为采样后信号的输出端，所述隔离电源变换电路(6)分别为信号处理电路(1)、电压跟随电路(2)和电压隔离变换电路(3)提供隔离电源，所述电压基准电路(7)为放大电路(4)提供基准电压。
2.根据权利要求1所述的一种信号采样电路，其特征在于：所述信号处理电路(1)包括陶瓷气体放电管GDT1、电感L2、共模电感L1、电阻R2、电阻R3、双向瞬变抑制二极管TVS2、电容C10和放大器U3B，所述陶瓷气体放电管GDT1的第一端连接待采样信号的正极输入端，所述陶瓷气体放电管GDT1的第二端连接待采样信号的负极输入端，所述陶瓷气体放电管GDT1的第二端还与电感L2的第一端连接，所述电感L2的第二端连接共模电感L1的第二线圈的第一端，所述共模电感L1的第一线圈的第一端连接陶瓷气体放电管GDT1的第一端，所述共模电感L1第二线圈的第二端和第一线圈的第二端之间接有电阻R2，所述电阻R2的第一端连接电阻R3的第一端，所述电阻R3的第二端连接放大器U3B的正极输入端，所述电阻R2的第二端与电阻R3的第二端之间接有双向瞬变抑制二极管TVS2，所述双向瞬变抑制二极管TVS2与电容C10并联。
3.根据权利要求2所述的一种信号采样电路，其特征在于：所述电压跟随电路(2)包括电阻R11、电阻R12、电容C13、电容C14、双向瞬变抑制二极管TVS3、放大器U3A、电容C19和电容C20，所述电阻R11和电容C13并联，所述电阻R12和电容C14并联，所述电阻R11的第一端分别连接放大器U3B的负极输入端和输出端，所述电阻R11的第二端串联接有电阻R12，所述电阻R12与双向瞬变抑制二极管TVS3并联，所述双向瞬变抑制二极管TVS3的第一端连接放大器U3A的正极输入端，所述放大器U3A的正极供电端经电容C19接地，所述放大器U3A的正极供电端还连接+12V隔离电源，所述放大器U3A的负极供电端经电容C20接地，所述放大器U3A的负极供电端还连接-12V隔离电源。
4.根据权利要求3所述的一种信号采样电路，其特征在于：所述电压隔离变换电路(3)包括隔离放大器U4、电阻R21、电容C41、电阻R22、电容C21、和电容C16，所述隔离放大器U4的正极电压输入端经电阻R21分别连接放大器U3A的负极输入端和输出端，所述隔离放大器U4的负极电压输入端经电阻R22连接共模电感L1第二线圈的第二端，所述电阻R21和电阻R22之间接有电容C41，所述隔离放大器U4的第一接地端经电容C21连接5V隔离电源，所述隔离放大器U4的第二接地端经电容C16连接电源VCC。
5.根据权利要求4所述的一种信号采样电路，其特征在于：所述放大电路(4)包括放大器U2、电阻R7、电阻R9、电阻R19、电阻R4和电容C9，所述放大器U2的正极输入端经电阻R9连接隔离放大器U4的正极电压输出端，所述放大器U2的负极输入端经电阻R10连接隔离放大器U4的负极电压输出端，所述放大器U2的正极输入端还经电阻R7连接2.5V基准电压，所述放大器U2的负极输入端还经电阻R4连接放大器U2的输出端，所述放大器U2的正极供电端经电容C9接地，所述放大器U2的正极供电端还连接电源VCC，所述放大器U2的负极供电端接地。
6.根据权利要求5所述的一种信号采样电路，其特征在于：所述滤波电路(5)包括双向瞬变抑制二极管TVS1、电阻R1和电容C4，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第一端经电阻R1连接放大器U2的输出端，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第二端接地，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第一端和第二端之间接有电容C4，所述双向瞬变抑制二极管TVS1的第一端为采样后信号的输出端。
7.根据权利要求4所述的一种信号采样电路，其特征在于：所述隔离电源变换电路(6)包括电容C1、电容C2、DC/DC隔离电源模块U1、电感L3、电感L4、电容C7、电容C8、电容C11、电容C12、电阻R5、电阻R6、电阻R8、齐纳二极管Z1、电容C15和电容C3，所述电容C1和电容C2并联，所述电容C1的第一端分别连接电源VCC和DC/DC隔离电源模块U1的正极电压输入端，所述电容C1的第二端分别接地和连接DC/DC隔离电源模块U1的负极电压输入端，所述DC/DC隔离电源模块U1的正极电压输出端经电感L3输出+12V隔离电源，所述DC/DC隔离电源模块U1的负极电压输出端经电感L4输出-12V隔离电源，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端并联接有电容C7和电容C8，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端还并联接有电容C11和电容C12，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端还并联接有电阻R5和电阻R6，所述电容C7、电容C11、电阻R5并联，所述电容C8、电容C12、电阻R6并联，所述DC/DC隔离电源模块U1的0V电压端连接齐纳二极管Z1的阳极，所述齐纳二极管Z1的阴极为5V隔离电源输出端，所述齐纳二极管Z1还并联接有电容C15，所述齐纳二极管Z1的阳极经电容C3接地，所述齐纳二极管Z1的阴极还经电阻R8连接电感L3。
8.根据权利要求5所述的一种信号采样电路，其特征在于：所述电压基准电路(7)包括DC/DC隔离电源模块U5、电容C17、电容C18、电容C22和电容C23，所述DC/DC隔离电源模块U5的输入端连接电源VCC，所述DC/DC隔离电源模块U5的输入端还分别经电容C17接地、经电容C18接地，所述DC/DC隔离电源模块U5的输出端输出2.5V基准电压，所述DC/DC隔离电源模块U5的输出端还分别经电容C22接地、经电容C23接地。
9.具有权利要求1-8任一所述的信号采样电路的一种信号采样装置，其特征在于：所述信号采样装置的输入端经RVSP线缆连接零序电压传感器，所述信号采样装置的输出端经ADC芯片连接主控MCU。
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