CN111323641A - 一种电流电压采样电路 - Google Patents

Abstract

一种电流电压采样电路，包括具有九路信号输入端的单片机模块和开关电源，＝还具有六组降压电路、三组电压采样子电路及三组电流采样子电路；所述三组电压采样子电路及三组电流采样子电路安装在电路板上，电路板及单片机模块和开关电源安装在元件盒内；并经导线连接。本发明中，三组电压采样子电路及三组电流采样子电路分别对三相电源的三根相线进行采样，利用运放组成稳定电压源基准，抬高差分运放输入端信号，使信号源呈现完整信号后、经过差分运放且滤波后输入至ADC通道，并在电路中加入钳制电路，保护电路不因超高信号而烧毁，由此达到采集后信号受干扰程度小，提高了采样精度，对后续检测数据正确性更加有利。

Description

一种电流电压采样电路

技术领域

本发明涉及电源检测领域，特别是一种电流电压采样电路。

背景技术

在三相交流电源中，电源的相电压平衡以及电流过零数据是衡量电源质量的两个重要指标。目前现有的电源电压、电流采样电路，一般采用三组电压采样电路及三组电流采样电路分别对三相四线电源进行采样，每组电压及电流采样电路主要包括多只电阻以及电容，应用中，每组电压及电流采样电路通过多只电阻将其中一根相线及零线电源降压限流、电容等滤波后，然后输出六路模拟电压信号进入至单片机模块的六路信号输入端，进而单片机模块对输入的六路信号进行处理后通过其配套的显示屏界面显示出三组相线的电压及电流数值，用户就可对显示的电压、电流数据进行判定，最后得出三相电源的相电压是否平衡以及电流过零信号的数据(过零检测指的是在交流系统中，当波形从正半周向负半周转换时，经过零位时，检测系统作出的检测。)。

由于现有的电源相电压平衡以及电流过零数据检测，是直接采用降压电阻及电容对电源进行采样，电阻采样信号容易受杂波信号干扰，这样会导致采样精度不高，对后续检测的数据正确性带来不利的影响。

发明内容

为了克服现有检测三相交流电源的相电压平衡以及电流过零数据的采样电路，因结构所限导致的采样信号容易受杂波信号干扰，会导致采样精度不高，对后续检测的数据正确性带来不利影响的弊端，本发明提供了利用运放组成稳定电压源基准，抬高差分运放输入端信号，使信号源呈现完整信号后、经过差分运放且滤波后输入至ADC通道(也就是模数转换)，并在电路中加入钳制电路，保护电路不因超高信号而烧毁，由此达到采集后信号受干扰程度小，提高了采样精度，对后续检测数据正确性更加有利的一种电流电压采样电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电流电压采样电路，包括具有九路信号输入端的单片机模块和开关电源，其特征在于还具有六组降压电路、三组电压采样子电路及三组电流采样子电路；所述三组电压采样子电路及三组电流采样子电路安装在电路板上，电路板及单片机模块和开关电源安装在元件盒内；所述六组降压电路中，每两组降压电路的电源输入端分别和380V三相四线电源的其中一根相线及零线电性连接，每两组降压电路的电源输出端和三组电压采样子电路中其中一组电压采样子电路、及三组电流采样子电路中其中一组电流采样子电路的信号电源输入两端分别电性连接；所述三组电压采样子电路及三组电流采样子电路的信号输出端和单片机模块的九路信号输入端分别电性连接；所述开关电源的电源输入端和交流220V电源两极分别电性连接，开关电源的两路电源输出端分别和三组电压采样子电路及三组电流采样子电路的两路电源输入端分别电性连接，开关电源第一路电源输出端和单片机模块电源输入两端分别电性连接。

进一步地，所述开关电源是交流转直流开关电源模块。

进一步地，所述每组降压电路包括十只电阻，每五只电阻分为一组依次电性串联在一起。

进一步地，所述每组电压采样子电路包括电容、电阻、二极管、型号OP07的运算放大器、型号LM324的运放、型号CD4069反向器集成电路，其间经电路板布线连接，第一只电容一端和第一只电阻一端、第一只运放的反相输入端2脚连接，第二只电容一端和第一只运放的负极电源输入端4脚连接，第二只电容另一端接地，第二只电阻一端和第三只电容一端、第一只运放的同相输入端3脚连接，第三只电容另一端和第二只电阻另一端接地，第一只运放的正极电源输入端7脚和第四只电容一端连接，第四只电容另一端接地，第一只电容另一端和第一只电阻另一端、第三只电阻另一端、第一只运放的输出端6脚连接，第三只电阻另一端和第四只电阻一端、第五只电阻一端、第一只二极管负极连接，第一只二极管正极接地，第五只电阻另一端和第二只运放的其中一个同相输入端5脚连接，第二只运放的其中一个反相输入端6脚悬空，第四只电阻另一端和第二只运放的另一个同相输入端3脚连接，第二只运放的正极电源输入端4脚和第五只电容一端连接，第五只电容另一端和第二只运放的另一个反相输入端2脚、第二只运放的负极电源输入端11脚连接，第二只运放的其中一个输出端7脚和第二只二极管正极、第三只二极管负极连接，第三只二极管正极接地，第二只运放的另一个输出端1脚和第六只电阻一端连接，第六只电阻另一端和第四只二极管正极、第五只二极管负极、反向器集成电路的输入端1脚连接，第五只二极管正极接地，反向器集成电路的正极电源输入端14脚和第六只电容一端连接，第六只电容另一端和反向器集成电路负极电源输入端7脚接地。

进一步地，所述每组电流采样子电路包括电容、电阻、二极管、型号OP07的运算放大器、型号LM324的运放，其间经电路板布线连接，第一只电容一端和第一只电阻一端、第一只运放的反相输入端2脚连接，第二只电容一端和第一只运放的负极电源输入端4脚连接，第二只电容另一端接地，第二只电阻一端和第三只电容一端、第一只运放的同相输入端3脚连接，第三只电容另一端和第二只电阻另一端接地，第一只运放的正极电源输入端7脚和第四只电容一端连接，第四只电容另一端接地，第一只电容另一端和第一只电阻另一端、第三只电阻另一端、第一只运放的输出端6脚连接，第三只电阻另一端和第四只电阻一端、第一只二极管负极连接，第一只二极管正极接地，第四只电阻另一端和第二只运放的其中一个同相输入端10脚连接，第二只运放的其中一个反相输入端9脚和第二只二极管负极、第三只二极管正极连接。

进一步地，所述三组电压采样子电路及三组电流采样子电路中，每组电流采样子电路和每组电压采样子电路采用的第二只运放为同一只运放。

本发明有益效果是：本发明中，采用的单片机模块和现有检测三相交流电源的相电压平衡以及电流过零数据的采样电路，使用的单片机模块完全一致。本发明中，三组电压采样子电路及三组电流采样子电路分别对三相电源的三根相线进行采样，本发明中，利用运放组成稳定电压源基准，抬高差分运放输入端信号，使信号源呈现完整信号后、经过差分运放且滤波后输入至ADC通道，并在电路中加入钳制电路，保护电路不因超高信号而烧毁，由此达到采集后信号受干扰程度小，提高了采样精度，对后续检测数据正确性更加有利。基于上述，所以本发明具有好的应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1、2是本发明电路图。

图3是本发明结构框图。

具体实施方式

图3中所示，一种电流电压采样电路，包括具有九路信号输入端的单片机模块1和开关电源2，其还具有六组降压电路3、三组电压采样子电路4及三组电流采样子电路5；所述三组电压采样子电路4及三组电流采样子电路5安装在电路板上，电路板及单片机模块1、开关电源2安装在元件盒内。

图1、2中所示，本发明中，三组电压采样子电路及三组电流采样子电路、六组降压电路构造完全一致，以下所有内容以其中一组电压采样子电路及其中一组电流采样子电路和两组降压电路的连接安装关系及使用原理做代表性说明。开关电源U1是型号LM2596的交流220V转直流开关电源模块成品，具有两个电源输入端1及2脚，两路电源输出端，3及4脚输出12V直流电源，5及4脚输出5V直流电源，两路公用负极电源输出端4脚。每组降压电路包括十只电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，其中五只电阻R1、R2、R3、R4、R5分为一组依次电性串联在一起，另外五只电阻R6、R7、R8、R9、R10分为一组依次电性串联在一起。每组电压采样子电路包括电容C19、C20、C21、C22、C23、C24，电阻R38、R39、R40、R41、R42、R43，二极管V1、V2、V3、V4、V5，型号OP07的运算放大器U10，型号LM324的运放U13，型号CD4069反向器集成电路N1，其间经电路板布线连接，第一只电容C19一端和第一只电阻R38一端、第一只运放U10的反相输入端2脚连接，第二只电容C20一端和第一只运放U10的负极电源输入端4脚连接，第二只电容C20另一端接地，第二只电阻R39一端和第三只电容C21一端、第一只运放U10的同相输入端3脚连接，第三只电容C21另一端和第二只电阻R39另一端接地，第一只运放U10的正极电源输入端7脚和第四只电容C22一端连接，第四只电容C22另一端接地，第一只电容C19另一端和第一只电阻R38另一端、第三只电阻R40另一端、第一只运放U10的输出端6脚连接，第三只电阻R40另一端和第四只电阻R42一端、第五只电阻R41一端、第一只二极管V1负极连接，第一只二极管V1正极接地，第五只电阻R41另一端和第二只运放U13的其中一个同相输入端5脚连接，第二只运放U13的其中一个反相输入端6脚悬空，第四只电阻R42另一端和第二只运放U13的另一个同相输入端3脚连接，第二只运放U13的正极电源输入端4脚和第五只电容C23一端连接，第五只电容C23另一端和第二只运放U13的另一个反相输入端2脚、第二只运放U13的负极电源输入端11脚连接，第二只运放U13的其中一个输出端7脚和第二只二极管V2正极、第三只二极管V3负极连接，第三只二极管V3正极接地，第二只运放U13的另一个输出端1脚和第六只电阻R43一端连接，第六只电阻R43另一端和第四只二极V4管正极、第五只二极管V5负极、反向器集成电路N1的输入端1脚连接，第五只二极管V5正极接地，反向器集成电路N1的正极电源输入端14脚和第六只电容C24一端连接，第六只电容C24另一端和反向器集成电路N1负极电源输入端7脚接地。每组电流采样子电路包括电容C25、C26、C27、C28，电阻R44、R45、R46、R47，二极管V8、V7、V6，型号OP07的运算放大器U11，型号LM324的运放U13；其间经电路板布线连接，第一只电容C25一端和第一只电阻R44一端、第一只运放的U11反相输入端2脚连接，第二只电容C26一端和第一只运放的U11负极电源输入端4脚连接，第二只电容C26另一端接地，第二只电阻R45一端和第三只电容C27一端、第一只运放U11的同相输入端3脚连接，第三只电容C27另一端和第二只电阻R45另一端接地，第一只运放U11的正极电源输入端7脚和第四只电容C28一端连接，第四只电容C28另一端接地，第一只电容C25另一端和第一只电阻R44另一端、第三只电阻R46另一端、第一只运放U11的输出端6脚连接，第三只电阻R46另一端和第四只电阻R47一端、第一只二极管V8负极连接，第一只二极管V8正极接地，第四只电阻R47另一端和第二只运放U13的其中一个同相输入端10脚连接，第二只运放U13的其中一个反相输入端9脚和第二只二极管V7负极、第三只二极管V6正极连接。三组电压采样子电路及三组电流采样子电路中，每组电流采样子电路和每组电压采样子电路采用的第二只运放U13为同一只运放。

图1、2中所示，六组降压电路中，每组降压电路的电源输入端电阻R1及R6另一端分别和380V三相四线电源的其中一根相线A1及零线B1电性经导线连接(第一组降压电路电阻R1及R6另一端分别和380V第一根相线A及零线B连接，第二组降压电路电阻R1及R6另一端分别和380V第二根相线A及零线B连接，第三组降压电路电阻R1及R6另一端分别和380V第三根相线A及零线B连接，第四组降压电路电阻R1及R6另一端分别和380V第一根相线A及零线B连接，第五组降压电路电阻R1及R6另一端分别和380V第二根相线A及零线B连接，第六组降压电路电阻R1及R6另一端分别和380V第三根相线A及零线B连接)。每组(一、二、三、四、五、六组降压电路)降压电路的电源输出端电阻R5另一端及电阻R10另一端和三组电压采样子电路的信号电源输入两端电容C21一端、电容C19一端及三组电流采样子电路的电源输入两端电容C27一端、电容C25一端分别经导线连接。三组电压采样子电路中信号输出端运放U13的7脚及反向器集成电路N1的2脚和单片机模块U2的其中六路信号输入端Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6分别经导线连接。三组电流采样子电路的信号输出端运放U13的8脚和单片机模块的另外三路信号输入端Q7、Q8、Q9分别经导线连接。开关电源U1的电源输入端1及2脚和交流220V电源两极分别经导线连接。开关电源U1的第一路电源输出端3及4脚分别和三组电压采样子电路第一路电源输入端运放U10的7脚、电容C22另一端及运放U10的4脚，运放U13的4脚及11脚经导线连接。开关电源U1的第二路电源输出端5及4脚分别和三组电压采样子电路第二路电源输入端二极管V2及V4的正极、二极管V3正极及V5正极、反向器集成电路N1的14脚及7脚经导线连接。开关电源U1的第一路电源输出端3及4脚分别和三组电流采样子电路的第一路电源输入端运放U11的7脚及电容C28另一端、运放U11的4脚经导线连接。开关电源U1的第二路电源输出端5及4脚分别和三组电流采样子电路的第二路电源输入端二极管V6正极及二极管V7负极经导线连接。开关电源第一路电源输出端3及4脚和单片机模块U2电源输入两端1及2脚分别电性连接。

图1、2、3中所示，220V交流电源(三相四线电源的其中一根相线和零线)进入开关电源U1的电源输入两端后，开关电源U1的3及4脚会输出12V直流电源同时进入三组电压采样子电路及三组电流采样子电路第一路电源输入端(还会进入单片机模块U2的电源输入两端)，开关电源U1的5及4脚会输出5V直流电源同时进入三组电压采样子电路及三组电流采样子电路第二路电源输入端，于是，三组电压采样子电路和三组电流采样子电路会处于得电工作状态。本发明中，三相四线电源的其中一根相线和零线(每根相线和零线，一共就是三根相线和零线)会输出220V电源分别进入六组降压电路的电阻R1及R6另一端，六组降压电路中，其中一根相线和零线输出的220V电源会分别经电阻R1、R2、R3、R4、R5及R6、R7、R8、R9、R10逐级降压限流后(电压2.58V左右)，分别进入三组电压采样子电路的两个信号电源输入端运放U10的2及3脚和三组电流采样子电路的两个信号电源输入端运放U11的2及3脚，于是，三组电压采样子电路和三组电流采样子电路的信号电源输入端会分别输入2.58V交流电源信号。

图1、2、3中所示，三组电压采样子电路得电工作后，2.58V电源进入运放U10的3及2脚后，运放U10将信号放大后分别经电阻R40、R41降压限流进入运放U13B的5脚，并经电阻R40、R42进入运放U13A的3脚(电容C19及C20、电阻R38是运放U10的外围元件，电阻R39、电容C21起到阻容滤波作用，电容C20及C22分别起到滤波作用，二极管V1起到钳位作用，电容C23起到滤波作用)；运放U13B起到电压跟随器的作用、提高了其7脚输出至单片机信号输入端Q1(或Q2、Q3)的电压信号阻抗，也就是提高了灵敏度(二极管V2、V3起到钳位作用)；运放U13B的7脚输出的电压信号进入单片机模块U2的信号输入端Q1(或Q2、Q3)，于是，单片机模块U2配套的显示屏能精确分别显示出三根相线的电压(和现有技术一致，显示电压信号在几V左右，通过换算能得到相电压，比如5V代表相电压220V，2.5V就代表相电压110V)。运放U13A起到电压跟随器的作用，提高了其1脚经电阻R43降压限流后进入反向器集成电路N1A的1脚电压信号阻抗，也就是提高了灵敏度(二极管V4、V5起到钳位作用，电容C23滤波)；反向器集成电路N1A将输入信号反相后，其2脚输出的电压信号进入单片机的信号输入端Q4(或Q5、Q6)，于是，单片机模块U2配套的显示屏能精确显示出三根相线的过零电压时间点(和现有技术一致矩形波显示)，同时经过采集过零信号点，还可以控制经单片机控制的用电设备在过零点关闭，防止电器关闭时产生电弧等导致用电设备损坏(比如过零点关闭空气开关)。

图1、2、3中所示，三组电流采样子电路得电工作后，2.58V电源进入运放U11的3及2脚后2.58V电源进入运放U10的3及2脚后，运放U10将信号放大后经电阻R46、R47降压限流进入运放U13C的10脚(电容C25及C26、电阻R44是运放U10的外围元件，电阻R45、电容C27起到阻容滤波作用，电容C26及C28分别起到滤波作用，二极管V8起到钳位作用；运放U13C的起到电压跟随器的作用提高了其7脚输出至单片机信号输入端Q7(或Q8、Q9)的电流信号阻抗，也就是提高了灵敏度(二极管V6、V7起到钳位作用)；运放U13C的7脚输出的电流信号进入单片机的信号输入端Q7(或Q8、Q9)，于是，单片机模块U2配套的显示屏能精确显示出三根相线的电流(和现有技术一致，显示电压信号在几十mA左右，通过换算能得到相电流，比如10mA代表相电流100A，5mA就代表相电流50A)。本发明中，三组电压采样子电路及三组电流采样子电路分别对三相电源的三根相线进行电压采样及电路采样，本发明中，利用运放组成稳定电压源基准，抬高差分运放输入端信号，使信号源呈现完整信号后、经过差分运放且滤波后输入至ADC通道，并在电路中加入钳制电路，保护电路不因超高信号而烧毁，由此达到采集后信号受干扰程度小，提高了采样精度，对后续检测数据正确性更加有利。

本发明有益效果是：本发明中，采用的单片机模块和现有检测三相交流电源的相电压平衡以及电流过零数据的采样电路，使用的单片机模块完全一致。本发明中，三组电压采样子电路及三组电流采样子电路分别对三相电源的三根相线进行电压采样及电路采样，本发明中，利用运放组成稳定电压源基准，抬高差分运放输入端信号，使信号源呈现完整信号后、经过差分运放且滤波后输入至ADC通道，并在电路中加入钳制电路，保护电路不因超高信号而烧毁，由此达到采集后信号受干扰程度小，提高了采样精度，对后续检测数据正确性更加有利。基于上述，所以本发明具有好的应用前景。

Claims (6)

1.一种电流电压采样电路，包括具有九路信号输入端的单片机模块和开关电源，其特征在于还具有六组降压电路、三组电压采样子电路及三组电流采样子电路；所述三组电压采样子电路及三组电流采样子电路安装在电路板上，电路板及单片机模块和开关电源安装在元件盒内；所述六组降压电路中，每两组降压电路的电源输入端分别和380V三相四线电源的其中一根相线及零线电性连接，每两组降压电路的电源输出端和三组电压采样子电路中其中一组电压采样子电路、及三组电流采样子电路中其中一组电流采样子电路的信号电源输入两端分别电性连接；所述三组电压采样子电路及三组电流采样子电路的信号输出端和单片机模块的九路信号输入端分别电性连接；所述开关电源的电源输入端和交流220V电源两极分别电性连接，开关电源的两路电源输出端分别和三组电压采样子电路及三组电流采样子电路的两路电源输入端分别电性连接，开关电源第一路电源输出端和单片机模块电源输入两端分别电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种电流电压采样电路，其特征在于，开关电源是交流转直流开关电源模块。

3.根据权利要求1所述的一种电流电压采样电路，其特征在于，每组降压电路包括十只电阻，每五只电阻分为一组依次电性串联在一起。

4.根据权利要求1所述的一种电流电压采样电路，其特征在于，每组电压采样子电路包括电容、电阻、二极管、型号OP07的运算放大器、型号LM324的运放、型号CD4069反向器集成电路，其间经电路板布线连接，第一只电容一端和第一只电阻一端、第一只运放的反相输入端2脚连接，第二只电容一端和第一只运放的负极电源输入端4脚连接，第二只电容另一端接地，第二只电阻一端和第三只电容一端、第一只运放的同相输入端3脚连接，第三只电容另一端和第二只电阻另一端接地，第一只运放的正极电源输入端7脚和第四只电容一端连接，第四只电容另一端接地，第一只电容另一端和第一只电阻另一端、第三只电阻另一端、第一只运放的输出端6脚连接，第三只电阻另一端和第四只电阻一端、第五只电阻一端、第一只二极管负极连接，第一只二极管正极接地，第五只电阻另一端和第二只运放的其中一个同相输入端5脚连接，第二只运放的其中一个反相输入端6脚悬空，第四只电阻另一端和第二只运放的另一个同相输入端3脚连接，第二只运放的正极电源输入端4脚和第五只电容一端连接，第五只电容另一端和第二只运放的另一个反相输入端2脚、第二只运放的负极电源输入端11脚连接，第二只运放的其中一个输出端7脚和第二只二极管正极、第三只二极管负极连接，第三只二极管正极接地，第二只运放的另一个输出端1脚和第六只电阻一端连接，第六只电阻另一端和第四只二极管正极、第五只二极管负极、反向器集成电路的输入端1脚连接，第五只二极管正极接地，反向器集成电路的正极电源输入端14脚和第六只电容一端连接，第六只电容另一端和反向器集成电路负极电源输入端7脚接地。

5.根据权利要求1所述的一种电流电压采样电路，其特征在于，每组电流采样子电路包括电容、电阻、二极管、型号OP07的运算放大器、型号LM324的运放，其间经电路板布线连接，第一只电容一端和第一只电阻一端、第一只运放的反相输入端2脚连接，第二只电容一端和第一只运放的负极电源输入端4脚连接，第二只电容另一端接地，第二只电阻一端和第三只电容一端、第一只运放的同相输入端3脚连接，第三只电容另一端和第二只电阻另一端接地，第一只运放的正极电源输入端7脚和第四只电容一端连接，第四只电容另一端接地，第一只电容另一端和第一只电阻另一端、第三只电阻另一端、第一只运放的输出端6脚连接，第三只电阻另一端和第四只电阻一端、第一只二极管负极连接，第一只二极管正极接地，第四只电阻另一端和第二只运放的其中一个同相输入端10脚连接，第二只运放的其中一个反相输入端9脚和第二只二极管负极、第三只二极管正极连接。

6.根据权利要求5所述的一种电流电压采样电路，其特征在于，三组电压采样子电路及三组电流采样子电路中，每组电流采样子电路和每组电压采样子电路采用的第二只运放为同一只运放。

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