CN112630524A - 一种小电流信号采集处理电路及采集处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小电流信号采集处理电路及采集处理方法,属于智能电子技术领域。采集处理电路包括用于采集电流的控制器和电流采样电路，电流采样电路包括接线端子P1，接线端子P1与外部的电流互感器相连，电流采样电路通过初级滤波电路与电压跟随电路的输入端相连，电压跟随电路的输出端与电压放大电路的输入端相连，电压放大电路的输出端经过次级滤波电路后与控制器的模拟量采集IO口相连。采集处理方法包括：对电流进行采样，通过初级滤波电路滤除高频干扰信号，接入电压跟随电路中输出阻抗低的交流电压信号；对交流电压信号进行放大，并进行次级滤波。本发明可对小信号的精准采集，具有高输入阻抗，高共模抑制比，线性度好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种小电流信号采集处理电路，本发明还涉及一种小电流信号采集处理方法，属于智能电子技术领域。
背景技术
在电力系统的智能电网及智能用电领域中，经常要采集一些漏电流、零序电流等电流信号，采集这类信号的一般办法是，利用电流传感器将大电流信号变成电压信号，但由于电流互感器二次负载电阻比较小，输出的电压信号都很小（mV级），加之工作环境恶劣，存在着较强的背景噪声，实际的有效信号很容易淹没在背景噪声中；同时，基于成本的要求，软件处理中对此类信号直接进行倍数放大，以便达到计算方便的目的，但这样同步对噪声也进行了放大处理。
发明内容
本发明的首要目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种小电流信号采集处理电路，可实现对小信号的精准采集，具有高输入阻抗，高共模抑制比，线性度好的特点。
本发明的一种小电流信号采集处理电路，包括用于采集电流的控制器，还包括电流采样电路、初级滤波电路、电压跟随电路、电压放大电路和次级滤波电路，所述电流采样电路包括接线端子P1，所述接线端子P1与外部的电流互感器相连，所述电流采样电路的电流信号输出端与所述初级滤波电路的输入端相连，所述初级滤波电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端相连，所述电压跟随电路的输出端与所述电压放大电路的输入端相连，所述电压放大电路的输出端经过所述次级滤波电路滤波后与所述控制器的模拟量采集IO口相连。
进一步的，所述电流采样电路包括取样电阻R1，所述取样电阻R1的一端通过接线端子P1的引脚1与电流互感器的输入端相连，所述取样电阻R1的另一端接电压信号ACOM-1.5V，所述接线端子的引脚1输出交流信号AI-U1，所述引脚1通过齐纳二极管D1接地。
进一步的，所述交流信号AI-U1通过初级滤波电路的二阶RC低频滤波转化为交流信号AI-U2，所述初级滤波电路包括电阻R2、电阻R3，电容C1和电容C2，所述电阻R2的一端与交流信号AI-U1相连，所述电阻R2的另一端与电阻R3的一端相连并通过电容C1接地，所述电阻R3的另一端与交流信号AI-U2相连并通过电容C2接地。
进一步的，所述交流信号AI-U2与电压跟随电路的输入端相连，所述电压跟随电路包括放大器U1D，所述放大器U1D的正向输入端与交流信号AI-U2相连，所述放大器U1D的反向输入端与所述放大器U1D的输出端相连，所述放大器U1D的电源端4接+5V电压，所述放大器U1D的电源端4通过去耦电容C3接地，所述放大器的输U1D的输出端输出交流信号AI-U3。
进一步的，电压放大电路包括放大器U1A，所述放大器U1A的正向输入端接交流信号AI-U3，所述放大器U1A的反向输入端通过电阻R5接电压信号ACOM-1.5V，所述放大器U1A的反向输入端还通过电阻R4与放大器U1A的输出端相连，所述放大器U1A的输出端输出交流信号AI-U4，所述放大器U1A的输出端,与肖特基二极管D2相连，所述肖特基二极管的输入端接VREF-3.0V，所述肖特基二极管的输出端接地。
进一步的，所述交流信号AI-U4通过次级滤波电路的低频二阶RC滤波输出交流信号AI-U5，所述交流信号AI-U5与所述控制器的模拟量采集IO口相连，所述次级滤波电路包括电阻R6、电阻R7、电容C4和电容C5，所述电阻R6的一端接交流信号AI-U4，所述电阻R6的另一端与电阻R7相连并通过电容C4接地，所述电阻R7的另一端通过电容C5接地。
进一步的，所述电容C1、C2、C4和C5的容量为0.1µF，电阻R2、R3、R6和R7的阻值为120Ω。
进一步的，所述放大器U1D和放大器U1A均为TLC2274AID运算放大器。
本发明的另一个目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种小电流信号采集处理方法，可实现有效提高小电流尤其是漏电流的采集精度，去除噪声干扰。
步骤1：对电流进行采样，通过电流采样电路将交流电压信号AI-U1提高到基准电压1.5V；
步骤2：通过初级滤波电路对交流电压信号AI-U1进行初级滤波，滤除高频干扰信号，得到交流电压信号AI-U2；
步骤3：交流电压信号AI-U2接入电压跟随电路中放大器U1D的正相输入端，放大器U1D的输出端输出阻抗低的交流电压信号AI-U3；电压跟随电路中的电容C3降低元件耦合到电源端的噪声，提供稳定的电压；
步骤4：通过电压放大电路对交流电压信号AI-U3进行放大，得到交流电压信号AI-U4；交流电压AI-U3的放大倍数由电阻R4和电阻R5决定，交流电压AI-U4的电压信号幅值为AI-U4=(1+R4/R5)*（AI-U3）；
步骤5：通过次级滤波电路对交流电压信号AI-U4进行次级滤波，进一步滤除高频干扰信号，得到交流电压信号AI-U5；
步骤6：交流电压信号AI-U5输入至控制器MCU的模拟量采集IO口，完成整个信号的采集。
本发明的有益效果是：1、采用两级滤波电路，去除背景噪声及干扰；初级滤波电路采用二阶RC低通滤波电路，滤除高频干扰信号，保留低频有用信号，使输入的电压信号真实可靠；次级滤波电路也采用二阶RC低通滤波电路，进一步的滤除高频干扰信号。
2、电流采样电路中的取样电阻R1的一端接ACOM-1.5V电压信号，使电压是1.5V这样可以把电阻R1两端交流电压信号提高到基准1.5V上下波动，把交流电压的负半周信号变为正电压，放大器U1D只需要单电源供电即可，不需要负电源，减化了电源设计，降低了产品成本。交流电压信号AI-U1经过齐纳二极管D1接GND，吸收输入端瞬时高压冲击，为后面的初级滤波电路、电压跟随电路、电压放大电路和次级滤波电路提供保护。
3、交流电压信号电压AI-U3与交流电压信号AI-U2相位相同，幅值相同。电压跟随电路具有输入阻抗高，而输出阻抗低的特性，提高了带负载能力，同时保障输出信号与输入信号相位相同，幅值相同，匹配后端模拟转换电路；电压跟随电路中的去耦电容可以降低元件耦合到电源端的噪声，提供较稳定的电源。
4、因为电流互感器的二次负载电阻一般都比较小（≤10Ω），所以电流取样电阻两端的电压信号也很小，需要进一步的放大后方可被控制器的MCU可靠采集。电压放大电路采用同相输入放大电路，这样输入电压和输出电压的相位相同，输出电压幅值是输入电压幅值的N倍，而且只需要单项正电源，不需要负电源，简化了电源设计，N=(1+R4/R5)；交流电压信号AI-U4接一个肖特基二极管D2到VREF-3.0V和GND，使交流电压信号AI-U4在0-3V之间，保护控制器MCU的模拟量采集IO口。
5、小电流信号采集处理电路通过对有效电流值进行放大，避免软件放大带来的噪声误差；提高小电流采样处理的精度。
附图说明
图1为本发明中小电流信号采集处理电路的结构框图；
图2为本发明中电流采样电路的原理图；
图3为本发明中初级滤波电路的原理图；
图4为本发明中电压跟随电路的原理图；
图5为本发明中电压放大电路的原理图；
图6为本发明中次级滤波电路的原理图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的小电流信号采集处理电路包括用于采集电流的控制器、电流采样电路、初级滤波电路、电压跟随电路、电压放大电路和次级滤波电路，电流采样电路包括接线端子P1，接线端子P1与外部的电流互感器相连，电流采样电路的电流信号输出端与初级滤波电路的输入端相连，初级滤波电路的输出端与电压跟随电路的输入端相连，电压跟随电路的输出端与电压放大电路的输入端相连，电压放大电路的输出端经过次级滤波电路滤波后与控制器的模拟量采集IO口相连。
如图2所示，电流采样电路包括取样电阻R1，取样电阻R1的一端通过接线端子P1的引脚1与电流互感器的输入端相连，取样电阻R1的另一端接电压信号ACOM-1.5V，接线端子的引脚1输出交流信号AI-U1，引脚1通过齐纳二极管D1接地。
如图3所示，交流信号AI-U1通过初级滤波电路的二阶RC低频滤波转化为交流信号AI-U2，初级滤波电路包括电阻R2、电阻R3，电容C1和电容C2，电阻R2的一端与交流信号AI-U1相连，电阻R2的另一端与电阻R3的一端相连并通过电容C1接地，电阻R3的另一端与交流信号AI-U2相连并通过电容C2接地。
如图4所示，交流信号AI-U2与电压跟随电路的输入端相连，电压跟随电路包括放大器U1D，放大器U1D的正向输入端与交流信号AI-U2相连，放大器U1D的反向输入端与放大器U1D的输出端相连，放大器U1D的电源端4接+5V电压，放大器U1D的电源端4通过去耦电容C3接地，放大器的输U1D的输出端输出交流信号AI-U3。
如图5所示，电压放大电路包括放大器U1A，放大器U1A的正向输入端接交流信号AI-U3，放大器U1A的反向输入端通过电阻R5接电压信号ACOM-1.5V，放大器U1A的反向输入端还通过电阻R4与放大器U1A的输出端相连，放大器U1A的输出端输出交流信号AI-U4，放大器U1A的输出端,与肖特基二极管D2相连，肖特基二极管的输入端接VREF-3.0V，肖特基二极管的输出端接地。
如图6所示，交流信号AI-U4通过次级滤波电路的低频二阶RC滤波输出交流信号AI-U5，交流信号AI-U5与控制器的模拟量采集IO口相连，次级滤波电路包括电阻R6、电阻R7、电容C4和电容C5，电阻R6的一端接交流信号AI-U4，电阻R6的另一端与电阻R7相连并通过电容C4接地，电阻R7的另一端通过电容C5接地。
电容C1、C2、C4和C5的容量为0.1µF，电阻R2、R3、R6和R7的阻值为120Ω；放大器U1D和放大器U1A均为TLC2274AID运算放大器。
本发明的小电流信号采集处理方法，包括以下步骤：
步骤1：对电流进行采样，通过电流采样电路将交流电压信号AI-U1提高到基准电压1.5V；
步骤2：通过初级滤波电路对交流电压信号AI-U1进行初级滤波，滤除高频干扰信号，得到交流电压信号AI-U2；
步骤3：交流电压信号AI-U2接入电压跟随电路中放大器U1D的正相输入端，放大器U1D的输出端输出阻抗低的交流电压信号AI-U3；电压跟随电路中的电容C3降低元件耦合到电源端的噪声，提供稳定的电压；
步骤4：通过电压放大电路对交流电压信号AI-U3进行放大，得到交流电压信号AI-U4；交流电压AI-U3的放大倍数由电阻R4和电阻R5决定，交流电压AI-U4的电压信号幅值为AI-U4=(1+R4/R5)*（AI-U3）；
步骤5：通过次级滤波电路对交流电压信号AI-U4进行次级滤波，进一步滤除高频干扰信号，得到交流电压信号AI-U5；
步骤6：交流电压信号AI-U5输入至控制器MCU的模拟量采集IO口，完成整个信号的采集。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种小电流信号采集处理电路，包括用于采集电流的控制器，其特征在于：还包括电流采样电路、初级滤波电路、电压跟随电路、电压放大电路和次级滤波电路，所述电流采样电路包括接线端子P1，所述接线端子P1与外部的电流互感器相连，所述电流采样电路的电流信号输出端与所述初级滤波电路的输入端相连，所述初级滤波电路的输出端与所述电压跟随电路的输入端相连，所述电压跟随电路的输出端与所述电压放大电路的输入端相连，所述电压放大电路的输出端经过所述次级滤波电路滤波后与所述控制器的模拟量采集IO口相连。
2.根据权利要求1所述的小电流信号采集处理电路，其特征在于：所述电流采样电路包括取样电阻R1，所述取样电阻R1的一端通过接线端子P1的引脚1与电流互感器的输入端相连，所述取样电阻R1的另一端接电压信号ACOM-1.5V，所述接线端子的引脚1输出交流信号AI-U1，所述引脚1通过齐纳二极管D1接地。
3.根据权利要求2所述的小电流信号采集处理电路，其特征在于：所述交流信号AI-U1通过初级滤波电路的二阶RC低频滤波转化为交流信号AI-U2，所述初级滤波电路包括电阻R2、电阻R3，电容C1和电容C2，所述电阻R2的一端与交流信号AI-U1相连，所述电阻R2的另一端与电阻R3的一端相连并通过电容C1接地，所述电阻R3的另一端与交流信号AI-U2相连并通过电容C2接地。
4.根据权利要求3所述的小电流信号采集处理电路，其特征在于：所述交流信号AI-U2与电压跟随电路的输入端相连，所述电压跟随电路包括放大器U1D，所述放大器U1D的正向输入端与交流信号AI-U2相连，所述放大器U1D的反向输入端与所述放大器U1D的输出端相连，所述放大器U1D的电源端4接+5V电压，所述放大器U1D的电源端4通过去耦电容C3接地，所述放大器的输U1D的输出端输出交流信号AI-U3。
5.根据权利要求4所述的小电流信号采集处理电路，其特征在于：电压放大电路包括放大器U1A，所述放大器U1A的正向输入端接交流信号AI-U3，所述放大器U1A的反向输入端通过电阻R5接电压信号ACOM-1.5V，所述放大器U1A的反向输入端还通过电阻R4与放大器U1A的输出端相连，所述放大器U1A的输出端输出交流信号AI-U4，所述放大器U1A的输出端,与肖特基二极管D2相连，所述肖特基二极管的输入端接VREF-3.0V，所述肖特基二极管的输出端接地。
6.根据权利要求5所述的小电流信号采集处理电路，其特征在于：所述交流信号AI-U4通过次级滤波电路的低频二阶RC滤波输出交流信号AI-U5，所述交流信号AI-U5与所述控制器的模拟量采集IO口相连，所述次级滤波电路包括电阻R6、电阻R7、电容C4和电容C5，所述电阻R6的一端接交流信号AI-U4，所述电阻R6的另一端与电阻R7相连并通过电容C4接地，所述电阻R7的另一端通过电容C5接地。
7.根据权利要求6所述的小电流信号采集处理电路，其特征在于：所述电容C1、C2、C4和C5的容量为0.1µF，电阻R2、R3、R6和R7的阻值为120Ω。
8.根据权利要求5所述的小电流信号采集处理电路，其特征在于：所述放大器U1D和放大器U1A均为TLC2274AID运算放大器。
9.一种基于权利要求1至7中任一项小电流信号采集处理电路的小电流信号采集处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对电流进行采样，通过电流采样电路将交流电压信号AI-U1提高到基准电压1.5V；
步骤2：通过初级滤波电路对交流电压信号AI-U1进行初级滤波，滤除高频干扰信号，得到交流电压信号AI-U2；
步骤3：交流电压信号AI-U2接入电压跟随电路中放大器U1D的正相输入端，放大器U1D的输出端输出阻抗低的交流电压信号AI-U3；电压跟随电路中的电容C3降低元件耦合到电源端的噪声，提供稳定的电压；
步骤4：通过电压放大电路对交流电压信号AI-U3进行放大，得到交流电压信号AI-U4；交流电压AI-U3的放大倍数由电阻R4和电阻R5决定，交流电压AI-U4的电压信号幅值为AI-U4=(1+R4/R5)*（AI-U3）；
步骤5：通过次级滤波电路对交流电压信号AI-U4进行次级滤波，进一步滤除高频干扰信号，得到交流电压信号AI-U5；
步骤6：交流电压信号AI-U5输入至控制器MCU的模拟量采集IO口，完成整个信号的采集。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210409 |