CN115951116B - 一种峰值电流检测系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交流电源测量仪器技术领域，具体涉及一种峰值电流检测系统及测试方法，本峰值电流检测系统包括：电流采样电路将交流电源输出的电流信号转化为电压信号，且经差分放大电路、精密全波整流电路进行放大、波形调整后输入至峰值电流检测电路；CPU模块向峰值电流检测电路发送相应控制信号，以使峰值电流检测电路将正半周的波形转换成脉动的直流信号；ADC采样电路对脉动的直流信号进行实时积分以获取相应电压数值，以计算负载的峰值电流；本发明可以准确实时的根据负载不同、输出频率实时变化时，对负载的峰值电流进行实时准确检测，适用于输出频率在45Hz‑500Hz的线性交流电源的正负电流信号的峰值电流检测。

Description

一种峰值电流检测系统及测试方法

技术领域

本发明属于交流电源测量仪器技术领域，具体涉及一种峰值电流检测系统及测试方法。

背景技术

对于交流电源的设计，根据负载不同、输出频率不同，交流电源需正确测量负载对应的峰值电流这一参数，保证负载对应峰值电流的准确性及实时性。

传统的峰值电流检测电路包括：电压比较器、运算放大器、采样保持电路、驱动电路、受控开关等，运算放大器的输出电压信号与采样保持电路跟踪检测电路输入的电压信号通过电压比较器进行比较，比较结果的输出去控制驱动电路，驱动电路控制受控开关的通断，该电路直接对电路输入的电压信号进行比较，提高检测的精度，但是该电路一般应用于在负载的峰值电流为正的峰值检测，交流电源的输出波形一般是基于参考点的正负波形。这种峰值电流检测电路也增加了驱动电路和电路复杂度。不利于交流电源在输出时且输出频率实时变化时峰值电流检测的实时性，也不适合交流电源的峰值电流检测。

因此，亟需开发一种新的峰值电流检测系统及测试方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种峰值电流检测系统及测试方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种峰值电流检测系统，其包括：电流采样电路、差分放大电路、精密全波整流电路、峰值电流检测电路、ADC采样电路和CPU模块；其中所述电流采样电路、差分放大电路、精密全波整流电路、峰值电流检测电路、ADC采样电路依次连接，且所述峰值电流检测电路、ADC采样电路与CPU模块电性相连；所述电流采样电路将交流电源输出的电流信号转化为电压信号，且经所述差分放大电路、精密全波整流电路进行放大、波形调整后输入至峰值电流检测电路；所述CPU模块向峰值电流检测电路发送相应控制信号，以使所述峰值电流检测电路将正半周的波形转换成脉动的直流信号；所述ADC采样电路对脉动的直流信号进行实时积分以获取相应电压数值，以计算负载的峰值电流。

进一步，所述电流采样电路包括：四端子采样电阻R1；所述四端子采样电阻R1的其中两端连接负载，所述四端子采样电阻R1的另外两端连接差分放大电路；所述四端子采样电阻R1将交流电源输出的电流信号转化成第一电压信号TP1。

进一步，所述差分放大电路将第一电压信号TP1放大N倍至第二电压信号TP2。

进一步，所述精密全波整流电路将第二电压信号TP2中基于零点的负半周的波形翻转到正半周且正半周的波形维持不变，以得到第三电压信号TP3。

进一步，所述峰值电流检测电路包括：电阻R2、电容C1；所述电阻R2、电容C1对精密全波整流电路输出的第三电压信号TP3进行滤波。

进一步，所述峰值电流检测电路还包括：模拟开关U1、运算放大器U2、比较器U3和电容C2；所述精密全波整流电路的输出端连接电阻R2的一端及比较器U3的同相输入端，所述电阻R2的一端连接精密全波整流电路的输出端及比较器U3的同相输入端，所述电阻R2的另一端连接电容C1的一端及模拟开关U1中A组开关的一端，所述电容C1的一端连接电阻R2的一端及A组开关的一端，所述电容C1的另一端接地；所述A组开关的一端连接电阻R2的一端及电容C1的一端，所述A组开关的另一端连接模拟开关U1中D组开关的一端、电容C2的一端及运算放大器U2的同相输入端，所述D组开关的一端连接A组开关的一端、电容C2的一端及运算放大器U2的同相输入端，所述D组开关的另一端接地，所述电容C2的一端连接A组开关的一端、D组开关的一端及运算放大器U2的同相输入端，所述电容C2的另一端接地；所述运算放大器U2的同相输入端连接A组开关的一端、D组开关的一端及电容C2的一端，所述运算放大器U2的反相输入端连接比较器U3的反相输入端、运算放大器U2的输出端及ADC采样电路的输入端，所述运算放大器U2的输出端连接比较器U3的反相输入端、运算放大器U2的反相输入端及ADC采样电路的输入端；所述比较器U3的同相输入端连接精密全波整流电路的输出端及电阻R2的一端，所述比较器U3的输出端连接A组开关的控制信号Control_A，所述D组开关的控制信号Control_D连接CPU模块的IO口；所述CPU模块控制D组开关的通断。

进一步，所述CPU模块的IO口向D组开关的控制信号Control_D输出低电平，以控制所述D组开关断开；当所述D组开关断开且在电容C2充满电之前，所述比较器U3输出高电平驱动A组开关闭合，以使第三电压信号TP3通过所述A组开关向电容C2充电；当所述电容C2充满电后，所述比较器U3输出低电平驱动A组开关断开，延迟t时间后，所述ADC采样电路对峰值电流检测电路输出的第四电压信号TP4进行采样，以计算得到负载的峰值电流为

。

进一步，所述CPU模块的IO口向D组开关的控制信号Control_D输出高电平，以控制所述D组开关闭合；所述电容C2进行放电，直至比较器U3输出高电平驱动A组开关闭合。

进一步，所述电容C2的电容值为0.01uF且t取50ms。

另一方面，本发明提供一种采用如上述的峰值电流检测系统的测试方法，其包括：通过电流采样电路将交流电源输出的电流信号转化为电压信号，且经差分放大电路、精密全波整流电路进行放大、波形调整后输入至峰值电流检测电路；通过CPU模块向峰值电流检测电路发送相应控制信号，以使峰值电流检测电路将正半周的波形转换成脉动的直流信号；通过ADC采样电路对脉动的直流信号进行实时积分以获取相应电压数值，以计算负载的峰值电流。

本发明的有益效果是，本发明可以准确实时的根据负载不同、输出频率实时变化时，对负载的峰值电流进行实时准确检测，适用于输出频率在45Hz-500Hz的线性交流电源的正负电流信号的峰值电流检测。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的峰值电流检测系统的电路图；

图2是本发明的TP1、TP2、TP3的波形图；

图3是本发明的A1、TP4、Control_D, Control_A的波形图；

图4是本发明的测试方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，在本实施例中，如图1至图3所示，本实施例提供了一种峰值电流检测系统，其包括：电流采样电路、差分放大电路、精密全波整流电路、峰值电流检测电路、ADC采样电路和CPU模块；其中所述电流采样电路、差分放大电路、精密全波整流电路、峰值电流检测电路、ADC采样电路依次连接，且所述峰值电流检测电路、ADC采样电路与CPU模块电性相连；所述电流采样电路将交流电源输出的电流信号转化为电压信号，且经所述差分放大电路、精密全波整流电路进行放大、波形调整后输入至峰值电流检测电路；所述CPU模块向峰值电流检测电路发送相应控制信号，以使所述峰值电流检测电路将正半周的波形转换成脉动的直流信号；所述ADC采样电路对脉动的直流信号进行实时积分以获取相应电压数值，以计算负载的峰值电流。

在本实施例中，本实施例可以准确实时的根据负载不同、输出频率实时变化时，对负载的峰值电流进行实时准确检测，适用于输出频率在45Hz-500Hz的线性交流电源的正负电流信号的峰值电流检测。

在本实施例中，所述电流采样电路包括：四端子采样电阻R1；所述四端子采样电阻R1的其中两端连接负载，所述四端子采样电阻R1的另外两端连接差分放大电路；所述四端子采样电阻R1将交流电源输出的电流信号转化成第一电压信号TP1。

在本实施例中，四端子采样电阻R1采用高功率精密四端采样电阻，目的是将交流电源输出的电流信号转化成电压信号，四端子采样电阻R1的阻值一般取几十mΩ。

在本实施例中，为了控制整个峰值电流检测系统对峰值电流Ipeak的干扰，采用高功率精密四端采样电阻替代传统的锰铜丝电阻，高功率精密四端采样电阻的温漂系数抗干扰能力更强，使峰值电流Ipeak更稳定。

在本实施例中，四端子采样电阻R1的其中两端串联在交流电源的输出端，流过四端子采样电阻R1的电流为待测的峰值电流Ipeak，四端子采样电阻R1的另外两端作为峰值电流Ipeak的检测电压输出TP1=Ipeak*R1。

在本实施例中，所述差分放大电路将第一电压信号TP1放大N倍至第二电压信号TP2。

在本实施例中，四端子采样电阻R1的另外两端输出接差分放大电路的输入端，差分放大电路的放大倍数为N，此时TP2= Ipeak*R1*N。

在本实施例中，所述精密全波整流电路将第二电压信号TP2中基于零点的负半周的波形翻转到正半周且正半周的波形维持不变，以得到第三电压信号TP3。

在本实施例中，所述峰值电流检测电路包括：电阻R2、电容C1；所述电阻R2、电容C1对精密全波整流电路输出的第三电压信号TP3进行滤波。

在本实施例中，电阻R2和电容C1组成一低通滤波器，目的对第三电压信号TP3进行滤波，选择合适的峰值电流检测频率范围，同时将第三电压信号TP3和第四电压信号TP4通过电阻R2隔开，使检测的第四电压信号TP3的直流电压值更准确，即Ipeak更准确。

在本实施例中，所述峰值电流检测电路还包括：模拟开关U1、运算放大器U2、比较器U3和电容C2；所述精密全波整流电路的输出端连接电阻R2的一端及比较器U3的同相输入端，所述电阻R2的一端连接精密全波整流电路的输出端及比较器U3的同相输入端，所述电阻R2的另一端连接电容C1的一端及模拟开关U1中A组开关的一端，所述电容C1的一端连接电阻R2的一端及A组开关的一端，所述电容C1的另一端接地；所述A组开关的一端连接电阻R2的一端及电容C1的一端，所述A组开关的另一端连接模拟开关U1中D组开关的一端、电容C2的一端及运算放大器U2的同相输入端，所述D组开关的一端连接A组开关的一端、电容C2的一端及运算放大器U2的同相输入端，所述D组开关的另一端接地，所述电容C2的一端连接A组开关的一端、D组开关的一端及运算放大器U2的同相输入端，所述电容C2的另一端接地；所述运算放大器U2的同相输入端连接A组开关的一端、D组开关的一端及电容C2的一端，所述运算放大器U2的反相输入端连接比较器U3的反相输入端、运算放大器U2的输出端及ADC采样电路的输入端，所述运算放大器U2的输出端连接比较器U3的反相输入端、运算放大器U2的反相输入端及ADC采样电路的输入端；所述比较器U3的同相输入端连接精密全波整流电路的输出端及电阻R2的一端，所述比较器U3的输出端连接A组开关的控制信号Control_A，所述D组开关的控制信号Control_D连接CPU模块的IO口；所述CPU模块控制D组开关的通断。

在本实施例中，所述CPU模块的IO口向D组开关的控制信号Control_D输出低电平，以控制所述D组开关断开；当所述D组开关断开且在电容C2充满电之前，所述比较器U3输出高电平驱动A组开关闭合，以使第三电压信号TP3通过所述A组开关向电容C2充电；当所述电容C2充满电后，所述比较器U3输出低电平驱动A组开关断开，延迟t时间后，所述ADC采样电路对峰值电流检测电路输出的第四电压信号TP4进行采样，以计算得到负载的峰值电流为

，此过程为电容充电采样过程。

在本实施例中，ADC采样电路对脉动的直流信号进行实时积分，要求积分时间短，得到对应的第四电压信号TP4的具体电压数值。

在本实施例中，所述CPU模块的IO口向D组开关的控制信号Control_D输出高电平，以控制所述D组开关闭合；所述电容C2进行放电，直至比较器U3输出高电平驱动A组开关闭合，此过程为电容放电过程。

在本实施例中，依次循环电容充电采样过程、电容放电过程，对峰值电流进行实时检测。

在本实施例中，所述电容C2的电容值为0.01uF且t取50ms，能够兼顾充电容C2的数值和提到t的选择问题，电容C2的数值不宜过大，过大会导致t时间长，导致检测时间变长同时检测的峰值电流频率下限也会受到限制，选择电容C2为0.01uF和t为50ms，从而保证峰值电流的检测时间和峰值电流的最低频率。

在本实施例中，要求模拟开关U1的响应速度快，选择74hct4066，保证A组开关和D组开关的导通和关闭ton和toff时间小。

在本实施例中，ADC采样电路的积分时间长短的选择匹配峰值电流检测电路，可以根据设置ADC积分时间的长短来反应峰值电流的检测分辨率，即峰值电流突变时间短的检测可设置ADC的积分时间也短，从而达到识别峰值电流突变时间短的检测，从而提高峰值电流检测的分辨率。

实施例2，在实施例1的基础上，如图1至图4所示，本实施例提供一种采用如实施例1所提供的峰值电流检测系统的测试方法，其包括：通过电流采样电路将交流电源输出的电流信号转化为电压信号，且经差分放大电路、精密全波整流电路进行放大、波形调整后输入至峰值电流检测电路；通过CPU模块向峰值电流检测电路发送相应控制信号，以使峰值电流检测电路将正半周的波形转换成脉动的直流信号；通过ADC采样电路对脉动的直流信号进行实时积分以获取相应电压数值，以计算负载的峰值电流。

综上所述，本发明可以准确实时的根据负载不同、输出频率实时变化时，对负载的峰值电流进行实时准确检测，适用于输出频率在45Hz-500Hz的线性交流电源的正负电流信号的峰值电流检测。

本申请中选用的各个器件（未说明具体结构的部件）均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

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 (4)

1.一种峰值电流检测系统，其特征在于，包括：

电流采样电路、差分放大电路、精密全波整流电路、峰值电流检测电路、ADC采样电路和CPU模块；其中

所述电流采样电路、差分放大电路、精密全波整流电路、峰值电流检测电路、ADC采样电路依次连接，且所述峰值电流检测电路、ADC采样电路与CPU模块电性相连；

所述电流采样电路将交流电源输出的电流信号转化为电压信号，且经所述差分放大电路、精密全波整流电路进行放大、波形调整后输入至峰值电流检测电路；

所述CPU模块向峰值电流检测电路发送相应控制信号，以使所述峰值电流检测电路将正半周的波形转换成脉动的直流信号；

所述ADC采样电路对脉动的直流信号进行实时积分以获取相应电压数值，以计算负载的峰值电流；

所述电流采样电路包括：四端子采样电阻R1；

所述四端子采样电阻R1的其中两端连接负载，所述四端子采样电阻R1的另外两端连接差分放大电路；

所述四端子采样电阻R1将交流电源输出的电流信号转化成第一电压信号TP1；

所述差分放大电路将第一电压信号TP1放大N倍至第二电压信号TP2；

所述精密全波整流电路将第二电压信号TP2中基于零点的负半周的波形翻转到正半周且正半周的波形维持不变，以得到第三电压信号TP3；

所述峰值电流检测电路包括：电阻R2、电容C1；

所述电阻R2、电容C1对精密全波整流电路输出的第三电压信号TP3进行滤波；

所述峰值电流检测电路还包括：模拟开关U1、运算放大器U2、比较器U3和电容C2；

所述精密全波整流电路的输出端连接电阻R2的一端及比较器U3的同相输入端，所述电阻R2的一端连接精密全波整流电路的输出端及比较器U3的同相输入端，所述电阻R2的另一端连接电容C1的一端及模拟开关U1中A组开关的一端，所述电容C1的一端连接电阻R2的一端及A组开关的一端，所述电容C1的另一端接地；

所述A组开关的一端连接电阻R2的一端及电容C1的一端，所述A组开关的另一端连接模拟开关U1中D组开关的一端、电容C2的一端及运算放大器U2的同相输入端，所述D组开关的一端连接A组开关的一端、电容C2的一端及运算放大器U2的同相输入端，所述D组开关的另一端接地，所述电容C2的一端连接A组开关的一端、D组开关的一端及运算放大器U2的同相输入端，所述电容C2的另一端接地；

所述运算放大器U2的同相输入端连接A组开关的一端、D组开关的一端及电容C2的一端，所述运算放大器U2的反相输入端连接比较器U3的反相输入端、运算放大器U2的输出端及ADC采样电路的输入端，所述运算放大器U2的输出端连接比较器U3的反相输入端、运算放大器U2的反相输入端及ADC采样电路的输入端；

所述比较器U3的同相输入端连接精密全波整流电路的输出端及电阻R2的一端，所述比较器U3的输出端连接A组开关的控制信号Control_A，所述D组开关的控制信号Control_D连接CPU模块的IO口；

所述CPU模块控制D组开关的通断；

所述CPU模块的IO口向D组开关的控制信号Control_D输出低电平，以控制所述D组开关断开；

当所述D组开关断开且在电容C2充满电之前，所述比较器U3输出高电平驱动A组开关闭合，以使第三电压信号TP3通过所述A组开关向电容C2充电；

当所述电容C2充满电后，所述比较器U3输出低电平驱动A组开关断开，延迟t时间后，所述ADC采样电路对峰值电流检测电路输出的第四电压信号TP4进行采样，以计算得到负载的峰值电流为

。

2.如权利要求1所述的峰值电流检测系统，其特征在于，

所述CPU模块的IO口向D组开关的控制信号Control_D输出高电平，以控制所述D组开关闭合；

所述电容C2进行放电，直至比较器U3输出高电平驱动A组开关闭合。

3.如权利要求2所述的峰值电流检测系统，其特征在于，

所述电容C2的电容值为0.01uF且t取50ms。

4.一种采用如权利要求1-3任一项所述的峰值电流检测系统的测试方法，其特征在于，包括：

通过电流采样电路将交流电源输出的电流信号转化为电压信号，且经差分放大电路、精密全波整流电路进行放大、波形调整后输入至峰值电流检测电路；

通过CPU模块向峰值电流检测电路发送相应控制信号，以使峰值电流检测电路将正半周的波形转换成脉动的直流信号；

通过ADC采样电路对脉动的直流信号进行实时积分以获取相应电压数值，以计算负载的峰值电流。

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