CN116208148A - 一种交流电压小信号的隔离采样方法 - Google Patents

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杨海龙
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Abstract

本发明公开并提供了一种精度高、体积小、成本低、可靠性高的交流电压小信号的隔离采样方法。在本发明中，EVT对应二次设备采样回路的输入阻抗大，解决因EVT带载能力弱，与采样回路阻抗匹配而引起的采样失真问题；解决EVT与二次设备采样回路的非隔离问题，提高整个二次设备的可靠性。本发明适用于电力配电终端电压小信号采集、电缆接地环流装置小信号采集等领域。

Description

一种交流电压小信号的隔离采样方法
技术领域
本发明涉及一种交流电压小信号的隔离采样方法，适用于电力配电终端电压小信号采集、电缆接地环流装置小信号采集等领域。
背景技术
随着智能电网的发展，电子式电压互感器(简称EVT)在智能电网设备、智能监测设备等设备中得到广泛的应用。EVT主要分为电阻分压、电容分压、阻容分压三种形式。随着技术的不断成熟，EVT在精度、体积、成本等方面均能满足行业应用需求，但是其分压原理及拓扑结构决定了其一次高压与二次弱电共地，非隔离。且如果使用电阻分压、或者阻容分压拓扑结构，带载能力较弱。
针对EVT非隔离、带载能力弱等缺陷，有必要设计一种交流电压小信号的隔离采样方法，配合EVT完成电力设备中二次交流电压小信号的采集。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种精度高、体积小、成本低、可靠性高的交流电压小信号的隔离采样方法。
本发明包括以下步骤：
A.对EVT输出的交流电压电信号进行电磁兼容防护、调幅及输入阻抗调整后再通过隔离运放输入端输入到隔离运放；
B.经隔离运放输出单端信号至处理器AD转换；
C.完成采样。
在步骤A中，所述电磁兼容防护采用EMC防护器件，在电压采集回路的输入端完成EMC干扰防护。
在步骤A中，采用通用运放调幅并调整输入阻抗，将不同规格EVT输出电压值调幅至隔离运放合理输入电压范围内。
在步骤B中，隔离运放选用1:1的增益，并使用1.5V的基准参考电压，将交流信号引入直流偏执，整个交流信号波形抬高成直流信号，再通过RC低通滤波，接入单片机内部ADC，完成交流电压小信号的采集。
所述隔离运放中的隔离运放初级电源轨和隔离运放次级电源轨使用DC/DC隔离电源供电。
所述EMC干扰防护包括浪涌防护、静电防护、电快速瞬变脉冲群防护。
有益效果：本发明使用EMC防护器件，在电压采集回路的输入端完成浪涌、静电、电快速瞬变脉冲群等EMC干扰防护。然后通过通用运放调幅并调整输入阻抗，将不同规格EVT输出电压值调幅至隔离运放合理输入电压范围内，并同时解决EVT要求负载输入阻抗高的问题。隔离运放选用1:1的增益，并使用1.5V的基准参考电压，将交流信号引入直流偏执，整个交流信号波形抬高成直流信号，再通过RC低通滤波，接入单片机内部ADC，完成整个交流电压小信号的采集。隔离运放初级电源轨和次级电源轨使用DC/DC隔离电源供电，实现EVT与采集单元处理器隔离的目的。
在本发明中，EVT对应二次设备采样回路的输入阻抗大，解决因EVT带载能力弱，与采样回路阻抗匹配而引起的采样失真问题；解决EVT与二次设备采样回路的非隔离问题，提高整个二次设备的可靠性。
附图说明
图1是本发明总电路示意图；
图2是本发明中的信号波峰值示意图一；
图3是本发明中的信号波峰值示意图二。
具体实施方式
本发明包括以下步骤：
A.对EVT输出的交流电压电信号进行电磁兼容防护、调幅及输入阻抗调整后再通过隔离运放输入端输入到隔离运放；
B.经隔离运放输出单端信号至处理器AD转换；
C.完成采样。
在步骤A中，所述电磁兼容防护采用EMC防护器件，在电压采集回路的输入端完成EMC干扰防护。
在步骤A中，采用通用运放调幅并调整输入阻抗，将不同规格EVT输出电压值调幅至隔离运放合理输入电压范围内。
在步骤B中，隔离运放选用1:1的增益，并使用1.5V的基准参考电压，将交流信号引入直流偏执，整个交流信号波形抬高成直流信号，再通过RC低通滤波，接入单片机内部ADC，完成交流电压小信号的采集。
所述隔离运放中的隔离运放初级电源轨和隔离运放次级电源轨使用DC/DC隔离电源供电。
所述EMC干扰防护包括浪涌防护、静电防护、电快速瞬变脉冲群防护。
图1中标号为(1)的框内的内容是EMC防护电路，图1中标号为(2)的框内的内容是调幅及输入电路，其中EMC防护电路完成输入信号EMC防护，调幅及输入电路的电路完成调幅和输入阻抗调整。
图1中标号为(3)的框内的内容是电压采集隔离电路，用以完成输入隔离及采样。
具体实现方法：
如图1所示，根据国家标准GB/T 20840.7-2007规定，EVT输出工频交流电压Us为1.625V、2V、3.25V、4V、6.5V；或者其他标准规定EVT额定输出1V。
图1中EMC防护电路中压敏电阻MOV1，电阻R7、R11，TVS管TVS1，组成EMC防护电路，防止浪涌、静电、电快速瞬变脉冲群等抗扰度干扰侵袭损坏后端电路中电子器件。
图1中EMC防护电路中，Us经过R7及R11电阻分压将Us1调整幅度至1V(如果EVT输出为1V，R11直接缺省)，完成信号幅值调整：
Figure BDA0004119400540000041
Figure DA00041194005449445902
考虑到EVT内阻，R7及R11选用时至少需要兆欧级。R7及R11的阻值视EVT输出电压选定。
Us1经过通用运放搭建的同相比例放大电路，完成幅值调整、输入阻抗调整。
根据运放“虚断”概念，运放反相端输入电压为：
Figure BDA0004119400540000043
根据运放“虚短”概念，运放同相端与反相端电压相等，即：
Figure BDA0004119400540000044
Figure BDA0004119400540000045
从而导出调幅增益为：
Figure BDA0004119400540000046
可以将R2缺省，R3取值0欧姆，同相比例放大电路优化为“电压跟随器”
调幅增益变为：
Figure BDA0004119400540000047
最终的输出电压Us2幅值大小，可以通过图1中的EMC防护电路中的R7及R11电阻分压增益与图1中调幅及输入电路同相比例放大电路增益相乘获得。由于图1中电压采集隔离电路中的隔离运放芯片输入电压范围要求，需要Us2的有效值限制在1V以内。
配置举例一：
EVT选型输出额定值1V，上述电路配置参数为：R11缺省，则有Us1＝Us；
R2缺省、R3取值0欧姆，则有Us2＝Us1＝Us＝1V。
配置举例二：
EVT选型输出额定值6.5V，上述电路配置参数为：R7取16M欧姆、R11取2M欧姆，则有
Figure BDA0004119400540000051
R2取51k欧姆，R3取值20k欧姆，则有
Figure BDA0004119400540000052
其他EVT输出额定值，具体灵活配置两级调幅参数，保证Us2的有效值限制在1V以内即可。
图1中电压采集隔离电路中选用纳芯微隔离运放NSi1312S-DSWVR，输入范围-1.2V到1.2V，最大-1.5到1.5V，初级和次级隔离电压5000V，固定增益1，单端输出，直流偏置电压可调。
Us2从隔离运放U1的INP引脚输入，从OUT引脚输出Us3，由于引入直流偏置，U1的REFIN引脚注入1.5V参考电压，根据芯片规格书可得：
Us3＝Us2+1.5V；
再经过R6及C9组成的RC低通滤波器，接入到微控制单元，即MCU，U5的片内模数转换器引脚，进行模数转换，完成整个采集过程。
注：Us2有效值限制在1V以内，峰值为
Figure BDA0004119400540000061
最大幅值在隔离运放芯片输入范围之内。
微控制单元，即MCU，一般3.3V供电，片内ADC采样幅值范围0到3.3V。所以输入MCU前，需要将交流正弦波信号波形的负半周抬高至0V以上，所以注入直流偏置。抬高1.5V后，信号波峰值最大为1.5V+1.414V＝2.914V，信号波谷值最小为1.5V-1.414V＝0.086V，如图2与图3所示。
信号幅值在0.086V至2.914V之间，符合MCU片内ADC采样幅值范围。
电源选用选用5V转±5V隔离电源G0505S，隔离电压6000V。
实现EVT的地(与GNDA连接)与采集系统的地(GND)隔离，提高采集系统的可靠性。
图1中GNDA实际与EVT的地共地，图1中GND为采集系统的地。
另隔离运放参考电压，可使用电压基准芯片、LDO等提供，本例使用LDO芯片AMS1117-1.5提供。

Claims (6)

1.一种交流电压小信号的隔离采样方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.对EVT输出的交流电压电信号进行电磁兼容防护、调幅及输入阻抗调整后再通过隔离运放输入端输入到隔离运放；
B.经隔离运放输出单端信号至处理器AD转换；
C.完成采样。
2.根据权利要求1所述的一种交流电压小信号的隔离采样方法，其特征在于：在步骤A中，所述电磁兼容防护采用EMC防护器件，在电压采集回路的输入端完成EMC干扰防护。
3.根据权利要求1所述的一种交流电压小信号的隔离采样方法，其特征在于：在步骤A中，采用通用运放调幅并调整输入阻抗，将不同规格EVT输出电压值调幅至隔离运放合理输入电压范围内。
4.根据权利要求1所述的一种交流电压小信号的隔离采样方法，其特征在于：在步骤B中，隔离运放选用1:1的增益，并使用1.5V的基准参考电压，将交流信号引入直流偏执，整个交流信号波形抬高成直流信号，再通过RC低通滤波，接入单片机内部ADC，完成交流电压小信号的采集。
5.根据权利要求1所述的一种交流电压小信号的隔离采样方法，其特征在于：所述隔离运放中的隔离运放初级电源轨和隔离运放次级电源轨使用DC/DC隔离电源供电。
6.根据权利要求2所述的一种交流电压小信号的隔离采样方法，其特征在于：所述EMC干扰防护包括浪涌防护、静电防护、电快速瞬变脉冲群防护。
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