CN201637773U - 一种多路交流信号真有效值采集电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多路交流信号真有效值采集电路，包括信号变换模块、信号调理模块及单片机模块、多路选择模块，单片机模块为内带AD转换采集电路的单片机模块，多路交流信号输入给信号变换模块的输入端，信号变换模块的输出端与多路选择模块的输入端相连，多路选择模块的输出端与信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与单片机模块的输入端相连，单片机模块还与多路选择模块相连。本实用新型充分利用单片机的高速性能和内置高精度AD，结合软件计算RMS的方法，使得电路简洁，降低成本和功耗，同时具有自校正功能，整体提高交流信号真有效值的变换精度，可利用软件灵活地进行功率、功率因数、谐波等电参数的分析。

Description

一种多路交流信号真有效值采集电路

技术领域

本实用新型涉及一种交流信号采集电路，尤其涉及一种提高变换精度、使用灵活的多路交流信号真有效值采集电路。

背景技术

目前单片机（MCU）的交流信号采集，多数基于平均值检测或硬件真有效（TRMS）变换检测。平均值检测存在测量非正弦信号误差较大、测量小信号时漂移较大的问题，一般在纯正弦信号测量和特定条件下应用。而测量复杂波形的硬件真有效变换检测电路，多采用AD公司的AD536A、AD637、AD736等RMS/DC变换器件来专门对付复杂波形的“真实有效值”测量问题，其基本硬件原理图如图1所示，由信号变换模块1’、信号调理模块2’、TRMS变换模块3’、AD变换模块4’及单片机模块5’依次相连构成，交流信号输入与信号变换模块1’的输入端相连。硬件真有效变换检测电路的工作原理为：交流信号经过电阻分压或PT互感器降压得到系统可处理的信号，再经信号调理（滤波整形）后送至RMS/DC集成电路（如AD536A等）产生直流有效值电压信号，经AD转换后由单片机读取进行处理。因RMS/DC集成电路的外围阻容和信号会影响真有效值的转换精度，导致成本和功耗增加，进行后续处理的灵活性降低。

发明内容

本实用新型主要解决原有基于平均值检测的交流信号采集电路存在误差较大、漂移较大的技术问题，同时解决原有基于硬件真有效变换检测的交流信号采集电路存在真有效值的转换精度不够高，成本和功耗增加，后续处理的灵活性降低的技术问题；提供一种电路简洁，降低成本和功耗，具有自校正功能，提高真有效值的变换精度，便于后续灵活处理的多路交流信号真有效值采集电路。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括信号变换模块、信号调理模块及单片机模块，还包括多路选择模块，所述的单片机模块为内带AD转换采集电路的单片机模块，多路交流信号输入给所述的信号变换模块的输入端，信号变换模块的输出端与所述的多路选择模块的输入端相连，多路选择模块的输出端与所述的信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端与所述的单片机模块的输入端相连，单片机模块还与所述的多路选择模块相连。单片机模块内存储有采集电路的工作程序。三相交流电压电流信号经信号变换模块转变成有效值电压信号，分别送至多路选择模块的输入端，由单片机模块输出控制信号给多路选择模块选择一路输送给信号调理模块，调理后的信号输送给单片机模块的内部AD转换采集电路进行转换采集。单片机模块内部的有效值计算软件采用求均方根值的计算方法，计算基本过程是先平方再平均（积分）最后开方，计算式如下：

      

数据采集密度可选一个周期内时分采56个点或128点，点数多精度高。本实用新型充分利用单片机的高速性能和高精度AD，取消了传统的硬件TRMS变换模块，使得电路简洁，成本和功耗较低，提高真有效值的变换精度。特别是利用软件的灵活性，在后期数据处理中可方便地对功率、功率因数、谐波等电参数进行分析。

作为优选，所述的多路选择模块采用多路选择芯片U1，所述的单片机模块采用MCU芯片U2，多路选择芯片U1的1、2、4、5及12～15脚分别与所述的信号变换模块的输出端相连，U1的三个片选脚即第9～11脚分别与MCU芯片U2的P1.5、P1.6、P1.7脚相连，U1的2脚与U2的基准源即P1.2脚相连，U1的4脚、6脚均接地，U1的3脚与所述的信号调理模块的输入端相连。多路选择芯片U1的1、2、4、5及12-15脚接收经信号变换模块转变成的有效值电压信号，U1的9-11脚为片选脚，受MCU芯片U2的P1.5、P1.6、P1.7脚控制，选择输出一路信号给信号调理模块。多路选择芯片U1分别引入采样基准电压源和接地，将测得的误差存储起来，每次测量后与此值比较减除误差运算，可消除电路的漂移（温漂、零漂等）、增益变化、放大器失调引起的误差，使之具有自动校准功能，提高采集精度。

作为优选，所述的信号调理模块包括运放A1、A2和A3；运放A1的同相输入端与所述的多路选择芯片U1的3脚相连，其反相输入端与运放A1的输出端相连，运放A1的输出端经电阻R1接运放A3的同相输入端；运放A2的同相输入端与MCU芯片U2的基准源即P1.2脚相连，其反相输入端与运放A2的输出端相连，运放A2的输出端经电阻R2接运放A3的同相输入端；运放A3的反相输入端与运放A3的输出端相连，运放A3的输出端经电阻R3和电容C1的并联电路后接地，同时运放A3的输出端与MCU芯片U2的P1.0脚相连。多路选择芯片U1的3脚为信号输出脚，选中的一路信号通过3脚输送给运放A1的同相输入端，运放A1缓冲输出电压V1，MCU芯片U2内部产生的基准源经运放A2缓冲输出电压V2，电压V1和V2通过运放A3作加法运算，再经滤波输出电压V3，送入MCU芯片U2的内部AD转换采集电路进行转换采集。

本实用新型的有益效果是：本实用新型取消了传统的硬件TRMS变换模块，采用灵活的多路选择模块，充分利用单片机的高速性能和内置高精度AD，结合软件计算RMS的方法，使得电路简洁，降低成本和功耗，同时引入了对信号前级处理存在的电路漂移误差的自校正功能，整体提高交流信号真有效值的变换精度。特别是利用软件的灵活性，在后期数据处理中可方便地对功率、功率因数、谐波等电参数进行分析。

附图说明

图1是原有基于硬件真有效变换检测的交流信号采集电路的一种电路原理框图。

图2是本实用新型的一种电路原理框图。

图3是本实用新型的一种电路原理图。

图中1.信号变换模块，2.多路选择模块，3.信号调理模块，4.单片机模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的一种多路交流信号真有效值采集电路，如图2所示，包括信号变换模块1、多路选择模块2、信号调理模块3及内带AD转换采集电路的单片机模块4。多路交流信号输入给信号变换模块1的输入端，信号变换模块1的输出端与多路选择模块2的输入端相连，多路选择模块2的输出端与信号调理模块3的输入端相连，信号调理模块3的输出端与单片机模块4的输入端相连，单片机模块4又有输出信号与多路选择模块2相连，单片机模块内存储有采集电路的工作程序。

本实施例具体的电路图如图3所示，信号变换模块采用微型精密互感器PT1～3和CT1～3，互感器PT1～3的输入侧接三相交流电的电压信号，互感器CT1～3的输入侧接三相交流电的电流信号，互感器PT1～3、CT1～3的输出侧分别并联有电阻RU和电阻RI，互感器PT1～3的三路输出信号为Ua、Ub、Uc，互感器CT1～3的三路输出信号为Ia、Ib、Ic。多路选择模块2采用多路选择芯片U1，单片机模块4采用MCU芯片U2，信号调理模块3包括运放A1、A2和A3。多路选择芯片U1的13、14、15、12、1、5、2脚分别与信号Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic相连，U1的三个片选脚即第9～11脚分别与MCU芯片U2的P1.5、P1.6、P1.7脚相连，U1的2脚与U2的基准源即P1.2脚相连，U1的4脚、6脚均接地。U1的3脚与运放A1的同相输入端相连，运放A1的反相输入端与其输出端相连，运放A1的输出端经电阻R1接运放A3的同相输入端；运放A2的同相输入端与MCU芯片U2的基准源即P1.2脚相连，其反相输入端与运放A2的输出端相连，运放A2的输出端经电阻R2接运放A3的同相输入端；运放A3的反相输入端与运放A3的输出端相连，运放A3的输出端经电阻R3和电容C1的并联电路后接地，同时运放A3的输出端与MCU芯片U2的P1.0脚相连。本实施例中，多路选择芯片U1采用芯片CD4051，MCU芯片U2采用芯片C8051F410。

工作过程：三相交流电压电流信号经微型精密互感器变为0～1V（有效值）电压信号，分别送至多路选择开关芯片CD4051的X0～X5脚，由单片机C8051F410通过ABC三脚选择一路输送给运放A1，运放A1缓冲输出电压V1，单片机内部产生的基准源经运放A2缓冲输出电压V2，电压V1与V2通过运放A3作加法运算，再经RC滤波输出电压V3，送入单片机内部AD转换采集。

单片机内部的有效值计算软件采用求均方根值的计算方法，计算基本过程是先平方再平均（积分）最后开方，计算式如下：

      

数据采集密度可选一个周期内时分采56个点或128点，点数多精度高。

在电路中CD4051的X6和X7分别引入采样基准电压源和接地，将测得的误差存储起来，每次测量后与此值比较减除误差运算，可消除电路的漂移（温漂、零漂等）、增益变化、放大器失调引起的误差，实现自动校准功能，提高采集的精度。

本实用新型取消了传统的硬件TRMS变换模块，采用灵活的多路选择模块，充分利用单片机的高速性能和内置高精度AD，结合软件计算RMS的方法，使得电路简洁，降低成本和功耗，同时引入了对信号前级处理存在的电路漂移误差的自校正功能，整体提高交流信号真有效值的变换精度。特别是利用软件的灵活性，在后期数据处理中可方便地对功率、功率因数、谐波等电参数进行分析。

Claims (3)

1.一种多路交流信号真有效值采集电路，包括信号变换模块（1）、信号调理模块（3）及单片机模块（4），其特征在于还包括多路选择模块（2），所述的单片机模块（4）为内带AD转换采集电路的单片机模块，多路交流信号输入给所述的信号变换模块（1）的输入端，信号变换模块（1）的输出端与所述的多路选择模块（2）的输入端相连，多路选择模块（2）的输出端与所述的信号调理模块（3）的输入端相连，信号调理模块（3）的输出端与所述的单片机模块（4）的输入端相连，单片机模块（4）还与所述的多路选择模块（2）相连。

2.根据权利要求1所述的一种多路交流信号真有效值采集电路，其特征在于所述的多路选择模块（2）采用多路选择芯片U1，所述的单片机模块（4）采用MCU芯片U2，多路选择芯片U1的1、2、4、5及12～15脚分别与所述的信号变换模块（1）的输出端相连，U1的三个片选脚即第9～11脚分别与MCU芯片U2的P1.5、P1.6、P1.7脚相连，U1的2脚与U2的基准源即P1.2脚相连，U1的4脚、6脚均接地，U1的3脚与所述的信号调理模块（3）的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的一种多路交流信号真有效值采集电路，其特征在于所述的信号调理模块（3）包括运放A1、A2和A3；运放A1的同相输入端与所述的多路选择芯片U1的3脚相连，其反相输入端与运放A1的输出端相连，运放A1的输出端经电阻R1接运放A3的同相输入端；运放A2的同相输入端与MCU芯片U2的基准源即P1.2脚相连，其反相输入端与运放A2的输出端相连，运放A2的输出端经电阻R2接运放A3的同相输入端；运放A3的反相输入端与运放A3的输出端相连，运放A3的输出端经电阻R3和电容C1的并联电路后接地，同时运放A3的输出端与MCU芯片U2的P1.0脚相连。

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