CN203759090U - 轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种轨道交通牵引数据采集系统，更具体地涉及一种新型电流传感器采样电路。所述电流采样电路包括三运放拓扑结构的放大器模块，所述放大器模块包括顺次电连接的提供差分放大的前置放大器和消除共模电压的差动放大器。通过采用上述的具体技术方案。本实用新型提供了一种实现简单、测量效果好、精度高且不易受到干扰的电流采样电路。

Description

轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路

技术领域

本实用新型涉及一种轨道交通牵引数据采集系统，更具体地涉及一种新型电流传感器采样电路。

背景技术

在研究机车或者动车组的牵引性能的试验中，通过高精度电压和电流传感器测量电网端及牵引电机端的电压、电流信号。高精度传感器将高电压信号或者强电流信号转化为弱电的模拟信号，以方便后端采集设备的识别。

高精度电流传感器基于霍尔磁平衡（闭环）和霍尔直测式（开环）两种基本原理。原边电流IP产生的磁通被高品质磁芯聚集在磁路中，霍尔元件固定在很小的气隙中，对磁通进行线性检测，霍尔器件输出的霍尔电压经过特殊电路处理后，副边输出与原边波形一致的跟随输出电压，此电压能够精确反映原边电流的变化。但是一般机车使用的高精度电流传感器为了减少外部电磁干扰，传输更长的距离，将传感器副边的电压信号转化为电流信号进行传输。

在使用高精度电流传感器时，在负载终端串联高精度采样电阻将传感器输出的电流信号转化为数据采集设备能够识别的模拟电压信号，但是市场上的高精度采样电阻大多是几种固定的电阻值，有时不能得到期望的电压信号范围。另外采样电阻值需要和传感器输出信号进行匹配，特别地对于微小的电流信号，采样精度的提升就受到了限制。

通常的电流传感器转化电路，对空间的EMI干扰也缺乏相应的抑制，尤其空间中存在强射频信号和共模噪声时，会对采样波形和精度产生一定的影响。不能得到较好的测量结果。

实用新型内容

基于上述现有技术的缺陷，本实用新型提供一种实现简单、测量效果好、精度高且不易受到干扰的电流采样电路。为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案。

一种电流采样电路，其包括三运放拓扑结构的放大器模块，所述放大器模块包括顺次电连接的提供差分放大的前置放大器和消除共模电压的差动放大器。以基本实现排除干扰而对测量信号放大的基本功能。

进一步地，所述前置放大器模块包括作为精密电流反馈放大器的彼此连通的第一电路和第二电路。

更进一步地，所述第一电路和所述第二电路分别包括三极管以及连接在所述三极管的集电极和发射极的放大器元件和电阻。

另外，所述放大器模块还包括跨接在输入调节端的用于调节所述放大器模块的放大系数的电阻。

此外，优选地，所述电流采样电路还包括与所述放大器模块配合的外围的电阻采样电路、抗浪涌电路、抗射频干扰电路以及电压放大电路。

进一步地，所述抗浪涌电路包括正极和负极彼此连通的至少一组二极管，所述一组二极管包括两个瞬态二极管。

另外，所述电流采样电路还包括由芯片铁氧体磁珠、金属膜电阻、独石电容组成的低通滤波电路。

此外，所述电流采样电路还包括靠近各电源引脚的至少两个旁路贴片电容。

本实用新型提供了一种实现简单、测量效果好、精度高且不易受到干扰的电流采样电路。

附图说明

图1示出了本实用新型的电流采样电路的外围电路的连接结构框图；

图2示出了本实用新型的放大器模块的具体连接电路图；

图3示出了本实用新型的采样电路的具体连接电路图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种实现简单、测量效果好、精度高且不易受到干扰的电流采样电路。下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地说明。

本实用新型提供了一种电流采样电路，电流采样电路包括三运放拓扑结构的放大器模块，放大器模块包括顺次电连接的提供差分放大的前置放大器和消除共模电压的差动放大器。前置放大器模块包括精密电流反馈放大器的彼此连通的第一电路和第二电路。进一步地，第一电路和第二电路分别包括三极管以及连接在三极管的集电极和发射极的放大器元件和电阻。放大器模块还包括跨接在输入调节端的电阻。

另外，如图1所示，电流采样电路还包括配合外围的电阻采样电路、抗浪涌电路、抗射频干扰电路以及电压放大电路。其中，抗浪涌电路包括至少两个瞬态二极管。电流采样电路还包括由芯片铁氧体磁珠、金属膜电阻、独石电容组成的低通滤波电路。电流采样电路还包括靠近各电源引脚的至少两个旁路贴片电容。

具体来说，本实用新型的电流采样电路包括三运放拓扑结构的放大器模块，这种拓扑由两级组成：前面一级提供差分放大的前置放大器，其后是一个消除共模电压的差动放大器。图2是其简化的电路图。三极管Q1、放大器A1、电阻R1和三极管Q2、放大器A2、电阻R2可视作精密电流反馈放大器。输入晶体管Q1和Q2被偏置在固定的电流上，从而输入信号可迫使放大器A1和A2的输出电压随之而改变。施加在输入端上的差分信号被复制到电阻Rg两端。流过电阻Rg的电流同样也流过电阻R1和R2，经过放大的差分和共模信号输入到差动放大器，共模电压被抑制，而差分电压被保留。该差动放大器可实现极低的输出误差，如失调电压和漂移、不同负载下的失真以及输出噪声等。激光微调电阻可实现增益误差小于0.01%以及共模抑制比(CMRR)超过94dB(G=1)的高精度仪表放大器。

电流传感器输出的电流信号通过单位精密采样电阻（1Ω）转化为微小电压信号后，再通过传感器采样电路中芯片AD8421将该电压放大，从而可以设置数据采集设备所需的采样电压范围。放大倍数可以利用下面公式来计算：

V_QUT＝G×(V_+IN-V_-IN)+V_REF………………………………··式1

其中（G为放大倍数）；V_+IN为正输入引脚；为负输入引脚；V_REF为偏置电压。从式1可以看出，放大器模块的放大倍数可以通过调节跨接在输入调节端的电阻Rg来实现。

本实用新型增加抗射频干扰和抗共模电压电路，在有强射频信号的应用中，一般都存在射频整流问题。这种干扰可能会表现为直流失调电压或一系列脉冲。高频信号可以通过仪表放大器输入端的射频滤波器网络滤除电磁干扰，从而降低干扰带来的信号采集不准确度。

综上所述，本专利具有以下特点：电路简单实用，通过放大器模块运放的电压放大性能，扩大了输出电压的范围和精度，更好的适应后端数据采集设备；ESD（抗静电、浪涌）保护电路和的高共模抑制比可以有效的抑制串入的静电和浪涌带来的共模噪声；抗射频干扰电路增强抗射频干扰能力，从而降低了干扰带来的信号采集不准确度。

如图1所示，本专利采用最新的极低噪声、超低偏置电流的高速仪表放大器为核心，配合外围的精密电阻采样、抗浪涌电路、抗射频干扰电路以及电压放大组成了高精度传感器采样电路。可以将输出抑制为仅有输入电压噪声和电流噪声的信号，非常适用于测量极低电平信号。

精密电流传感器将大的电流信号转化为毫安级别的电流信号，同时起到电气隔离的作用，但是射频和共模干扰信号也会被带入其中。如图3所示：精密电阻R0将毫安级的传感器副边电流信号转化为毫伏的电压信号；D1-D4为TVS防浪涌电路，可以将电路中混入的瞬间浪涌、脉冲信号吸收；为获得低噪声和足够的滤波性能，电路使用芯片铁氧体磁珠L1和L2、金属膜电阻R1和R2、独石电容C1，C2，C3组成的低通滤波网络。铁氧体磁珠根据频率增加自身的阻抗，从而阻止射频干扰进入放大器，使目标信号不受影响；小阻值电阻R1、R2可避免在滤波器中使用大阻值电阻，从而降低系统折合到输入的噪声；C1、C2、C3与电阻R1、R2组成了滤波网络，C3影响差分信号，C1、C2影响共模信号，通常选取C3的值比C1、C2大一个数量级，可以降低不匹配的影响。为得到更好的共模抑制比，应将射频滤波器网络尽量靠近放大器放置。可确保滤波器之后的走线上不存在射频信号。根据放大倍数的需要，输入电阻Rg（1%精度的金属膜电阻），如下式：

$R_Q=\frac{9.9\mathrm{K\Ω}}{\mathrm{GI}1}$ ………………………………..式2

其中G为放大倍数。放大器模块内部集成ESD防护，可以在一定程度上较少静电的损坏。尽可能靠近各电源引脚放置C5、C6旁路贴片电容。较小的寄生电感会不会对旁路电容的低阻抗产生不利影响。

整个采样电路在实际应用中都取得了较好的效果，能够稳定的运行在机车电气间复杂的电磁环境。将采样的相对误差减少在万分之一以内。

本专利采用极低噪声、超低偏置电流的高速仪表放大器。具有极高的共模抑制比(CMRR)，它可以在宽温度范围内提取淹没在高频共模噪声中的低电平信号。特别适合机车电流传感器信号调理和数据采集应用。

通过采用上述的具体技术方案。本实用新型提供了一种实现简单、测量效果好、精度高且不易受到干扰的电流采样电路。

本实用新型的保护范围并不限于上述具体实施方式中说明的具体实施例，而是只要满足技术方案的组合就落入了本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路，其特征在于，所述电流采样电路包括三运放拓扑结构的放大器模块，所述放大器模块包括顺次电连接的提供差分放大的前置放大器和消除共模电压的差动放大器。

2.根据权利要求1所述的轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路，其特征在于，所述前置放大器模块包括作为精密电流反馈放大器的彼此连通的第一电路和第二电路。

3.根据权利要求2所述的轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路，其特征在于，所述第一电路和所述第二电路分别包括三极管以及连接在所述三极管的集电极和发射极的放大器元件和电阻。

4.根据权利要求2或3所述的轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路，其特征在于，所述放大器模块还包括跨接在输入调节端的用于调节所述放大器模块的放大系数的电阻。

5.根据权利要求1所述的轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路，其特征在于，所述电流采样电路还包括与所述放大器模块配合的外围的电阻采样电路、抗浪涌电路、抗射频干扰电路以及电压放大电路。

6.根据权利要求5所述的轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路，其特征在于，所述抗浪涌电路包括正极和负极彼此连通的至少一组二极管，所述一组二极管包括两个瞬态二极管。

7.根据权利要求5所述的轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路，其特征在于，所述电流采样电路还包括由芯片铁氧体磁珠、金属膜电阻、独石电容组成的低通滤波电路。

8.根据权利要求5所述的轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路，其特征在于，所述电流采样电路还包括靠近各电源引脚的至少两个旁路贴片电容。