CN207516434U - 低功耗雷电流峰值采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种低功耗雷电流峰值采集系统。本实用新型包括触发线圈、触发电路、波形采集电路、峰值保持电路、主控电路和供电电路。本实用新型能够将微秒级的交流脉冲电流波扩宽到毫秒级的单相电压波，不使用独立的高速AD芯片，使得普通单片机ADC口即可完成脉冲信号峰值的高精度采集。

Description

低功耗雷电流峰值采集系统

技术领域

本实用新型涉及雷电峰值采集技术领域，具体的说是一种低功耗雷电流峰值采集系统。

背景技术

目前，现有的雷电峰值采集技术分为两类：

1、使用高速AD将微秒级的电压信号实时转换为数字信号后由单片机进行读取，这样的技术要求单片机及高速AD芯片始终处于高速运行状态，功耗较大。

2、使用多个光耦芯片对一定范围内的峰值进行分档，这种方式误差很大。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种低功耗雷电流峰值采集系统。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种低功耗雷电流峰值采集系统，包括：

触发线圈，用于感应雷电流，当有脉冲电流从中心通过时，产生脉冲交流电压；

触发电路，连接所述触发线圈，用于将所述脉冲交流电压变换成毫秒级的高、低压转换的电平；

波形采集电路，用于感测雷电流，当有脉冲电流从中心通过时，产生微分电压信号，并将所述微分电压信号转换为与所述脉冲电流波形相同的交流电压信号；

峰值保持电路，连接所述波形采集电路，用于将所述波形采集电路输出的交流电压信号转变为峰值保持的单相正脉冲电压信号；

主控电路，连接所述触发电路和所述峰值保持电路，用于当所述触发电路输出高电平时，读取所述峰值保持电路输出的峰值保持的单相正脉冲电压信号并进行计算，得到雷电流的峰值；

供电电路，连接所述触发电路、峰值保持电路和主控电路，用于提供工作电压。

所述触发线圈为罗氏线圈。

所述触发电路包括：

整流电路，连接所述触发线圈，用于将所述脉冲交流电压转换为单相脉冲电压；

脉冲过电压防护电路，输入端连接所述整流电路，用于对隔离充放电电路进行过电压保护；

隔离充放电电路，输入端连接所述脉冲过电压防护电路，用于根据所述单相脉冲电压输出毫秒级的高低电平信号。

所述波形采集电路包括：

采集线圈，用于感测雷电流，当有脉冲电流从中心通过时，产生微分电压信号；

无源积分电路，连接所述采集线圈，用于将所述微分电压信号转换为与所述脉冲电流波形相同的交流电压信号。

所述采集线圈为罗氏线圈。

所述交流电压信号的电压波峰值不高于5V。

所述峰值保持电路包括：

跟随电路，连接波形采集电路，用于对所述波形采集电路输出的交流电压信号进行一次电压跟随；

有源整流电路，输入端连接所述跟随电路，用于将所述一次电压跟随后的交流电压信号转换为单向正脉冲电压信号；

保持电路，输入端连接所述有源整流电路，用于将所述单向正脉冲电压信号转换为峰值保持的单向正脉冲电压信号后输出。

所述主控电路包括：

单片机，连接所述触发电路和所述峰值保持电路，用于当所述触发电路输出高电平时，读取所述峰值保持电路输出的交流电压信号并进行计算，得到雷电流的峰值；

外部晶振，连接所述单片机，用于为所述单片机的运行提供基准时序。

本实用新型具有以下优点及有益效果：

1、本实用新型能够将微秒级的交流脉冲电流波扩宽到毫秒级的单相电压波，不使用独立的高速AD芯片，使得普通单片机ADC口即可完成脉冲信号峰值的高精度采集。

2、本实用新型的单片机平时处于休眠状态，只有在接收到触发信号时才唤醒，同时触发电路和波形采集电路采用低功耗设计，使得该技术耗电量非常低，使用低功率光伏板即可提供足够电量维持运行。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构图；

图2为本实用新型的触发线圈和触发电路的原理图；

图3为本实用新型的波形采集电路的原理图；

图4为本实用新型的峰值保持电路的原理图；

图5为本实用新型的主控电路的原理图；

图6为本实用新型的供电电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，低功耗雷电流峰值采集系统，包括：触发线圈，用于感应雷电流，当有脉冲电流从中心通过时，产生脉冲交流电压；触发电路，连接所述触发线圈，用于将所述脉冲交流电压变换成毫秒级的高、低压转换的电平；波形采集电路，用于感测雷电流，当有脉冲电流从中心通过时，产生微分电压信号，并将所述微分电压信号转换为与所述脉冲电流波形相同的交流电压信号；峰值保持电路，连接所述波形采集电路，用于将所述波形采集电路输出的交流电压信号转变为峰值保持的单相正脉冲电压信号；主控电路，连接所述触发电路和所述峰值保持电路，用于当所述触发电路输出高电平时，读取所述峰值保持电路输出的峰值保持的单相正脉冲电压信号并进行计算，得到雷电流的峰值；供电电路，连接所述触发电路、峰值保持电路和主控电路，用于提供工作电压。峰值保持电路输出的峰值保持的单相正脉冲电压信号的电压值与雷电流的峰值之间存在一定的比例关系，单片机读取到峰值保持的单相正脉冲电压信号后，通过标准的计算公式即可得到雷电流的峰值，所述比例关系的比例系数是固定的。

单片机在无雷击时处于休眠状态，当连接触发电路输出的中断口出现信号后，唤醒单片机并读取与峰值保持电路相连的ADC口数据进行计算，计算完成后将该值存储或输出。

图2为本实用新型的触发线圈和触发电路的原理图。触发电路包括：整流电路，连接所述触发线圈，用于将所述脉冲交流电压转换为单相脉冲电压；脉冲过电压防护电路，输入端连接所述整流电路，用于对隔离充放电电路进行过电压保护；隔离充放电电路，输入端连接所述脉冲过电压防护电路，用于根据所述单相脉冲电压输出毫秒级的高低电平信号。触发线圈用于感应雷电流，雷电流到来时在电磁感应作用下会在线圈上产生一个感应电压，该电压通过触发电路后连接单片机，作为单片机开始记录数据的一个起始信号。触发线圈由罗氏线圈L2组成，与波形采集电路的罗氏线圈L3使用同样工艺进行制作，并与L3封装在同一个外壳中，用于将穿过罗氏线圈L2内芯的电流信号转换为微分后的交流电压信号，即脉冲交流电压。触发线圈工作原理是：当有一个脉冲电流从触发线圈中心通过时，在电磁感应作用下便会在触发线圈两端产生一个微分后的交流电压波形，即脉冲交流电压。所述脉冲交流电压为微妙级的脉冲交流电压。罗氏线圈又叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，输出信号是电流对时间的微分，通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。

触发电路包含由D1、D2、D3和D4四个高速二极管组成的整流电路，由TVS1、C9、R1、R2、TVS2组成的脉冲过电压防护电路，由U3、R3和C10组成的隔离充放电电路。触发电路将触发线圈传来的脉冲交流电压通过整流电路转变为正向电压信号，即单相脉冲电压；通过脉冲过电压防护电路后进入高速光耦U3；在光耦作用下，通过隔离充放电电路将一开始输入的微秒级电压信号转换为毫秒级的高低电平信号。触发电路工作原理是：由触发线圈传来的脉冲交流电压经过整流电路后变为单相脉冲电压，由脉冲过电压防护电路防止过高电压脉冲对后续电路影响，单向脉冲电压最终进入光耦的1、2脚，在一定电压作用下，光耦的3、4脚由原先近似断路状态变换为接近短路状态。R3和C10组成的电路在光耦3、4脚近似断路状态时，触发信号输出口会体现出一个高电平；当3、4脚近似短路时，触发信号输出口会体现出一个低电平。高电平转换为低电平的时间由光耦3、4脚短路状态时的内阻和C10电容量决定；而低电平转换为高电平的时间则由电阻R3和C10电容量决定。配合良好时便可将一个微秒级的瞬态脉冲电压波变换成毫秒级的可被数字芯片识别的高低电平信号。

图3为本实用新型的波形采集电路的原理图。波形采集电路包括：采集线圈，用于感测雷电流，当有脉冲电流从中心通过时，产生微分电压信号；无源积分电路，连接所述采集线圈，用于将所述微分电压信号转换为与所述脉冲电流波形相同的交流电压信号。波形采集电路包括采集线圈L3和无源积分电路R4、R5、C11，用于将穿过采集线圈L3内芯的电流信号转换为同等波形峰值5V以内的交流电压信号。所述采集线圈为罗氏线圈。波形采集电路的原理是：依照罗氏线圈绕制方法制作的罗氏线圈L3可将穿过线圈内芯的电流信号转换为微分电压信号，再通过由R4、R5和C11组成的无源积分电路便可将微分电压信号还原成与电流波相同波形的电压信号，电压波峰值不高于5V。

图4为本实用新型的峰值保持电路的原理图。峰值保持电路包括：跟随电路，连接波形采集电路，用于对所述波形采集电路输出的交流电压信号进行一次电压跟随；有源整流电路，输入端连接所述跟随电路，用于将所述一次电压跟随后的交流电压信号转换为单向正脉冲电压信号；保持电路，输入端连接所述有源整流电路，用于将所述单向正脉冲电压信号转换为峰值保持的单向正脉冲电压信号后输出。峰值保持电路包括由R6、U4组成的跟随电路，由R7、R8、R9、R10、R11、D5、D6和U5组成的有源整流电路，由R12、R13、D7、D8、R14、U6和U7组成的保持电路。峰值保持电路将波形采集电路传回的交流电压信号通过跟随电路进行一次电压跟随，通过有源整流电路将所述一次电压跟随后的交流电压信号转换为单向正脉冲电压信号，再通过保持电路将单向正脉冲电压信号的峰值保持一定的时间后输出。

峰值保持电路的原理是：波形采集电路传来的交流脉冲电压波形信号通过一个电压跟随电路对信号进行增强，增强后的信号进入有源整流电路，通过D5、D6二极管对输入U5第二个运放端口的信号进行调整，最终将所述波形采集电路传回的交流脉冲电压信号转变为单相正脉冲电压信号。这个单相正脉冲电压信号最终进入保持电路，该电路中的U6和U7两个运放均工作在电压跟随状态，通过U6输出端波形与输入端一致，通过D8后对C12进行充电，充电峰值与脉冲电压峰值一致，充电后的C12在D8反向阻止的作用下只有通过R14和U7运放的输入端内阻进行能量泄放，由于运放输入内阻很大，因此由原先的脉冲电压波转变成了一个上升沿与脉冲电压波一致，下降沿却十分缓慢的波形，下降速率与C12电容量、R14阻值以及U7输入内阻成线性关系的波形，该波形通过U7后输出一个一样的波形，这个波形的时间长度可达到数秒，普通单片机ADC口即可对该信号进行读取。

图5为本实用新型的主控电路的原理图。主控电路包括：单片机，连接所述触发电路和所述峰值保持电路，用于当所述触发电路输出高电平时，读取所述峰值保持电路输出的交流电压信号并进行计算，得到雷电流的峰值；外部晶振，连接所述单片机，用于为所述单片机的运行提供基准时序。主控电路核心为U8单片机，本实施例中采用ATMEGA64L，Y1、C13和C14组成外部晶振，为单片机运行提供基准时序。主控电路的原理是：无雷击时处于休眠状态，当连接触发电路输出的中断口出现信号后，唤醒单片机并读取与峰值保持电路相连的ADC口数据进行计算，计算完成后将该值存储或输出。

图6为本实用新型的供电电路的原理图。供电电路输入为6-9V的直流电，通过C4、C5、L1、U2、C8、C6、C7组成的电压导相电路将输入的6-9V直流电转换为负向的6-9V直流电，通过C1、U1、C2和C3组成的DC/DC降压电路将6-9V直流电转换为3.3V的直流电。供电电路原理是：通过电压导相电路将输入的6-9V直流电转换为负向的6-9V直流电，通过DC/DC降压电路将6-9V直流电转换为3.3V的直流电，最终由6-9V直流电、负向6-9V直流电和3.3V直流电这三种规格的直流电为本实用新型中的各种电路、器件提供电源。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种低功耗雷电流峰值采集系统，其特征在于，包括：

触发线圈，用于感应雷电流，当有脉冲电流从中心通过时，产生脉冲交流电压；

触发电路，连接所述触发线圈，用于将所述脉冲交流电压变换成毫秒级的高、低压转换的电平；

波形采集电路，用于感测雷电流，当有脉冲电流从中心通过时，产生微分电压信号，并将所述微分电压信号转换为与所述脉冲电流波形相同的交流电压信号；

峰值保持电路，连接所述波形采集电路，用于将所述波形采集电路输出的交流电压信号转变为峰值保持的单相正脉冲电压信号；

主控电路，连接所述触发电路和所述峰值保持电路，用于当所述触发电路输出高电平时，读取所述峰值保持电路输出的峰值保持的单相正脉冲电压信号并进行计算，得到雷电流的峰值；

供电电路，连接所述触发电路、峰值保持电路和主控电路，用于提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的低功耗雷电流峰值采集系统，其特征在于，所述触发线圈为罗氏线圈。

3.根据权利要求1所述的低功耗雷电流峰值采集系统，其特征在于，所述触发电路包括：

整流电路，连接所述触发线圈，用于将所述脉冲交流电压转换为单相脉冲电压；

脉冲过电压防护电路，输入端连接所述整流电路，用于对隔离充放电电路进行过电压保护；

隔离充放电电路，输入端连接所述脉冲过电压防护电路，用于根据所述单相脉冲电压输出毫秒级的高低电平信号。

4.根据权利要求1所述的低功耗雷电流峰值采集系统，其特征在于，所述波形采集电路包括：

采集线圈，用于感测雷电流，当有脉冲电流从中心通过时，产生微分电压信号；

无源积分电路，连接所述采集线圈，用于将所述微分电压信号转换为与所述脉冲电流波形相同的交流电压信号。

5.根据权利要求4所述的低功耗雷电流峰值采集系统，其特征在于，所述采集线圈为罗氏线圈。

6.根据权利要求4所述的低功耗雷电流峰值采集系统，其特征在于，所述交流电压信号的电压波峰值不高于5V。

7.根据权利要求1所述的低功耗雷电流峰值采集系统，其特征在于，所述峰值保持电路包括：

跟随电路，连接波形采集电路，用于对所述波形采集电路输出的交流电压信号进行一次电压跟随；

有源整流电路，输入端连接所述跟随电路，用于将所述一次电压跟随后的交流电压信号转换为单向正脉冲电压信号；

保持电路，输入端连接所述有源整流电路，用于将所述单向正脉冲电压信号转换为峰值保持的单向正脉冲电压信号后输出。

8.根据权利要求1所述的低功耗雷电流峰值采集系统，其特征在于，所述主控电路包括：

单片机，连接所述触发电路和所述峰值保持电路，用于当所述触发电路输出高电平时，读取所述峰值保持电路输出的交流电压信号并进行计算，得到雷电流的峰值；

外部晶振，连接所述单片机，用于为所述单片机的运行提供基准时序。