CN209979708U - 一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，包括依次电连接的滤波电路、压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器，所述压控带宽增益放大电路具体为带宽直流耦合线性放大器。本实用新型采用带宽直流耦合线性放大器实现量程自动转换；在控制电压的作用下，带宽直流耦合线性放大器可以提供精确的增益，同时采用差分输入可以有效的抑制共模信号，其电路简单调试容易，设计灵活性强，降低电路功耗，提高ADC信号采集的精密度和灵敏度。由滤波电路、压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器组成的自动化量程的钳形仪表的信号调理电路体积小，易集成，处理速度快，性价比高。

Description

一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路

技术领域

本实用新型涉及钳形仪表领域，具体涉及一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路。

背景技术

钳形仪表是由电流互感器和电流表组合而成，它是建立在电流互感器工作原理的基础上，当握紧钳形仪表的扳手时，电流互感器的铁芯可以张开，被测电流的导线进入钳口内部作为电流互感器一次绕组；当放松扳手，铁芯闭合后，根据互感器的原理，二次绕组产生感应电流，由ADC将模拟信号转变成数字信号，显示在钳形仪表显示屏上。因为电流互感器输出的是相当小的电流的变化，同时由于电流互感器输出的信号往往都存在温漂、非线性，信号不是规则的正弦波，范围变化大等问题，ADC不能直接将其输出的模拟信号转变为数字信号，所以就需要较高宽度的频带、电压增益灵活的信号调理电路对信号进行放大、滤波、抬高电平等处理，提高信号的稳定性。现有的钳形仪表采用电阻、电容、二极管、三极管等离散原件构成的信号调理电路对信号进行处理，调试比较麻烦，且电路复杂；传统自动量程切换通常采用继电器切换，体积大，驱动电流大，动作慢，容易老化。市面上有信号调理器出售，但体积较大，不易集成，而且价格偏高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其体积较小，易集成，性价比高。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，包括依次电连接的滤波电路、压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器，所述压控带宽增益放大电路具体为带宽直流耦合线性放大器VCA820。

本实用新型的有益效果是：本实用新型一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路采用带宽直流耦合线性放大器VCA820实现量程自动转换，避免使用继电器切换，解决了体积大的问题；另外，在控制电压的作用下，带宽直流耦合线性放大器VCA820可以提供精确的增益，同时采用差分输入可以有效的抑制共模信号，其电路简单调试容易，设计灵活性强，降低电路功耗，提高ADC信号采集的精密度和灵敏度。滤波电路可以滤去干扰信号，电压随器和电平提升电路可以有效的对信号进行缓冲和电平提升，更好地对信号进行处理，同时也保护了后级电路；同时，由滤波电路、压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器组成的自动化量程的钳形仪表的信号调理电路体积小，易集成，处理速度快，性价比高。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路，所述低通滤波电路、高通滤波电路、压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器依次电连接。

进一步，所述低通滤波电路具体为，由两个二阶RC有源压控电压源低通滤波电路串联构成的四阶低通压控电压源RC滤波电路。

进一步，所述二阶RC有源压控电压源低通滤波电路由二阶RC低通滤波电路和同相比例运算放大器电连接组成。

进一步，所述高通滤波电路具体为，由两个二阶RC有源压控电压源高通滤波电路串联构成的四阶高通压控电压源RC滤波电路。

进一步，所述二阶RC有源压控电压源高通滤波电路由二阶RC高通滤波电路和同相比例运算放大器电连接组成。

采用上述进一步方案的有益效果是：四阶低通压控电压源RC滤波电路和四阶高通压控电压源RC滤波电路，构成的带通滤波，可以更好地去除干扰信号。

进一步，所述电平提升电路具体为放大倍数为1的同相比例运算放大电平提升电路。

进一步，所述电平提升电路包括LM358集成运放A1，所述LM358集成运放A1的输入负极端通过电阻R1接地，所述LM358集成运放A1的输入负极端还通过电阻R2连接在所述LM358集成运放A1的输出端上；所述LM358集成运放A1的输入正极端通过电阻R4连接在可变电阻RP1的滑动端上，所述可变电阻RP1的一个固定端连接有电源VCC。

进一步，所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的VEE端与所述可变电阻RP1的另一个固定端电连接，所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的VEE端还通过电容C2接地，所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的VEE端还通过电容C3接地；所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的输出端连接在单排插针MHDR1X2的一个插槽中，所述LM358集成运放A1的输入正极端通过电阻R3连接在所述单排插针MHDR1X2的另一个插槽中；所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的电源端连接在所述电源VCC。

进一步，所述电压跟随器包括LM358集成运放A2，所述LM358集成运放A2的输入正极端连接在所述LM358集成运放A1的输出端上，所述LM358集成运放A2的输入负极端连接在所述LM358集成运放A2的输出端上，所述LM358集成运放A2的输出端上还串联有电阻R5，所述LM358集成运放A2的电源端连接在所述电源VCC上，所述电源VCC还通过电容C1接地，所述LM358集成运放A2的接地端接地。

附图说明

图1为本实用新型一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路的结构框图；

图2为本实用新型一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路的具体结构框图；

图3为四阶低通压控电压源RC滤波电路的具体电路图；

图4为四阶高通压控电压源RC滤波电路的具体电路图；

图5为压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器的集成电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，包括依次电连接的滤波电路、压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器，所述压控带宽增益放大电路具体为带宽直流耦合线性放大器VCA820。

在本具体实施例中：

如图2所示，所述滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路，所述低通滤波电路、高通滤波电路、压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器依次电连接。

所述低通滤波电路具体为，由两个二阶RC有源压控电压源低通滤波电路串联构成的四阶低通压控电压源RC滤波电路。其中，所述二阶RC有源压控电压源低通滤波电路由二阶RC低通滤波电路和同相比例运算放大器电连接组成。

所述四阶低通压控电压源RC滤波电路的具体结构如图3所示，所述四阶低通压控电压源RC滤波电路可分为两部分，第一部分由电阻R6、电容C4、电阻R7和电容C5构成的二阶RC低通滤波电路与±5V供电的LM358集成运放A3、电阻R8和电阻R9构成的同相比例运算放大器组成二阶RC有源压控压型低通滤波电路，此同相比例运算放大器的放大倍数

由电阻参数可知其放大倍数约为1.9；第二部分由电阻R10、电容C6、电阻R11和电容C7构成的二阶RC低通滤波电路与±5V供电的LM358集成运放A4、电阻R12和电阻R13构成的同相比例运算放大电路组成二阶RC有源压控电压源低通滤波电路，此同相比例运算放大器的放大倍数由电阻参数可知其放大倍数约为1.9。

所述四阶低通压控电压源RC滤波电路的特点是只允许低于截止频率的信号通过，截止频率通过计算可知，通过该公式计算得出第一部分的一阶滤波电阻R6和电容C4的截止频率为663.5Hz，二阶电阻R7和电容C5的截止频率为1686.8Hz，因此第一部分的截止频率为1686.8Hz。第二部分的一阶滤波电阻R10和电容C6的截止频率为1951.4Hz，二阶滤波电阻R11和电容C7的截止频率为559.1Hz，因此第二部分的截止频率为1951.4Hz。由于信号通过第一部分的截止频率小于第二部分的截止频率，所以该四阶低通压控电压源RC滤波电路的截止频率为1686.8Hz。

在所述四阶低通压控电压源RC滤波电路中，电阻R9和R13是运放的负反馈电阻，电阻R8和电阻R12是运放的平衡电阻；四阶低通压控电压源RC滤波电路中的所有电阻均采用0805封装；电容C8和电容C9采用0805封装，在电路中起到抑制高频自激的作用；电容C4、电容C5、电容C6和电容C7采用0603封装；LM358集成运放A3和LM358集成运放A4均采用SOP8封装。

所述高通滤波电路具体为，由两个二阶RC有源压控电压源高通滤波电路串联构成的四阶高通压控电压源RC滤波电路。其中，所述二阶RC有源压控电压源高通滤波电路由二阶RC高通滤波电路和同相比例运算放大器电连接组成。

所述四阶高通压控电压源RC滤波电路的具体结构如图4所示，四阶高通压控电压源RC滤波电路可分为两部分，第一部分是由电容C10、电阻R14、电阻R15、电容C11和电阻R16构成的二阶RC高通滤波电路与±5V供电的LM348集成运放A5、电阻R17和电阻R18构成的同相比例运算放大器组成的二阶RC有源压控电压源高通滤波电路，此同相比例运算放大器的放大倍数

由电阻参数可知其放大倍数为2；第二部分是由电容C12、电阻R19、电容C13和电阻R20构成的二阶RC高通滤波电路和与LM358集成运放A6、电阻R21和电阻R22构成同相比例运算放大器组成的二阶RC有源压控压型高通滤波电路,此同相比例运算放大器的放大倍数

由电阻参数可知其放大倍数为2。

所述四阶高通压控电压源RC滤波电路的特点是只允许高于截止频率的信号通过,截止频率通过

计算可知，通过该公式计算得出第一部分的一阶滤波电容C10、电阻R14和电阻R15的截止频率为137.5Hz，二阶滤波电容C11和电阻R16的截止频率为19.3Hz，因此第一部分的截止频率为137.5Hz。第二部分的一阶滤波电容C12和电阻R19的截止频率为53Hz，二阶滤波电容C13和电阻R20的截止频率为48.3Hz，因此第二部分的截止频率为48.3Hz。由于信号通过第二部分的截止频率大于第一部分的截止频率，所以该四阶高通压控电压源RC滤波电路的截止频率为48.3Hz。

在所述四阶高通压控电压源RC滤波电路中，电阻R18和电阻R22是运放的负反馈电阻，电阻R17和电阻R21是运放的平衡电阻；所述四阶高通压控电压源RC滤波电路中所有电阻均采用0805封装；电容C14和电容C15采用0805封装，在电路中起到抑制高频自激的作用；电容C10、电容C11、电容C12和电容C13采用0603封装；LM348集成运放A5和LM348集成运放A6采用SOP8封装。

所述电平提升电路具体为放大倍数为1的同相比例运算放大电平提升电路。在本具体实施例中，压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器集成的电路结构如图5所示，所述电平提升电路包括LM358集成运放A1，所述LM358集成运放A1的输入负极端通过电阻R1接地，所述LM358集成运放A1的输入负极端还通过电阻R2连接在所述LM358集成运放A1的输出端上；所述LM358集成运放A1的输入正极端通过电阻R4连接在可变电阻RP1的滑动端上，所述可变电阻RP1的一个固定端连接有电源VCC。所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的VEE端与所述可变电阻RP1的另一个固定端电连接，所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的VEE端还通过电容C2接地，所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的VEE端还通过电容C3接地；所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的输出端连接在单排插针MHDR1X2的一个插槽中，所述LM358集成运放A1的输入正极端通过电阻R3连接在所述单排插针MHDR1X2的另一个插槽中；所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的电源端连接在所述电源VCC。所述电压跟随器包括LM358集成运放A2，所述LM358集成运放A2的输入正极端连接在所述LM358集成运放A1的输出端上，所述LM358集成运放A2的输入负极端连接在所述LM358集成运放A2的输出端上，所述LM358集成运放A2的输出端上还串联有电阻R5，所述LM358集成运放A2的电源端连接在所述电源VCC上，所述电源VCC还通过电容C1接地，所述LM358集成运放A2的接地端接地。

在压控带宽增益放大电路中，带宽直流耦合线性放大器VCA820作为核心放大器件，采用双端差分输入，有效的抑制了共模信号，减少电路的能损耗；增益控制一般通过设置增益电阻和反馈电阻调节，最大可到达40dB不失真，而且可以达到150MHz的小信号带宽，在控制电压的作用下，该器件可以精确提供增益，按

线性变化，基本增益为其中VG是控制电压输入，电压基本增益为(v/v),通过单片机控制调节VG可实现对数增益的调节，增益变化范围为1～40。

电平提升电路通过可调电阻RP1可调节输入信号的正负，当压控带宽增益放大电路的输入到电平提升电路中的信号为负压时，给信号一个Vpp，提高电平，使电压都为正。

电压跟随器可防止由于前级输出信号太大或者有负压存在，而造成的后级采集电路烧毁，它可以有效的将信号控制在0V～Vcc之间。

电阻R3和电阻R4作为输入保护电阻，电阻R5作为输出保护电阻,电阻R1作为平衡电阻，电阻R2和电阻Rf作为反馈电阻，电阻Rs作为输入分压电阻；在图5中，除电阻RP1采用VR-5封装外,其它电阻均采用0805封装；电容C1、电容C2和电容C3为0805封装的电源滤波电容，可抑制高频自激，减少干扰。

在本实用新型中，钳形仪表内部的电流互感器将检测到的微弱信号传输给滤波电路，因为干扰信号的幅度相对较大，所以必须进行滤波处理，将不需要的噪声干扰信号抑制掉，用以增加测量系统的噪声比，而由集成运算放大器和RC网络共同组成的带通滤波电路有较好的选择性、带负载能力强的特点。经过带通滤波之后，被测量信号的干扰得到了大大的削弱，但是幅值较小，所以采用具有增益、高阻抗的带宽直流耦合线性放大器VCA820构成压控增益放大电路来实现信号的放大，理想情况下电路增益可达60dB。因为信号中可能有负压的存在，无法进行采集，所以加了一个电平提升电路，使其信号为正；最后使用电压跟随器，对信号的幅度进行限制，以免信号幅度过大，烧毁后级ADC信号转换电路，经过ADC采集、转换之后，信号在钳形仪表的显示屏上显示出数值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：包括依次电连接的滤波电路、压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器，所述压控带宽增益放大电路具体为带宽直流耦合线性放大器VCA820。

2.根据权利要求1所述的一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：所述滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路，所述低通滤波电路、高通滤波电路、压控带宽增益放大电路、电平提升电路和电压跟随器依次电连接。

3.根据权利要求2所述的一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：所述低通滤波电路具体为，由两个二阶RC有源压控电压源低通滤波电路串联构成的四阶低通压控电压源RC滤波电路。

4.根据权利要求3所述的一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：所述二阶RC有源压控电压源低通滤波电路由二阶RC低通滤波电路和同相比例运算放大器电连接组成。

5.根据权利要求2所述的一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：所述高通滤波电路具体为，由两个二阶RC有源压控电压源高通滤波电路串联构成的四阶高通压控电压源RC滤波电路。

6.根据权利要求5所述的一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：所述二阶RC有源压控电压源高通滤波电路由二阶RC高通滤波电路和同相比例运算放大器电连接组成。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：所述电平提升电路具体为放大倍数为1的同相比例运算放大电平提升电路。

8.根据权利要求7所述的一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：所述电平提升电路包括LM358集成运放A1，所述LM358集成运放A1的输入负极端通过电阻R1接地，所述LM358集成运放A1的输入负极端还通过电阻R2连接在所述LM358集成运放A1的输出端上；所述LM358集成运放A1的输入正极端通过电阻R4连接在可变电阻RP1的滑动端上，所述可变电阻RP1的一个固定端连接有电源VCC。

9.根据权利要求8所述的一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的VEE端与所述可变电阻RP1的另一个固定端电连接，所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的VEE端还通过电容C2接地，所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的VEE端还通过电容C3接地；所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的输出端连接在单排插针MHDR1X2的一个插槽中，所述LM358集成运放A1的输入正极端通过电阻R3连接在所述单排插针MHDR1X2的另一个插槽中；所述带宽直流耦合线性放大器VCA820的电源端连接在所述电源VCC。

10.根据权利要求8或9所述的一种自动化量程的钳形仪表的信号调理电路，其特征在于：所述电压跟随器包括LM358集成运放A2，所述LM358集成运放A2的输入正极端连接在所述LM358集成运放A1的输出端上，所述LM358集成运放A2的输入负极端连接在所述LM358集成运放A2的输出端上，所述LM358集成运放A2的输出端上还串联有电阻R5，所述LM358集成运放A2的电源端连接在所述电源VCC上，所述电源VCC还通过电容C1接地，所述LM358集成运放A2的接地端接地。

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