CN210136272U - 隔离式交流电压频率检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种隔离式交流电压频率检测电路。包括有隔离电源电路、电压差分检测电路、零点比较电路、输出隔离电路。本实用新型解决了采用电压互感器或者变压器进行电压频率检测时存在的零点值不稳定、检测精度不高、频率响应范围窄的问题。本实用新型隔离式交流电压频率检测电路提高了检测精度、使得过零点检测更加稳定、检测灵敏度更高、频率响应带宽更宽。

Description

隔离式交流电压频率检测电路

技术领域

本实用新型涉及电源控制技术领域，尤其涉及一种隔离式交流电压频率检测电路。

背景技术

电压频率检测是判断交流电源质量的一项重要参数，电压频率的稳定性关系到负载的稳定性与安全性。同时电压频率的检测需要保证低压侧与高压侧的隔离，来确保低压控制回路不被高压侧电源干扰，使得低压控制回路能够正常稳定工作。直接耦合的电压频率测量方式测量精度较高，但是检测端与控制端共地耦合，会造成大量瞬态干扰作用在控制端，极易导致控制端失效，所以需要隔离的交流电压频率检测方案。

现有的测量方案中采用电压互感器或者变压器进行电压频率测量，通过线圈匝数的变比实现高压侧到低压侧的转换。但是由于互感器磁芯本身存在的磁滞效应，导致测量频率的范围受限。同时也是因为磁滞效应的存在，导致通过互感器测量时存在零点检测不稳定的情况，极大的干扰了频率的测量。所以采用电压互感器或者变压器进行电压频率测量的方案中检测精度、灵敏度、响应频率均受到限制。

发明内容

为了克服采用电压互感器或者变压器进行电压频率测量方案中的精度低、零点不稳定、灵敏度不高、响应频率带宽较窄的问题，本实用新型提供一种隔离式交流电压频率检测电路，解决了采用电压互感器或者变压器进行电压频率检测时存在的问题，提高了检测精度、使得过零点检测更加稳定、检测灵敏度更高、频率响应带宽更宽。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型所采用的技术方案为：

设计一种隔离式交流电压频率检测电路，它包括:

隔离电源电路，为本检测电路提供电源并具有输出端口VCC和GND；

系统电源，具有输出端口Vin+和Vin-，输出端口Vin+和Vin-与隔离电源电路的输入端连接；

电压差分检测电路,输入端与交流电压连接，并对交流电压信号进行差分放大后输出；

零点比较电路,输入端与电压差分检测电路的输出端连接，并对差分放大后的电压信号进行零点比较；

输出隔离电路,输入端与零点比较电路的输出端连接，输出隔离电路输出的输出端为本检测电路的频率输出端口。

所述隔离电源电路包括隔离电源U1、电容C1、电容C2，隔离电源U1的两个输入端分别与Vin+、Vin-连接，电容C1和电容C2并联后的一端与隔离电源U1的VCC连接，电容C1和电容C2并联后的另一端与隔离电源U1的GND连接，隔离电源U1的型号为B0505S-1W，输入电压Vin+与Vin-，输出电压VCC与GND，均为5V。

所述电压差分检测电路包括运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R9、电容C3、电容C5、电容C6、电容C7、稳压二极管D1；

运算放大器U2的型号为AD8628，其中，电阻R4与电阻R5串联后的输入端接交流输入非GND端，电阻R4与电阻R5串联后的输出端接运算放大器U4反相输入端；电阻R1与电容C3并联后一端接运算放大器U2的反相输入端，电阻R1与电容C3并联后的另一端接运算放大器U2的输出端，构成负反馈放大回路；

稳压二极管D1的阳极接运算放大器U2反相输入端，稳压二极管D1的阳极接GND，电阻R2一端接VCC，电阻R2的另一端接运算放大器U2的同相输入端；电阻R9一端接运算放大器U2同相输入端，另一端接GND；电容C7一端接运算放大器U2同相输入端，另一端接GND；

运算放大器U2的电源正极接VCC，运算放大器U2的电源负极接GND；电阻R6一端接运算放大器输出端，另一端作为电压差分放大电路的输出端，电容C6一端接电压差分放大电路的输出端，另一端接GND。

所述零点比较电路包括比较器U3、电阻R3、电阻R10、电容C4；所述比较器U3的型号为AD8628，

其中，电阻R3一端接VCC，另一端接比较器U3的反相输入端；电阻R3与电阻R10起到提供基准电压的作用。电容C8与电阻R10并联，电容C8与电阻R10并联后的一端与比较器U3的反向输入端连接，电容C8与电阻R10并联后的另一端接GND，起到旁路高频噪声的作用。电容C4一端接VCC，另一端接GND，起到为比较器U3去除高频电源噪声的作用。电压比较器U3的输出端作为零点比较电路的输出。

所述输出隔离电路包括高速光耦U4、电阻R7、电阻R8；高速光耦U4的型号为6N137，其中，电阻R7一端接零点比较电路的输出端，另一端接高速光耦U4内部二极管的阳极，起到限流保护的作用；高速光耦U4的内部二极管的阴极引出引脚接GND；

电阻R8一端接Vin+，另一端接高速光耦U4内部光电三极管集电极，起到电压上拉的作用；高速光耦U4使能端接Vin+，内部光电三极管发射极接Vin-。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型采用电阻直接耦合的测量方式，相比于采用电压互感器或者变压器进行电压频率测量的方式，提高了测量精度、使得过零点检测更加稳定、检测灵敏度更高、频率响应带宽更宽；同时与低压侧采用隔离电源与光速光耦隔离，保证了高压侧与低压侧可靠的隔离性能，抗干扰能力强。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

实施例1：一种隔离式交流电压频率检测电路，参见图1；它包括:

隔离电源电路，为本检测电路提供电源并具有输出端口VCC和GND；

系统电源，具有输出端口Vin+和Vin-，输出端口Vin+和Vin-与隔离电源电路的输入端连接；

电压差分检测电路,输入端与交流电压连接，并对交流电压信号进行差分放大后输出；

零点比较电路,输入端与电压差分检测电路的输出端连接，并对差分放大后的电压信号进行零点比较；

输出隔离电路,输入端与零点比较电路的输出端连接，输出隔离电路输出的输出端为本检测电路的频率输出端口。

具体来说，本实施中，所述隔离电源电路包括隔离电源U1、电容C1、电容C2，隔离电源U1的两个输入端分别与Vin+、Vin-连接，电容C1和电容C2并联后的一端与隔离电源U1的VCC连接，电容C1和电容C2并联后的另一端与隔离电源U1的GND连接，隔离电源U1的型号为B0505S-1W，输入电压Vin+与Vin-，输出电压VCC与GND，均为5V。电容C1与电容C2起到去除电源纹波的作用，电容C1与电容C2的典型值为100uF、0.1uF。

具体来说，本实施中，所述电压差分检测电路包括运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R9、电容C3、电容C5、电容C6、电容C7、稳压二极管D1。

进一步的，运算放大器U2的型号为AD8628，其中，电阻R4与电阻R5串联后的输入端接交流输入非GND端，电阻R4与电阻R5串联后的输出端接运算放大器U4反相输入端，其电阻R4与电阻R5典型值分别为1M欧、1M欧。

本实施中，电阻R1与电容C3并联后一端接运算放大器U2的反相输入端，电阻R1与电容C3并联后的另一端接运算放大器U2的输出端，构成负反馈放大回路，同时，电容C3与电阻R1并联，构成低通滤波器，电容C3可减小运算放大器电源谐波，其典型值为0.1uF。电阻R1的典型值为10K欧。

进一步的，稳压二极管D1的阳极接运算放大器U2反相输入端，稳压二极管D1的阳极接GND，为运算放大器U2输入端进行电压保护，防止瞬态电压击穿，型号为1N4733A。电阻R2一端接VCC，电阻R2的另一端接运算放大器U2的同相输入端；电阻R9一端接运算放大器U2同相输入端，另一端接GND，电阻R2与电阻R9串联，提供差分放大电路静态工作点与直流偏置，电阻R2与电阻R9的典型值分别为10K欧、10K欧。电容C7一端接运算放大器U2同相输入端，另一端接GND，电容C7与电阻R9并联，提供高频旁路，减小偏置干扰，电容C7的典型值为0.1uF。

进一步的，运算放大器U2的电源正极接VCC，运算放大器U2的电源负极接GND；电阻R6一端接运算放大器输出端，另一端作为电压差分放大电路的输出端，电容C6一端接电压差分放大电路的输出端，另一端接GND。电阻R7与电容C6构成低通滤波器，同时对运算放大器U2输出进行限流保护，电阻R7与电容C6的典型值分别为330欧、4.7nF。

具体来说，本实施中，所述零点比较电路包括比较器U3、电阻R3、电阻R10、电容C4；所述比较器U3的型号为AD8628，

其中，电阻R3一端接VCC，另一端接比较器U3的反相输入端；电阻R3与电阻R10起到提供基准电压的作用。电容C8与电阻R10并联，电容C8与电阻R10并联后的一端与比较器U3的反向输入端连接，电容C8与电阻R10并联后的另一端接GND，起到旁路高频噪声的作用。

电容C4一端接VCC，另一端接GND，电容C4并联在运算放大器U3供电引脚两端，较小运算放大器电源谐波，电容C4的典型值为0.1uF。

电压比较器U3的输出端作为零点比较电路的输出并输入到输出隔离电路中。

本电路中，电阻R3与电阻R10串联，中点接入比较器U3的反相输入端，为比较器U3提供比较用基准电压，电阻R3与电阻R10的典型值为10K欧与10K欧。电容C8与电阻R10并联，提供高频旁路，减小电源中噪声干扰，电容C8的典型值为0.1uF。

具体来说，本实施中，所述输出隔离电路包括高速光耦U4、电阻R7、电阻R8；高速光耦U4的型号为6N137，其中，电阻R7一端接零点比较电路的输出端，另一端接高速光耦U4内部二极管的阳极，起到限流保护的作用；高速光耦U4的内部二极管的阴极引出引脚接GND。

电阻R8一端接Vin+，另一端接高速光耦U4内部光电三极管集电极，起到电压上拉的作用；高速光耦U4使能端接Vin+，内部光电三极管发射极接Vin-。

本实施例中，上述输出隔离电路中的电阻R7为高速光耦U4内部提供限流保护，其典型值为330欧，电阻R8为高速光耦输出提供电源上拉，电阻R8的典型值为10K欧。

参见图1，本实用新型的工作原理如下：

输入交流电压的瞬时值大小记为电压U。电阻R4与电阻R8等值电阻对电源电压分压后，运算放大器U3的同相端输入电压Vref为：

电压U与参考电压Vref同时输入运算放大器U4构成的差分放大电路，获得输出电压Vout，其关系式为：

将上述关系展开获得：

电压比较器的基准电压为

结合Vout的与输入电压的关系可以得知：当输入电压为正时，输出数字信号为0；当输入电压为负时，输出数字信号为1。

故，当交流电压过零点时，输出信号产生上升沿或者下降沿，通过检测上升沿与下降沿之间的时间差，判断出交流电压的周期时间，从而得到交流电压实际的频率值。

也即，本电路中，电压差分检测电路对交流电压信号进行差分放大后传输到零点比较电路进行零点比较，在零点比较电路中，当交流电压过零点时，输出信号产生上升沿或者下降沿，通过检测上升沿与下降沿之间的时间差，判断出交流电压的周期时间，从而得到交流电压实际的频率值。零点比较电路的输出频率值通过输出隔离电路输出。

综上所述，本实用新型是一种具有隔离功能的交流电压频率检测电路，能保证较高的测量精度，同时具有较强的隔离能力，适合用于各种交流电压频率测量场合。测量交流电压频率精度较高、过零点检测稳定、检测灵敏度高、频率响应带宽更宽、抗干扰能力强。

本实用新型的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本实用新型的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本实用新型的精神，都在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种隔离式交流电压频率检测电路，其特征在于,它包括:

隔离电源电路，为本检测电路提供电源并具有输出端口VCC和GND；

系统电源，具有输出端口Vin+和Vin-，输出端口Vin+和Vin-与隔离电源电路的输入端连接；

电压差分检测电路,输入端与交流电压连接，并对交流电压信号进行差分放大后输出；

零点比较电路,输入端与电压差分检测电路的输出端连接，并对差分放大后的电压信号进行零点比较；

输出隔离电路,输入端与零点比较电路的输出端连接，输出隔离电路输出的输出端为本检测电路的频率输出端口。

2.如权利要求1所述的隔离式交流电压频率检测电路，其特征在于：所述隔离电源电路包括隔离电源U1、电容C1、电容C2，隔离电源U1的两个输入端分别与Vin+、Vin-连接，电容C1和电容C2并联后的一端与隔离电源U1的VCC连接，电容C1和电容C2并联后的另一端与隔离电源U1的GND连接。

3.如权利要求1所述的隔离式交流电压频率检测电路，其特征在于：所述电压差分检测电路包括运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R9、电容C3、电容C5、电容C6、电容C7、稳压二极管D1；

其中，电阻R4与电阻R5串联后的输入端接交流输入非GND端，电阻R4与电阻R5串联后的输出端接运算放大器U4反相输入端；电阻R1与电容C3并联后一端接运算放大器U2的反相输入端，电阻R1与电容C3并联后的另一端接运算放大器U2的输出端；

稳压二极管D1的阳极接运算放大器U2反相输入端，稳压二极管D1的阳极接GND，电阻R2一端接VCC，电阻R2的另一端接运算放大器U2的同相输入端；电阻R9一端接运算放大器U2同相输入端，另一端接GND；电容C7一端接运算放大器U2同相输入端，另一端接GND；

运算放大器U2的电源正极接VCC，运算放大器U2的电源负极接GND；电阻R6一端接运算放大器输出端，另一端作为电压差分放大电路的输出端，电容C6一端接电压差分放大电路的输出端，另一端接GND。

4.如权利要求1所述的隔离式交流电压频率检测电路，其特征在于：所述零点比较电路包括比较器U3、电阻R3、电阻R10、电容C4；

其中，电阻R3一端接VCC，另一端接比较器U3的反相输入端；电容C8与电阻R10并联，电容C8与电阻R10并联后的一端与比较器U3的反向输入端连接，电容C8与电阻R10并联后的另一端接GND，电容C4一端接VCC，另一端接GND，电压比较器U3的输出端作为零点比较电路的输出。

5.如权利要求1所述的隔离式交流电压频率检测电路，其特征在于：所述输出隔离电路包括高速光耦U4、电阻R7、电阻R8；其中，电阻R7一端接零点比较电路的输出端，另一端接高速光耦U4内部二极管的阳极；高速光耦U4的内部二极管的阴极引出引脚接GND；

电阻R8一端接Vin+，另一端接高速光耦U4内部光电三极管集电极，高速光耦U4使能端接Vin+，内部光电三极管发射极接Vin-。

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