CN220440698U - 交流采样电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种交流采样电路，包括：滤波整流模块和分压模块。滤波整流模块的输入端连接交流电源。滤波整流模块包括：串联的电感L1和二极管D1。分压模块的一端连接滤波整流模块的输出端，分压模块的另一端接地。分压模块包括：串联的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，且第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间设有连接控制芯片的模数转换端口的采样支路。其中，假定交流电源的频率为f，则{‑(R1+R2)/(2f*L1)}≤‑1*10⁶。上述交流采样电路，利用电感和二极管对交流信号进行滤波整流，同时通过限制分压电阻和电感的参数，得到可供控制芯片的模数转换端口直接采集的交流信号，结构简单，而且运算量少，无需不停地采样，达到降低设计成本的目的。

Description

交流采样电路

技术领域

本实用新型涉及采样电路技术领域，特别是涉及一种交流采样电路。

背景技术

在家用电器的设计中，为了实现电路的控制，经常需要对电压信号进行采样，采样到的电压信号反馈到控制芯片(MCU)。由于大多数家用电器都是需要接入外电网以获取电源的，所以这类家用电器的电路中都需要设置交流(AC)采样电路。

传统的交流采样电路无法直接通过常规的电阻分压电路(适用于直流采样)来实现采样，原因在于，对于交流电而言，如果采用常规的电阻分压，采集到的电压信号也是交流信号，而控制芯片的模数转换端口(ADC)只能采集到直流(DC)信号。因此，传统的交流采样电路在将交流采样信号输入控制芯片的模数转换口之前，需要通过叠加电压将信号变成脉动的直流信号，再通过运放放大后给到控制芯片的模数转换端口，并且需要通过运算的方式(不停地反复采样，通过各种算法确定最大值和最小值)去掉叠加的电压，从而得到一个有效值。在精度要求更高的情况下，甚至还要用到价格昂贵的电能管理芯片(IC)。

综合上述，亟需研发出一种结构简单的交流采样电路，可以减少运算量，不需要不停地采样，达到降低设计成本的目的。

实用新型内容

基于此，本实用新型提供一种交流采样电路，利用电感和二极管对交流信号进行滤波整流，同时通过限制分压电阻和电感的参数，得到可供控制芯片的模数转换端口直接采集的交流信号，结构简单，而且运算量少，无需不停地采样，达到降低设计成本的目的。

一种交流采样电路，包括：

滤波整流模块；滤波整流模块的输入端连接交流电源；滤波整流模块包括：串联的电感L1和二极管D1；以及

连接滤波整流模块的分压模块；分压模块的一端连接在滤波整流模块的输出端，分压模块的另一端接地；分压模块包括：串联的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，且第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间设有采样支路；采样支路连接控制芯片的模数转换端口；其中，假定交流电源的频率为f，则{-(R1+R2)/(2f*L1)}≤-1*10⁶。

上述交流采样电路，将RL电路与电阻分压电路进行融合，利用电感和二极管对交流信号进行滤波和整流，得到输出比较平滑的输出电压，再通过电阻进行分压后给到控制芯片的模数转换端口以实现交流采样。其中，为了使得输出电压的平滑度可以满足控制芯片的模数转换端口采集需求，对分压电阻和电感的参数作出进一步的限制，使其满足{-(R1+R2)/(2f*L1)}≤-1*10⁶。通过上述设计，利用电感和二极管对交流信号进行滤波整流，同时通过限制分压电阻和电感的参数，得到可供控制芯片的模数转换端口直接采集的交流信号，结构简单，而且运算量少，无需不停地采样，达到降低设计成本的目的。

在其中一个实施例中，分压模块还包括：连接采样支路的钳位二极管D2。在采样支路设置钳位二极管D2后，可以保护控制芯片的模数转换端口，防止在电路异常而导致采样支路的电位过高时损坏控制芯片。

在其中一个实施例中，分压模块还包括：设置在采样支路上的电压跟随器IC1B和连接采样支路的瞬变电压抑制二极管DR1。当电路异常而导致采样支路电位过高时，瞬变电压抑制二极管DR1可以通过漏电放电至接地，从而对控制芯片起到保护的作用。同时，考虑到瞬变电压抑制二极管DR1在接近击穿电压时，漏电流会迅速上升而导致采样精度下降，所以在后端设置电压跟随器IC1B作为补偿以提高采样精度。

在其中一个实施例中，分压模块还包括：设置在采样支路上的保护电阻RX6和连接采样支路的保护电容C1。保护电阻RX6和保护电容C1构成的低通滤波器可以有效阻值高频信号干扰，同时，对于瞬态的高压有吸收作用，对控制芯片的模数转换端口起到保护作用，并且提高了采样精度。

在其中一个实施例中，交流电源的频率f取值范围为50Hz～60Hz。

附图说明

图1为本实用新型的实施例一的交流采样电路的电路原理图；

图2为本实用新型的实施例二的交流采样电路的电路原理图；

图3为本实用新型的实施例三的交流采样电路的电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

实施例一

如图1所示，其为本实用新型的一种实施例的交流采样电路。

如图1所示，该交流采样电路包括：滤波整流模块和连接滤波整流模块的分压模块。其中，滤波整流模块的输入端连接交流电源。分压模块的一端连接在滤波整流模块的输出端，分压模块的另一端接地。

进一步地，滤波整流模块和分压模块的设置如下：

如图1所示，滤波整流模块包括：串联的电感L1和二极管D1。如图1所示，在本实施例中，交流电源的火线ACN连接电感L1，交流信号先经过电感L1进行滤波后，再经过二极管D1进行半波整流。需要说明的是，电感L1和二极管D1的先后顺序可以调换，并不局限于本实施例所展示的布置。

如图1所示，分压模块包括：串联的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，且第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间设有采样支路。采样支路连接控制芯片的模数转换端口(即如图1所示，采样支路将AC Sample信号传输给控制芯片)。其中，假定交流电源的频率为f，则{-(R1+R2)/(2f*L1)}≤-1*10⁶。

如图1所示，为了便于购买合适的电阻，在本实施例中，第一分压电阻由多个电阻串接而成，即在本实施例中，R1＝RX1+RX2+RX3+RX4，而R2＝RX5。

优选地，在本实施例中，交流电源的频率f取值范围为50Hz～60Hz。

工作原理简述：

如图1所示，在本实施例中，将RL电路与电阻分压电路进行融合，利用电感和二极管对交流信号进行滤波和整流，得到输出比较平滑的输出电压，再通过电阻进行分压后给到控制芯片的模数转换端口以实现交流采样。其中，为了使得输出电压的平滑度可以满足控制芯片的模数转换端口采集需求，对分压电阻和电感的参数作出进一步的限制，使其满足{-(R1+R2)/(2f*L1)}≤-1*10⁶。

电路原理分析具体如下：

基于RL电路的设置，在该交流采样电路中的0至T/2(T为交流电源的工作周期，且T＝1/f)时间输入电压符合以下关系：

Vin(t)＝Asin(2πft)---------------------------(1)

由(1)(2)可得：

其中，R＝R1+R2＝RX1+RX2+RX3+RX4+RX5。

进一步有以下关系：

P＝I(t)²Rt------------------------------------------(4)

W＝∫Pdt----------------------------(5)

由(3)(4)(5)可得0至T/2时间内：

则0至T/2时间内：

由于T＝1/f，τ＝L/R，所以

当-R/(2f*L1)≤-1*10⁶时，则有则/>

电感在电路种的能量消耗等于存储能量加上电磁波形式释放的能量以及自身内阻消耗的能量，尤其是应用在频率f为50Hz至60Hz的工频电路时，电磁场释放的能量忽略不计，线圈内阻较小，损耗能量忽略不计，则认为电感在电路中不消耗能量，在0至T/2存储的能量，会在T/2至T时间内释放，因此T/2至T阶段的电流有效值仍然为

则在0至T时间内，U_有效＝I_有效×R＝Asin(π)；

通过电阻分压后，采样支路便可以在取样点采集到一个平稳且接近直流电压的交流电压信号，接着将该交流信号发送到控制芯片的模数转换端口以完成采样。

例如，在本实施例中，R＝RX1+RX2+RX3+RX4+RX5＝812.5KΩ，L1＝2.2mH，此时，可以计算出则有则/>

此外，为了保护控制芯片的模数转换端口，防止因为采样支路的电位过高而损坏控制芯片，可以增加相应的保护结构。

例如，如图1所示，在本实施例中，分压模块还可以包括：连接采样支路的钳位二极管D2。在采样支路设置钳位二极管D2后，可以保护控制芯片的模数转换端口，防止在电路异常而导致采样支路的电位过高时损坏控制芯片。

上述交流采样电路，利用电感和二极管对交流信号进行滤波整流，同时通过限制分压电阻和电感的参数，得到可供控制芯片的模数转换端口直接采集的交流信号，结构简单，而且运算量少，无需不停地采样，达到降低设计成本的目的。

实施例二

如图2所示，其为本实用新型的另一种实施例的交流采样电路。

本实施例与实施例一的区别在于：在本实施例中，分压模块还包括：设置在采样支路上的电压跟随器IC1B和连接采样支路的瞬变电压抑制二极管(也可以简称为TVS管)DR1。当电路异常而导致采样支路电位过高时，瞬变电压抑制二极管DR1可以通过漏电放电至接地，从而对控制芯片起到保护的作用。同时，考虑到瞬变电压抑制二极管DR1在接近击穿电压时，漏电流会迅速上升而导致采样精度下降，所以在后端设置电压跟随器IC1B作为补偿以提高采样精度。

本实施例的其他结构与实施例一相同，也能达到实施例一的有益效果，此处不再赘述。

实施例三

如图3所示，其为本实用新型的又一种实施例的交流采样电路。

本实施例与实施例一的区别在于：在本实施例中，分压模块还包括：设置在采样支路上的保护电阻RX6和连接采样支路的保护电容C1。保护电阻RX6和保护电容C1构成的低通滤波器可以有效阻值高频信号干扰，同时，对于瞬态的高压有吸收作用，对控制芯片的模数转换端口起到保护作用，并且提高了采样精度。

本实施例的其他结构与实施例一相同，也能达到实施例一的有益效果，此处不再赘述。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本实用新型的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种交流采样电路，其特征在于，包括：

滤波整流模块；所述滤波整流模块的输入端连接交流电源；所述滤波整流模块包括：串联的电感L1和二极管D1；以及

连接所述滤波整流模块的分压模块；所述分压模块的一端连接在所述滤波整流模块的输出端，所述分压模块的另一端接地；所述分压模块包括：串联的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，且所述第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间设有采样支路；所述采样支路连接控制芯片的模数转换端口；其中，假定交流电源的频率为f，则{-(R1+R2)/(2f*L1)}≤-1*10⁶。

2.根据权利要求1所述的交流采样电路，其特征在于，所述分压模块还包括：连接所述采样支路的钳位二极管D2。

3.根据权利要求1所述的交流采样电路，其特征在于，所述分压模块还包括：设置在所述采样支路上的电压跟随器IC1B和连接所述采样支路的瞬变电压抑制二极管DR1。

4.根据权利要求1所述的交流采样电路，其特征在于，所述分压模块还包括：设置在所述采样支路上的保护电阻RX6和连接所述采样支路的保护电容C1。

5.根据权利要求1所述的交流采样电路，其特征在于，所述交流电源的频率f取值范围为50Hz～60Hz。