一种用于电压采样及信号调理的电路的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种用于电压采样及信号调理的电路，包括电压采样电路和信号调理电路，电压采样电路包含第一电阻和第二电阻，第一电阻的第一端作为信号输入端，第一电阻的第二端与第二电阻的第一端连接，该端还连接到信号调理电路；第二电阻的第二端接地；信号调理电路用于输出单极性电压，包含运算放大器、第三电阻和第四电阻，第三电阻的第一端连接到电压采样电路中第一电阻的第二端，第二端连接到运算放大器的同相输入端；第四电阻的第一端作为信号调理电路的参考电压输入端，第二端连接到运算放大器的同相输入端；运算放大器的反相输入端连接到运算放大器的输出端；运算放大器的电源端，一端连接外部电源，另一端接地。
【专利说明】
一种用于电压采样及信号调理的电路
技术领域
[0001]本申请涉及电路技术领域，具体地说，涉及一种用于电压采样及信号调理的电路。
【背景技术】
[0002]当前，在我们生产和生活中使用的变配电系统中，交流电压采样电路是各种交流测量装置中不可缺少的部分。
[0003]目前常用的交流电压采集主要有以下几种:
[0004](I)电压互感器(PT)电路，工作原理参见图4，存在以下缺点:
[0005]a)会对电压采样波形产生一定的相移，也就是说会造成互感器的角差，并且这个角差在整个量程还会发生变化，这样就会造成功率测量精度降低；
[0006]b)测量范围窄，低电压输入时，受励磁电流减小的影响，精度会降低；
[0007]c)输入过载能力差，当输入电压过高时，电压互感器会严重发热进而损坏；
[0008]d)由于使用铁芯和铜线，还要灌封，人工成本高，所以体积大，成本高；
[0009]e)内有极细的漆包线绕制，需要树脂灌封，温度变化或者焊接及易断线，可靠性低，对工艺要求高；
[0010]f)因为是互感器结构，不能测量直流电压和含有直流成分的电压，否则互感器就会饱和，最终损坏；
[0011]g)通过电磁感应来工作，容易受到电磁场的干扰，抗电磁干扰性能差；
[0012]h)温度系数大，不能做宽范围高精度的测量。
[0013](2)1:1的小电流互感器(CT)，参见图5，存在以下缺点:
[0014]a)会对电压采样波形产生一定的相移，也就是说会造成互感器的角差，并且这个角差在整个量程还会发生变化，这样就会造成测量精度降低；
[0015]b)低电压输入时，受励磁电流减小的影响，精度会降低；
[0016]c)输入过载能力差，当输入电压过高时，串接的电阻和电压互感器会严重发热进而损坏；
[0017]d)在电流互感器(CT)二次侧需要并接一个采样电阻将电流转变成电压信号，并接的电阻会进一步恶化电压信号的角差，进一步对功率的测量精确度造成影响，使功率准确度降低。
[0018]e)内有极细的漆包线绕制，需要树脂灌封，温度变化或者焊接极易断线，可靠性低，对工艺要求高；
[0019]f)这种电流互感器的输入范围大约是O?2.5mA，在低压系统里线电压大约是400V左右，这时候串接电阻和互感器及二次侧电阻消耗的能量十分可观，浪费了电能，同时因为发热较大，产品寿命变短，电路容易失效；
[0020]g)因为是互感器结构，不能测量直流电压和含有直流成分的电压，否则互感器就会饱和，最终损坏；
[0021]h)通过电磁感应来工作，容易受到电磁场的干扰，抗电磁干扰性能差；
[0022]i)由于使用铁芯和铜线，还要灌封，人工成本高，所以体积大，成本高；
[0023]j)温度系数大，不能做宽范围高精度的测量。
[0024]目前常用的信号调理电路主要有以下几种:
[0025](I)运放加法电路，参见图6，存在以下缺点:
[0026]a)需要正负电源供电，不能直接使用AD转换器的基准源Vref，需要用一个运放和若干电阻产生一个负的Vref;
[0027]b)这种电路形式输入阻抗不足够高，结合前面的信号内阻，给测量带来一定的误差;而且由于此电路不能因为降低输出阻抗，而导致过低的输入阻抗，进一步造成大的测量误差，所以此电路输出阻抗高，直接接ADC电路会产生时间问题，影响电压和功率测量的准确度；
[0028]c)此电路运放输出阻抗高，带载负载能力差，造成电路输出范围小;而且整个电路复杂，使用运放和精密电阻多，成本高，可靠性差。
[0029](2)电容耦合反相放大电路，参见图7，存在以下缺点:
[0030]a)使用电解电容耦合，性能受电容容量和材质影响大，而且温度影响点解电容的容量和寿命；
[0031]b)这种电路形式输入阻抗不足够高，结合前面的信号源内阻，给测量带来一定的误差;而且运放输出阻抗高，所以带负载能力差，造成电路输出范围小;使用精密电阻多，成本高；
[0032]c)此电路不能因为降低输出阻抗，而导致过低的输入阻抗，进一步造成大的测量误差，所以此电路输出阻抗高，直接接ADC电路会产生时间问题，影响电压和功率测量的准确度。
【实用新型内容】
[0033]有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种用于电压采样及信号调理的电路，可直接测量交直流电压信号或交流中叠加大量直流成分的甲流信号，具有极高的线性和精度、可靠性高、抗干扰性能强。
[0034]为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案:
[0035]一种用于电压采样及信号调理的电路，包括电压采样电路和信号调理电路，所述电压采样电路和所述信号调理电路相连接，其特征在于，
[0036]所述电压采样电路用于对高输入交流电压进行分压，并输出低输出交流电压，包含至少两个串联连接的电阻，分别为第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端作为信号输入端，用于输入交直流信号或包含直流成分的交流信号;所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，该端还连接到所述信号调理电路，作为所述信号调理电路的电压输入端;所述第二电阻的第二端接地；
[0037]所述信号调理电路用于输出单极性电压，包含运算放大器、第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的第一端连接到所述电压采样电路中所述第一电阻的第二端，作为所述电压输入端;所述第三电阻的第二端连接到所述运算放大器的同相输入端;所述第四电阻的第一端作为所述信号调理电路的参考电压输入端，所述第四电阻的第二端连接到所述运算放大器的同相输入端;所述运算放大器的反相输入端连接到所述运算放大器的输出端，作为所述信号调理电路的输出端;所述运算放大器的两个电源端，一端连接外部电源，另一端接地。
[0038]优选地，其中:
[0039]所述电压采样电路中串联连接的各电阻为高阻值电阻，所述第一电阻的阻值为100K Ω-1OM Ω，所述第二电阻的阻值为IK Ω-100K Ω。
[0040]优选地，其中:
[0041]所述电压采样电路中串联连接的各电阻为耐高压电阻。
[0042]优选地，其中:
[0043]所述电压采样电路中串联连接的各电阻为低温度系数电阻。
[0044]优选地，其中:
[0045]所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等。
[0046]优选地，其中:
[0047]所述第三电阻和第四电阻的阻值为10ΚΩ-500ΚΩ。
[0048]与现有技术相比，本申请所述的方法，达到了如下效果:
[0049]第一，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，电阻是阻性负载，避免了因为互感器的电感特性造成的角差，所以本实用新型电路没有角差，从而在功率测量方面精度高。
[0050]第二，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，因为没有线圈和铁芯，不涉及到用磁场来传递信号，所以不会由于励磁电流太小造成非线性，从而在极小信号时，都有极高的线性度和精度。
[0051]第三，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，因为采用高阻值的电阻串做输入，输入电流极小，即便大幅过载甚至输入翻倍，电阻也不会明显发热，没有铁芯，不存在饱和的情况，线性度也依然不变。
[0052]第四，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，电阻为高耐压电阻，机械化生产，成本低。工艺标准，可靠性高，不存在互感器绕组断线的问题。
[0053]第五，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，因为不需要变化磁场耦合，本实用新型电路可以直接测量交直流电压信号或者交流中叠加大量直流成分的交流信号，不存在饱和的弊端。
[0054]第六，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，没有线圈和铁芯，几乎不会受到电磁场的干扰，因此抗干扰性能强。
[0055]第七，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路需要的电阻成本极低，体积小，而现有技术中互感器昂贵，体积大，占用PCB面积大。
[0056]第八，本申请所中的电压采样电路采用低温度系数电阻，可以在宽温度范围做到极高的精度。
[0057]第九，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路，可采用单电源供电，可直接使用ADC的参考电源Vref，无需额外的电路。
[0058]第十，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路，信号调理电路的输入阻抗极高，可满足各种采用电路的输出，而且输出阻抗极低，带负载能力强，能够实现深度负反馈，电路稳定;输出范围大，输出信号能比较接近0V;整个电路的精度取决于信号调理电路中的两个电阻，应用温度范围宽。
【附图说明】
[0059]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
[0060]图1为本实用新型实施例1中用于电压采样及信号调理的电路的一种构成示意图；
[0061]图2为本实用新型实施例2中用于电压采样及信号调理的电路的一种构成示意图；
[0062]图3为本实用新型实施例3中用于电压采样及信号调理的电路的一种构成示意图；
[0063]图4为现有技术中电压互感器(PT)电路的构成示意图；
[0064]图5为现有技术中1:1的小电流互感器(CT)的构成示意图；
[0065]图6为现有技术中运放加法电路的构成示意图；
[0066]图7为现有技术中电容耦合反相放大电路的构成示意图。
【具体实施方式】
[0067]如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0068]实施例1
[0069]参见图1所示为本申请所述一种用于电压采样及信号调理的电路的构成示意图，本实施例中用于电压采样及信号调理的电路，包括电压采样电路和信号调理电路，所述电压采样电路和所述信号调理电路相连接，所述电压采样电路用于对高输入交流电压进行分压，并输出低输出交流电压，包含两个串联连接的电阻，分别为第一电阻Rl和第二电阻R2，所述第一电阻Rl的第一端作为信号输入端I，用于输入交直流信号或包含直流成分的交流信号;所述第一电阻Rl的第二端与所述第二电阻R2的第一端连接，该端还连接到所述信号调理电路，作为所述信号调理电路的电压输入端Vin;所述第二电阻R2的第二端接地；
[0070]所述信号调理电路用于输出单极性电压，包含运算放大器、第三电阻R3和第四电阻R4，所述第三电阻R3的第一端连接到所述电压采样电路中所述第一电阻Rl的第二端，作为所述电压输入端Vin;所述第三电阻R3的第二端连接到所述运算放大器的同相输入端2;所述第四电阻R4的第一端作为所述信号调理电路的参考电压输入端Vref，所述第四电阻R4的第二端连接到所述运算放大器的同相输入端2;所述运算放大器的反相输入端3连接到所述运算放大器的输出端，作为所述信号调理电路的输出端Vout;所述运算放大器的两个电源端，一端连接外部电源，另一端接地。
[0071]图1中的电压采样电路中串联连接的各电阻为高阻值电阻，所述第一电阻Rl的阻值为100ΚΩ-10ΜΩ，所述第二电阻R2的阻值为1ΚΩ-100ΚΩ。采用高阻值的电阻串做输入，输入电流极小，即使大幅过载甚至输入翻倍，电阻也不会明显发热，没有铁芯，不存在饱和的情况，线性度依然不变。
[0072]图1中的电压采样电路中串联连接的各电阻为耐高压电阻，从而能够实现机械化生产，成本低、工艺标准、可靠性高，不存在互感器绕组断线的问题。
[0073]图1中的电压采样电路中串联连接的各电阻为低温度系数电阻，既能够耐高温又能够耐低温，可以再宽温度范围内实现极高的精度。
[0074]图1中的信号调理电路中的第三电阻和第四电阻的阻值相等，可取为1K Ω -500KΩ因此采样电压和参考电压Vref经过第三电阻和第四电阻求和得到电压为(Vin+Vout)/2，此电压经过运算放大器输出Vout，Vout为的电极性为单极性，因此可进入单极性的A/D进行模拟数字转换，由于运放工作在跟随器状态，所以有最低的输出阻抗，最强的带负载能力，最大的输出范围。这些特性是传统电路所不具有的，而且由于没有互感器采样，因此本电路还能对包含直流成分的电压信号进行测量。
[0075]本实用新型从采样电路到信号调理电路，实现了对交直流流电压和包含直流成分的交流电压进行高精度测量，为交流高精度功率或电能仪表的功率和电能测量提供了可能。而且本实用新型电路简洁、可靠性高、使用温度范围宽，成本却比传统电路成本低。
[0076]实施例2
[0077]本实用新型用于电压采样及信号调理的电路中还可采用图2所示的实施例来实现。与图1所示实施例相比，图2中的电压采样电路中串联有5个电阻，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9依次串联，第五电阻R5的一端作为信号输入端I，用于输入交直流信号或包含直流成分的交流信号;第八电阻R8与第九电阻R9相连接的一端还连接到信号调理电路，作为信号调理电路的电压输入端Vin;第九电阻R9的另一端接地。
[0078]实施例3
[0079]本实用新型用于电压采样及信号调理的电路中还可采用图2所示的实施例来实现。与图1和图2所示实施例相比，图3中的电压采样电路串联有4个电阻，电阻R10、电阻R11、电阻R12和电阻R13依次串联，电阻RlO的第一端作为信号输入端I，用于输入交直流信号或包含直流成分的交流信号；电阻Rll与电阻R12相连接的一端还连接到信号调理电路，作为信号调理电路的电压输入端Vin;电阻R13的一端接地。
[0080]通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是:
[0081]第一，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，电阻是阻性负载，避免了因为互感器的电感特性造成的角差，所以本实用新型电路没有角差，从而在功率测量方面应用精度高。
[0082]第二，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，因为没有线圈和铁芯，不涉及到用磁场来传递信号，所以不会由于励磁电流太小造成非线性，从而在极小信号时，都有极高的线性度和精度。
[0083]第三，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，因为采用高阻值的电阻串做输入，输入电流极小，即便大幅过载甚至输入翻倍，电阻也不会明显发热，没有铁芯，不存在饱和的情况，线性度也依然不变。
[0084]第四，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，电阻为高耐压电阻，机械化生产，成本低。工艺标准，可靠性高，不存在互感器绕组断线的问题。
[0085]第五，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，因为不需要变化磁场耦合，本实用新型电路可以直接测量交直流电压信号或者交流中叠加大量直流成分的交流信号，不存在饱和的弊端。
[0086]第六，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路中，没有线圈和铁芯，几乎不会受到电磁场的干扰，因此抗干扰性能强。
[0087]第七，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路需要的电阻成本极低，体积小，而现有技术中互感器昂贵，体积大，占用PCB面积大。
[0088]第八，本申请所中的电压采样电路采用低温度系数电阻，可以在宽温度范围做到极高的精度。
[0089]第九，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路，可采用单电源供电，可直接使用ADC的参考电源Vref，无需额外的电路。
[0090]第十，本申请所提供的用于电压采样及信号调理的电路，信号调理电路的输入阻抗极高，可满足各种采用电路的输出，而且输出阻抗极低，带负载能力强，能够实现深度负反馈，电路稳定;输出范围大，输出信号能比较接近0V;整个电路的精度取决于信号调理电路中的两个电阻，应用温度范围宽。
[0091]本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0092]上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
【主权项】
1.一种用于电压采样及信号调理的电路，包括电压采样电路和信号调理电路，所述电压采样电路和所述信号调理电路相连接，其特征在于， 所述电压采样电路用于对高输入交流电压进行分压，并输出低输出交流电压，包含至少两个串联连接的电阻，分别为第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端作为信号输入端，用于输入交直流信号或包含直流成分的交流信号;所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，该端还连接到所述信号调理电路，作为所述信号调理电路的电压输入端;所述第二电阻的第二端接地； 所述信号调理电路用于输出单极性电压，包含运算放大器、第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的第一端连接到所述电压采样电路中所述第一电阻的第二端，作为所述电压输入端;所述第三电阻的第二端连接到所述运算放大器的同相输入端;所述第四电阻的第一端作为所述信号调理电路的参考电压输入端，所述第四电阻的第二端连接到所述运算放大器的同相输入端;所述运算放大器的反相输入端连接到所述运算放大器的输出端，作为所述信号调理电路的输出端;所述运算放大器的两个电源端，一端连接外部电源，另一端接地。2.根据权利要求1所述用于电压采样及信号调理的电路，其特征在于， 所述电压采样电路中串联连接的各电阻为高阻值电阻，所述第一电阻的阻值为10KΩ-10ΜΩ，所述第二电阻的阻值为IK Ω-100K Ω。3.根据权利要求1所述用于电压采样及信号调理的电路，其特征在于， 所述电压采样电路中串联连接的各电阻为耐高压电阻。4.根据权利要求1所述用于电压采样及信号调理的电路，其特征在于， 所述电压采样电路中串联连接的各电阻为低温度系数电阻。5.根据权利要求1所述用于电压采样及信号调理的电路，其特征在于， 所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等。6.根据权利要求1所述用于电压采样及信号调理的电路，其特征在于， 所述第三电阻和第四电阻的阻值为1K Ω -500K Ω。
【文档编号】G01R15/00GK205450078SQ201521031903
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月12日
【发明人】梁东, 李伟, 崔海顺, 辛剑明
【申请人】北京易艾斯德科技有限公司