专利名称：基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及分析及测量控制领域，具体是一种基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路。
背景技术：
在道路交通信号控制机中，需要对每路灯驱动输出的交流电流数值进行实时采样控制，以确保输出的正确性和监控负载电流的变化情况，提高交通信号控制机的安全性。但是目前很多这类应用都是基于变压器用着反馈采样，变压器不但体积大，重量大而且价格贵，给后续的电路板制作和加工带来了很大麻烦。也有采用霍尔传感器采样的，但是霍尔传感器成本高，体积大不利于多通道使用情况。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种多通道高精度交流电流数值检测电路，其抗干扰能力强，结构简单，使用成本低，高隔离，精度高，测量范围宽，安全可靠，体积小易于多通道集成。按照本发明提供的技术方案，所述基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路包括依次连接的电流采样电路、模拟选择电路、模拟光耦电路、次级差分放大电路、阻抗变换电路、有效值变换电路、数据处理单元；多路电流采样电路的输出连接到模拟选择电路，所述电流采样电路使用高精度小阻值的线绕电阻串联在负载中，由负载电流在电阻的两端产生电压差，然后把这多路小电压信号送入模拟选择电路，由模拟选择电路分时完成多选一的功能，模拟选择电路的选择控制端通过数字光耦隔离后和数据处理单元相连；所述模拟光耦电路完成左右两边电压信号部分和数据处理部分的隔离，以及完成电压信号的初级放大作用；所述次级差分放大电路完成电压信号的再次放大；所述有效值变换电路完成交流电压信号转变成直流电压信号，有效值变换电路的输出和数据处理单元的A/D输入端相连；所述数据处理单元完成直流信号的A/D采样，然后把采样的结果进行分析运算得出实际的电流值，并通过外设接口向外发送数据。其中，一路电流采样电路包括线绕电阻和采样保护电阻，线绕电阻一端和交流电的火线相连，另一端和灯泡相连并通过采样保护电阻连接到模拟选择电路的一路输入。所述模拟选择电路包括多路选择芯片⑶4051，⑶4051的16脚和+5V电源相连，7脚和-5V的电源相连，8脚、6脚和OV的电源相连并且和交流电的火线相连KD4051的13、14、15、12、1、5、2、4脚用于连接多路电流采样电路KD4051的9脚、10脚、11脚是3位二进制选择控制端，通过数字光耦隔离后和数据处理单元相连，用来选择8路输入中的一路进行电路采样；CD4051的3脚是输出脚和模拟光耦电路的输入端相连。所述模拟光耦电路包括隔离放大器HCPL7840，第九电阻一端和所述⑶4051的3脚相连，第九电阻另一端和HCPL7840的2脚相连并且与第一二极管的阴极端和第二二极管的阳极端相连，通过第一二极管和第二二极管下拉到OV电位；HCPL7840的I脚和8脚分别连接左右两边电压信号部分和数据处理部分的工作电压，HCPL7840的3脚、4脚接OV电位，5脚接数据处理部分的地，HCPL7840的6脚和7脚是差分输出的负极和正极，分别和次级差分放大电路的输入相连。所述次级差分放大电路包括第一运算放大器，第一运算放大器同相输入端通过第 十电阻接模拟光耦电路差分输出的正极，并通过第十二电阻和第一电容的并联支路接地;第一运算放大器反相输入端通过第十一电阻接模拟光耦电路差分输出的负极，并通过第十三电阻和第二电容的并联支路连接第一运算放大器的输出端；第一运算放大器的输出端是次级差分放大电路的输出级，和阻抗变换电路的输入端相连。所述阻抗变换电路包括第二运算放大器，第二运算放大器的同相输入端和第一运算放大器的输出端相连，第二运算放大器的反相输入端通过第十四电阻和第二运算放大器的输出端相连，第二运算放大器的输出端是阻抗变换电路的输出端，和有效值变换电路的输入端相连。所述有效值变换电路包括有效值变换器AD536AJH，AD536AJH的4脚通过第十五电阻连接阻抗变换电路的输出端，并且通过第三电容下拉到地；AD536AJH的I脚和2脚都和地相连，AD536AJH的3脚接电源正极，D536AJH的5脚接电源负极，AD536AJH的6脚通过第六电容和AD536AJH的3脚相连；第十七电阻的一端和AD536AJH的8脚相连并且通过第四电容和AD536AJH的10脚相连，第十七电阻的另一端通过第七电容下拉到地，并且作为效值变换电路的输出端；第十六电阻的一端和AD536AJH的9脚相连，并且通过第五电容下拉到地，第十六电阻的另一端和AD536AJH的10脚相连；有效值变换电路的输出端和数据处理单元的A/D端相连。所述数据处理单元可采用STM32F103RC芯片。本发明的优点是通过串联小阻值的电阻来采样电流，使得采样的可靠性高，对负载的影响小，检测范围宽，便于多通道集成，成本低；使用模拟光耦完成信号的隔离，使得系统更安全，抗干扰能力强；采用10位A/D，使得采样精度高，范围宽；采用有效值变换电路使得小信号处理失真小，准确度高。整个系统电路简单，思路明确，易实施。
图I是本发明的电路结构框图。图2电流采样电路和模拟选择电路原理图。图3模拟光耦电路，次级差分放大电路，阻抗变换电路原理图。图4有效值变换电路原理图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图I所示，所述基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路包括依次连接的电流采样电路、模拟选择电路、模拟光耦电路、次级差分放大电路、阻抗变换电路、有效值变换电路、数据处理单元。由所述模拟光耦电路完成左侧电压信号部分和右侧数据处理部分的隔离。电流采样部分是由多路电流采样电路组成，所述电流采样电路使用的是高精度小阻值的线绕电阻串联在负载中，由负载电流在电阻的两端产生电压差，然后把这多路小电压信号送入模拟选择电路；所述模拟选择电路分时完成多选一的功能，所述模拟选择电路的输出连接到模拟光耦电路；所述模拟光耦电路完成电压信号部分和数据处理部分的隔离，提高系统的安全和抗干扰能力，以及适当完成初级放大作用；模拟光耦电路的输出和次级差分放大电路相连，所述次级差分放大电路完成电压信号的再次放大，在这里可以调整电压信号放大倍数达到我们想要的范围；次级差分放大电路的输出和阻抗变换电路相连，所述阻抗变换电路使输入的信号具有输出阻抗低，驱动能力强的特点，便于后续处理电路 的输入，提高准确性和抗干扰能力；所述阻抗变换电路的输出和有效值变换电路相连，所述有效值变换电路完成交流电压信号转变成直流电压信号；有效值变换电路的输出和数据处理单元的A/D输入端相连；所述数据处理单元完成直流信号的A/D采样，然后把采样的结果进行分析运算得出实际的电流值，由于采用10位的A/D，所以精度能达到1/1000的精度。所述数据处理单元可以把处理的数据通过串口发送到其它显示终端。如图2所示，所述电流采样电路是由串联在负载电路中的线绕电阻RLl和采样保护电阻Rl组成。线绕电阻RLl是高精度小阻值采样电阻，它的一端和交流电的火线AC/L相连，另一端和红绿灯LAMPl相连并通过采样保护电阻Rl连接到模拟选择电路的一路输入，据实际的需要可以多达8路这样的采样电路。所述模拟选择电路包括多路选择芯片⑶4051，⑶4051的16脚和+5V电源相连，7脚和-5V的电源相连，8脚、6脚和OV的电源相连并且和交流电的火线AC/L相连<D4051的13、14、15、12、1、5、2、4脚可以接多达8路电流采样电路；CD4051的9脚、10脚、11脚是3位二进制选择控制端，通过数字光耦隔离后和数据处理单元相连，用来选择8路输入中的一路进行电路采样；CD4051的3脚是输出脚和模拟光耦电路的输入端相连。如图3所示，所述模拟光耦电路包括隔离放大器HCPL7840，第九电阻R9 —端和所述⑶4051的3脚相连，第九电阻R9另一端和HCPL7840的2脚相连并且与第一二极管Dl的阴极端和第二二极管D2的阳极端相连，通过第一二极管Dl和第二二极管D2下拉到OV电位；HCPL7840的I脚和8脚分别连接左右两边电压信号部分和数据处理部分的工作电压(是两组不相关的电源，它们的地是隔离开的)，HCPL7840的3脚、4脚接OV电位，5脚接数据处理部分的地，HCPL7840的6脚和7脚是差分输出的负极和正极，分别和次级差分放大电路的输入相连。所述次级差分放大电路和阻抗变换电路由双运算放大器LM258构成第十电阻RlO的一端和HCPL7840的7脚相连，另一端和LM258的3脚相连，并且通过第十二电阻R12和第一电容Cl的并联支路下拉到地；第^ 电阻Rll的一端和HCPL7840的6脚相连,另一端和LM258的2脚相连，并且通过第十三电阻R13和第二电容C2的并联支路和LM258的I脚相连，LM258的I脚是次级差分放大电路的输出级，和阻抗变换电路的输入端相连。所述阻抗变换电路包括LM258的5脚和I脚相连，6脚通过第十四电阻R14和7脚相连，LM258的7脚是阻抗变换电路的输出端，和有效值变换电路的输入端相连。如图4所示，所述有效值变换电路主要是由有效值变换器AD536AJH构成第十五电阻Rl5的一端和LM258的7脚相连，另一端和AD536AJH的4脚相连，并且通过第三电容C3下拉到地。AD536AJH的I脚和2脚都和地相连。AD536AJH的3脚和电源正极+V50相连。AD536AJH的5脚和电源负极-V50相连。AD536AJH的6脚通过第六电容C6和AD536AJH的
63脚相连。AD536AJH的7脚悬空不接。第十七电阻R17的一端和AD536AJH的8脚相连并且通过第四电容C4和AD536AJH的10脚相连，第十七电阻R17的另一端通过第七电容C7下拉到地，并且作为效值变换电路的输出端。第十六电阻R16的一端和AD536AJH的9脚相连，并且通过第五电容C5下拉到地，第十六电阻R16的另一端和AD536AJH的10脚相连。有效值变换电路的输出和数据处理单元的A/D端相连。
所述数据处理单元主要是由ST公司的STM32F103RC芯片构成STM32F103RC内部集成有10位A/D单元，可以对有效值变换电路的输出进行A/D转换，并进行数据的处理完成实际电流值大小的计算，并把每个通道实际的电流值通过串口发送到显示终端。
权利要求
1.基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路，其特征是包括依次连接的电流采样电路、模拟选择电路、模拟光耦电路、次级差分放大电路、阻抗变换电路、有效值变换电路、数据处理单元；多路电流采样电路的输出连接到模拟选择电路，所述电流采样电路使用高精度小阻值的线绕电阻串联在负载中，由负载电流在电阻的两端产生电压差，然后把这多路小电压信号送入模拟选择电路，由模拟选择电路分时完成多选一的功能，模拟选择电路的选择控制端通过数字光耦隔离后和数据处理单元相连；所述模拟光耦电路完成左右两边电压信号部分和数据处理部分的隔离，以及完成电压信号的初级放大作用；所述次级差分放大电路完成电压信号的再次放大；所述有效值变换电路完成交流电压信号转变成直流电压信号，有效值变换电路的输出和数据处理单元的A/D输入端相连；所述数据处理单元完成直流信号的A/D采样，然后把采样的结果进行分析运算得出实际的电流值，并通过外设接口向外发送数据。
2.如权利要求I所述基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路，其特征是，一路电流采样电路包括线绕电阻(RLl)和采样保护电阻(R1)，线绕电阻(RLl) —端和交流电的火线相连，另一端和灯泡相连并通过采样保护电阻(Rl)连接到模拟选择电路的一路输入。
3.如权利要求I所述基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路，其特征是，所述模拟选择电路包括多路选择芯片⑶4051，⑶4051的16脚和+5V电源相连，7脚和-5V的电源相连，8脚、6脚和OV的电源相连并且和交流电的火线相连；CD4051的13、14、15、12、I、5、2、4脚用于连接多路电流采样电路AD4051的9脚、10脚、11脚是3位二进制选择控制端，通过数字光耦隔离后和数据处理单元相连，用来选择8路输入中的一路进行电路采样；⑶4051的3脚是输出脚和模拟光耦电路的输入端相连。
4.如权利要求3所述基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路，其特征是，所述模拟光耦电路包括隔离放大器HCPL7840，第九电阻(R9)—端和所述⑶4051的3脚相连，第九电阻(R9)另一端和HCPL7840的2脚相连并且与第一二极管(Dl)的阴极端和第二二极管(D2)的阳极端相连，通过第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)下拉到OV电位；HCPL7840的I脚和8脚分别连接左右两边电压信号部分和数据处理部分的工作电压，HCPL7840的3脚、4脚接OV电位，5脚接数据处理部分的地，HCPL7840的6脚和7脚是差分输出的负极和正极，分别和次级差分放大电路的输入相连。
5.如权利要求4所述基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路，其特征是，所述次级差分放大电路包括第一运算放大器，第一运算放大器同相输入端通过第十电阻(RlO)接模拟光耦电路差分输出的正极，并通过第十二电阻(R12)和第一电容(Cl)的并联支路接地；第一运算放大器反相输入端通过第十一电阻(Rll)接模拟光耦电路差分输出的负极，并通过第十三电阻(R13)和第二电容(C2)的并联支路连接第一运算放大器的输出端；第一运算放大器的输出端是次级差分放大电路的输出级，和阻抗变换电路的输入端相连。
6.如权利要求5所述基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路，其特征是，所述阻抗变换电路包括第二运算放大器，第二运算放大器的同相输入端和第一运算放大器的输出端相连，第二运算放大器的反相输入端通过第十四电阻(R14)和第二运算放大器的输出端相连，第二运算放大器的输出端是阻抗变换电路的输出端，和有效值变换电路的输入端相连。
7.如权利要求6所述基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路，其特征是，所述有效值变换电路包括有效值变换器AD536AJH，AD536AJH的4脚通过第十五电阻(R15)连接阻抗变换电路的输出端，并且通过第三电容(C3)下拉到地；AD536AJH的I脚和2脚都和地相连，AD536AJH的3脚接电源正极(+V50)，D536AJH的5脚接电源负极(_V50)，AD536AJH的6脚通过第六电容(C6)和AD536AJH的3脚相连；第十七电阻(R17)的一端和AD536AJH的8脚相连并且通过第四电容(C4)和AD536AJH的10脚相连，第十七电阻(R17)的另一端通过第七电容(C7)下拉到地，并且作为效值变换电路的输出端；第十六电阻(R16)的一端和AD536AJH的9脚相连，并且通过第五电容(C5)下拉到地，第十六电阻(R16)的另一端和AD536AJH的10脚相连；有效值变换电路的输出端和数据处理单元的A/D端相连。
8.如权利要求I所述基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路，其特征是，所述数据处理单元采用STM32F103RC芯片。
全文摘要
本发明提供了一种基于光耦的宽范围高精度多通道电流检测电路，包括依次连接的电流采样电路、模拟选择电路、模拟光耦电路、次级差分放大电路、阻抗变换电路、有效值变换电路、数据处理单元；电流采样电路使用小阻值线绕电阻串联在负载中，把多路小电压信号送入模拟选择电路，由模拟选择电路分时完成多选一；所述模拟光耦电路完成左右两边电压信号部分和数据处理部分的隔离；有效值变换电路完成交流电压信号转变成直流电压信号；数据处理单元完成直流信号的采样和运算得出实际电流值。其优点是采样可靠性高，对负载的影响小，便于多通道集成，成本低；系抗干扰能力强；采样精度高，范围宽；小信号处理失真小。整个系统电路简单，易实施。
文档编号G01R19/25GK102944736SQ20121047844
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者何通, 吕显刚, 顾善忠, 李旭东, 包可为 申请人:江苏大为科技股份有限公司