CN102707128B - 一种基于微控制器的交流信号采集电路及方法 - Google Patents

一种基于微控制器的交流信号采集电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于微控制器的交流信号采集电路及方法，包括微控制器和运算放大器，该运算放大器的同相输入端与待采集的交流信号相连，反相输入端通过一电阻与两路基准电源相连，所述的微控制器的I/O口上还连接有继电器，该继电器与所述的两路基准电源相连，用于对两路基准电源进行选择。本发明在使用带有内嵌的A/D转换器的微控制器对交流信号进行采样时，不需要增加A/D位数，只需要通过增加相应的电路，就能提高采样值的相对精度，满足***所需的精度要求，使用方便。

Description

一种基于微控制器的交流信号采集电路及方法
技术领域
本发明涉及一种基于微控制器的交流信号采集电路及方法，属于电力信号采集领域。
背景技术
在一些工业企业中，经常需要采集220V交流电的电压信号，以便监控交流电的质量。220V交流电经过电压互感器后依然是交流信号，通常微控制器中嵌有并行的A/D转换器，但只能直接采集直流信号。为了采集交流信号，需要对交流信号进行处理。经过电压互感器后，目前的方法多采用运放作加法器，以便将交流信号加上一个正的基准电压，从而将交流信号处理成直流信号，进一步进行A/D采集。对于8位A/DC，如果基准电压为5V。那么其分辨率为q=5/(28-1)=0.0196V，也就是其量化误差为q/2=0.0098V。假定直流信号测量值为0.2V~4V，测量值的最大和最小相对误差分别出现在0.2V和4V附近，即最大相对误差约为0.0098/0.2=4.9%，最小相对误差约为0.0098/4=0.245%，可见，模拟量值越小，相对误差越大，也就是相对精度越低，或者说相对精度越小。通常，为了保证电力参数的计算精度，在一个信号周期内需要至少采集256个点，并且256个点具有较大的电压范围。然而，微控制器内嵌A/D转换器的位数是确定的，A/D转换器的位数决定了采集信号的精度，但256个点的相对精度相差较大。在实际中，我们经常遇到这种情况，***微控制器选用了8位的微控制器，其内嵌的8位A/D转换器无法满足***的相对精度要求，而9位的A/D转换器才能满足***的相对精度要求，目前的解决办法有是外扩高精度的A/D转换器，这样做的结果是硬件电路设计复杂，数据读写软件复杂，成本提高。
发明内容
本发明的目的是在不改变微控制器内部A/D转换器的情况下，提高交流信号采集的精度，使满足***的相对精度要求。
本发明为解决上述技术问题而提供一种基于微控制器的交流信号采集电路，包括微控制器和运算放大器，所述的运算放大器的同相输入端通过一电压互感器与待采集的交流信号相连，反相输入端通过一电阻与一开关相连，该开关与两路基准电源相连，运算放大器的输出端与微控制器的A/D采样端口相连，微控制器的I/O口上连接有继电器，该继电器与所述的开关，用与对两路基准电源进行选择。
所述的两路基准电源中电压值相对较大的一路电源是通过将较小的一路电源连入到一同相运算放大器的同相输入端得到。
所述的运算放大器输出端与微处理器的A/D采样端口之间连接有阻容滤波电路。
本发明为解决上述技术还提出了一种基于微控制器的交流信号采集方法，该方法的步骤如下：
1）.将待采集的交流信号处理成小幅值交流信号；
2）.根据微控制器A/D采样的位数和所要达到的精度要求以及得到小幅值交流信号设置两路基准电源；
3）.将得到的小幅值交流信号通过放大电路连入微控制器的A/D采样端口；
4）.将两路基准电源中的一路基准电源通过电阻连入同相比例放大电路的反相输入端，以便抬高该运放电路的电压基准，并且初始时连入较小基准电源；
５）.利用微控制器的I/O口控制连入放大电路的基准电源，以得到符合精度要求的采样信号。
所述的步骤4）的具体过程为一旦采集的交流信号幅值大于或等于连入放大电路中的基准电源时，微控制器继续采集信号数据，而一旦小于连入的较小基准电源电压值时，则微控制器通过I/O口发出控制信号，将连入放大电路基准电源断开，将另一路未连入放大电路的较大基准电源连到放大电路中，继续采集数据，而一旦大于或等于连入的较大基准电源时，则微控制器通过I/O口发出控制信号，将连入放大电路基准电源断开，将另一路未连入放大电路的较小基准电源连到放大电路中，继续采集数据，重复上述过程得到符合要求的交流信号。
所述的两路基准电源中电压值相对较大的一路电源是通过将较小的一路电源连入到一同相运算放大器的同相输入端得到。
所述的放大电路的输出端和微处理器的A/D采样端口之间连接有阻容滤波电路，用于对采样的信号进行滤波处理。
本发明的有益效果是:在使用微控制器内嵌的A/D转换器时，不增加A/D位数,仅通过增加模拟开关及相应电路，就提高了A/D转换的相对精度，使用非常方便。
附图说明
图1是本发明的一种基于微控制器的交流信号采集电路的实施例中的交流信号采集电路图；
图2是本发明一种基于微控制器的交流信号采集方法实施例中的的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
一种交流信号采集电路的实施例
如图1所示，一种基于微控制器的交流信号采集电路包括：微控制器、运放N1、继电器、运放N2、电压互感器、电容C1和电阻R1至R6，待采样的220V交流信号通过电压互感器和电阻R1连接运放N1的同相输入端，运放N1的反相输入端通过电阻R2和继电器与基准电源3.1V及运放N2的输出端相连，运放N1的输出端通过R6和C1构成的滤波单元与微控制器的A/D端口相连，继电器控制端与微控制器的I/O相连，运放N2的同相输入端通过电阻R3与基准电源3.1V相连，反相输入端通过电阻R5接地，反相输入端和输出端之间通过电阻R5相连，构成负反馈，电阻R1、R2和R3相同，R4和R5相同，运放N2从基准电源3.1V得到4.65V；电压互感器将220V交流信号处理成-1.55V~1.55V的小幅值交流信号；运放N1反相端通过电阻R2接至基准电源3.1V，进一步处理得到的小幅值直流信号，并在滤波后送给微控制器进行AD采样。为提高相对精度，微控制器执行程序流程如下：
初始时，微控制器通过I/O口控制继电器，选通较小基准电源3.1V；
一旦采集的交流信号幅值大于或等于3.1V，微控制器继续采集电压数据，而一旦小于3.1V，则微控制器通过I/O口发出控制信号，驱动继电器吸合，将运放N1反相端通过电阻R2接至基准电源4.65V，继续采集数据；
一旦采集的交流信号幅值小于4.65V，微控制器继续采集电压数据，而一旦大于或等于4.65V，则微控制器通过I/O口发出控制信号，驱动继电器断开，将运放N1反相端通过电阻R2接至基准电源3.1V，继续采集数据；
重复上述步骤，实现交流信号的采集。
假定继电器在断电情况下，将3.1V基准电源通过电阻R2接至运放N1的反相输入端口。在主程序中，设置继电器吸合标志为全局变量Jdq,并令其初始值为0。启动定时中断,假定220V交流信号周期为1/50=0.02s=20ms,故中断周期为20/255≈0.0784ms。
一种交流信号采集方法的实施例
该交流信号采集方法的具体步骤如下：
1.利用电压互感器将待采集220V交流信号处理成-1.55V~1.55V的小幅值交流信号。
2.根据微控制器A/D采样的位数8位和所要达到的精度要求以及得到小幅值交流信号设置两路基准电源3.1V和4.65V。
3.将得到的小幅值交流信号通过放大电路连入微控制器的A/D采样端口，将两路基准电源中的一路基准电源通过电阻连入同相比例放大电路的反相输入端，以便抬高该运放电路的电压基准，并且初始时连入较小基准电源，该放大电路为运放N1，运放N1的同相输入端通过电阻R1和电压互感器连入待采样的220V交流信号中，运放N1的反相输入端通过电阻R2和继电器与基准电源3.1V及运放N2的输出端相连，运放N1的输出端通过R6和C1构成的滤波单元与微控制器的A/D端口相连，继电器控制端与微控制器的I/O相连，运放N2的同相输入端通过电阻R3与基准电源3.1V相连用于从基准电源3.1V得到4.65V。
4.利用微控制器的I/O口控制连入放大电路的基准电源，以得到符合精度要求的采样信号。一旦采集的交流信号幅值大于或等于3.1V，微控制器继续采集电压数据，而一旦小于3.1V，则微控制器通过I/O口发出控制信号，驱动继电器吸合，将运放N1反相端通过电阻R2接至基准电源4.65V，继续采集数据；一旦采集的交流信号幅值小于4.65V，微控制器继续采集电压数据，而一旦大于或等于4.65V，则微控制器通过I/O口发出控制信号，驱动继电器断开，将运放N2反相端通过电阻R2接至基准电源3.1V，继续采集数据。
图2给出了采集模拟量值的中断程序流程，现在详述如下：
在步骤201中，进入定时中断程序，保护现场；
在步骤202中，微控制器通过内嵌的A/D转换器采集模拟量；
在步骤203中，将模拟量值存储于设定的存储空间中；
在步骤204中，如果变量Jdq=0，则执行步骤205，否则执行步骤207;
在步骤205中，测试A/D转换结果是否<3.1V，如果<3.1V,执行步骤206，否这执行步骤209；
在步骤206中，微控制器发出吸合继电器指令，并令Jdq=1,然后执行步骤209；
在步骤207中，测试A/D转换结果是否≥4.65V，如果≥4.65V,执行步骤208，否这执行步骤209；
在步骤208中，微控制器发出断开继电器指令，并令Jdq=0；
在步骤209中，恢复现场，退出定时中断程序。
通过以上步骤，对于运放N１，如果其反相输入端通过电阻接至3.1V，则其输出为同相端输入电压加上3.1V，故其输出电压为1.55V~4.65V，其最大相对误差约为0.0098/1.55=0.63%；为了将其精度提高至9位A/D的精度，对于1.55V~3.1V的电压输入，如果将其反相输入端通过电阻接至基准电源4.65V，则其输出为同相端输入电压加上4.65V，故其输出电压为3.1V~4.65V，其最大相对误差约为0.0098/3.1=0.32%；而如果A/D转换器为9位，其量化单位q为1.61mV（5V/511≈0.0098V），量化误差为q/2=0.0049V，采样最小值1.55V的相对精度约为0.0049/1.55≈0.32%。也就是经过处理后，交流信号采集的相对精度达到了9位A/D的精度。
本发明所述的实施例中，给出的基准电源为3.1V和4.65V，这两个值是可以根据相对精度要求进行设定，运放放大倍数可以通过调整电阻控制。具体变化情况与实施例类同，不再赘述。

Claims (6)

1.一种基于微控制器的交流信号采集电路，包括微控制器和运算放大器，其特征在于：所述的运算放大器的同相输入端通过一电压互感器与待采集的交流信号相连，所述电压互感器用于将待采集的交流信息处理成小幅值的交流信号，反相输入端通过一电阻与一开关相连，该开关与两路基准电源相连，运算放大器的输出端与微控制器的A/D采样端口相连，微控制器的I/O口上连接有继电器，该继电器与所述的开关，用于对两路基准电源进行选择。
2.根据权利要求1所述的基于微控制器的交流信号采集电路，其特征在于：所述的两路基准电源中电压值相对较小的一路电源由外部提供，而电压值较大的一路电源是通过将较小的一路电源连入到一同相运算放大器的同相输入端得到。
3.根据权利要求1或2所述的基于微控制器的交流信号采集电路，其特征在于：所述的运算放大器输出端与微处理器的A/D采样端口之间连接有阻容滤波电路。
4.一种基于微控制器的交流信号采集方法,其特征在于：该交流信号采集方法的步骤如下：
1).将待采集的交流信号处理成小幅值交流信号；
2).根据微控制器A/D采样的位数和所要达到的精度要求以及得到的小幅值交流信号设置两路基准电源；
3).将得到的小幅值交流信号通过同相比例放大电路连入微控制器的A/D采样端口；
4).将两路基准电源中的某一路基准电源通过电阻连入同相比例放大电路的反相输入端，以便抬高该同相比例放大电路的电压基准；同相比例放大电路的同相输入端通过电阻和电压互感器连入待采样的交流信号中；具体过程为：当接入同相比例放大电路的基准电源为电压值相对较小的一路电源时，一旦采集的交流信号幅值大于或等于连入同相比例放大电路中的基准电源时，微控制器继续采集信号数据，而一旦小于连入的基准电源时，则微控制器通过I/O口发出控制信号，将连入同相比例放大电路基准电源断开，将另一路电压值较大的基准电源连到同相比例放大电路中，继续采集数据，一旦采集的交流信号幅值小于连入同相比例放大电路中的基准电源时，微控制器继续采集信号数据，而一旦大于或等于连入的基准电源时，则微控制器通过I/O口发出控制信号，将连入同相比例放大电路基准电源断开，将另一路电压值较小的基准电源连到同相比例放大电路中，继续采集数据，重复上述过程得到符合要求的交流信号采集；
5).利用微控制器的I/O口控制连入同相比例放大电路的基准电源，以得到符合精度要求的采样信号。
5.根据权利要求4所述的基于微控制器的交流信号采集方法，其特征在于：所述的两路基准电源中电压值相对较大的一路电源是通过将较小的一路电源连入到一同相比例运算放大电路的同相输入端得到。
6.根据权利要求4或5所述的基于微控制器的交流信号采集方法，其特征在于：所述的同相比例放大电路的输出端和微处理器的A/D采样端口之间连接有阻容滤波电路，用于对采样的信号进行滤波处理。
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