CN109085409B - 一种直流电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电压测量装置，包括第一电压测量端、第二电压测量端、第一电容、第一二极管、变压器、第二二极管、电子开关模块、电源、取样模块、测量脉冲控制端；第一电压测量端分别与第一电容的第一端、第一二极管的输出端连接，第一二极管的输入端与变压器的次级绕组的第一端连接，第二电压测量端分别与第一电容的第二端、变压器的次级绕组的第二端连接；变压器的初级绕组的第一端通过电子开关模块分别与电源、测量脉冲控制端连接，且变压器的初级绕组的第一端与第二二极管的输出端连接，变压器的初级绕组的第二端分别与第二二极管的输入端、取样模块理解。本发明能够有效地降低直流电压测量的成本，同时提高隔离电压的等级。

Description

一种直流电压测量装置

技术领域

本发明涉及电路技术领域，尤其是涉及一种直流电压测量装置。

背景技术

目前，随着电力电子技术的迅速发展，储能电站、无人值守变电站、电池管理***、燃料电池动力***等电力***对电参数检测的要求越来越高。特别是在一些需要对大电流和高电压测量和控制以及对所测电流和电压要求较高精确度的情况下，需要使用一种安装方便、安全可靠、精确度高的直流电流和电压的测量方法。

现有技术中，主要采用以下三种方式实现直流电压的测量：

其一，串行模数转换光耦隔离方式，采用串行模数转换器ADC将把电池电压转化为数字信号，并通过数字光耦隔离传输到串行数据总线，由DSP读回每一数据通道的电池电压。这种方式的缺点是每一路串行ADC需要独立的辅助电源，导致信号调理电路、数字信号隔离结构复杂，并且串行模数转换器ADC的成本偏高。

其二，线性光耦或者数字光耦补偿，采用线性光耦实现隔离的蓄电池电压检测，但是成本过高；而采用数字光耦加补偿电路，对于模拟信号来说数字光耦的缺点是因为输入输出的线形较差，并且会随温度变化较大，需要额外的对数字光耦的温度漂移进行校正和非线性进行补偿。

其三，电压频率转换光耦隔离，采用V/F器件将电压信号转换成脉冲芯片，以频率的方式来反映电压的变化，再经过数字光耦隔后通过测量频率，以计算得到对应的直流电压。但是在V/F电路中，需要达到足够高的稳定定和精度，对电路中的器件有很高的要求，同时频率范围对应的测量精度，在成本和精度之间，很难达到一个两全的选择。

发明内容

本发明实施例提供了一种直流电压测量装置，以解决现有的直流电压测量方式成本较高且可靠性低的技术问题，从而有效地降低直流电压测量的成本，同时提高隔离电压的等级。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种直流电压测量装置，包括第一电压测量端、第二电压测量端、第一电容、第一二极管、变压器、第二二极管、电子开关模块、电源、取样模块、测量脉冲控制端；

所述第一电压测量端分别与所述第一电容的第一端、所述第一二极管的输出端连接，所述第一二极管的输入端与所述变压器的次级绕组的第一端连接，所述第二电压测量端分别与所述第一电容的第二端、所述变压器的次级绕组的第二端连接；

所述变压器的初级绕组的第一端通过所述电子开关模块分别与所述电源、所述测量脉冲控制端连接，且所述变压器的初级绕组的第一端与所述第二二极管的输出端连接，所述变压器的初级绕组的第二端分别与所述第二二极管的输入端、所述取样模块连接。

作为优选方案，所述电子开关模块包括PNP型三极管、第一电阻、第二电阻、NPN型三极管、第三电阻；

所述PNP型三极管的集电极分别与所述第二二极管的输出端、所述变压器的初级绕组的第一端连接，所述PNP型三极管的发射极分别与所述电源、所述第一电阻的第一端连接，所述PNP型三极管的基极分别与所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端与所述NPN型三极管的集电极连接，所述NPN型三极管的发射极接地，所述NPN型三极管的基极通过所述第三电阻与所述测量脉冲控制端连接。

作为优选方案，所述直流电压测量装置还包括第四电阻、第五电阻、第六电阻；

所述第四电阻的第一端与所述第一电压测量端连接，所述第四电阻的第二端分别与所述第一二极管的输出端、所述第一电容的第一端、所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻并联连接在所述第一电容的第一端和第二端上，所述第六电阻的第一端与所述第二电压测量端连接，所述第六电阻的第二端分别与所述变压器次级绕组的第二端、所述第一电容的第二端、所述第五电阻的第二端连接。

作为优选方案，所述取样模块包括第七电阻、第八电阻、第二电容；

所述第七电阻的第一端分别与所述第八电阻的第一端、所述第二二极管的输入端、所述变压器初级绕组的第二端连接，所述第七电阻的第二端作为取样点并与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第八电阻的第二端共地。

相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，通过采用所述变压器实现电气信号的隔离，能够有效地地降低直流电源测量电路的成本；

其中，通过所述测量脉冲控制端在所述变压器的初级绕组上加入一个脉冲恒压信号，所述电子开关模块在测量脉冲控制信号产生时，导通所述电源和所述变压器的初级回路，并结合所述取样模块使得所述变压器的初级回路形成激励电流，同时通过所述变压器的初级绕组将激励电流耦合到所述变压器的次级绕组，通过所述第一二极管后为所述第一电容充电；

当所述第一电容充电达到平衡，在未测量电压状态下，所述第一电容两端的电压与所述第一电压测量端和所述第二电压测量端之间的被测电压呈分压的比例关系，并将此时的电压标记为第一电压；

当开始测量电压后，所述变压器的初级绕组感应通电产生的感应电流传输到所述二极管处，所述二极管导通，以使所述第一电容进行充电，所述第一电容两端的电压从原先的所述第一电压上升至第二电压，从而电流上升的趋势发生转折，通过所述变压器的初级绕组的电流从0上升到第一电流，进而完成直流电压的测量。

附图说明

图1是本发明实施例中的直流电压测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的直流电压测量装置的扩展应用示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明实施例提供了一种直流电压测量装置，包括第一电压U0测量端V+、第二电压U1测量端V-、第一电容C1、第一二极管D1、变压器T1、第二二极管D2、电子开关模块1、电源VDD、取样模块2、测量脉冲控制端；

所述第一电压U0测量端V+分别与所述第一电容C1的第一端、所述第一二极管D1的输出端连接，所述第一二极管D1的输入端与所述变压器T1的次级绕组的第一端连接，所述第二电压U1测量端V-分别与所述第一电容C1的第二端、所述变压器T1的次级绕组的第二端连接；

所述变压器T1的初级绕组的第一端通过所述电子开关模块1分别与所述电源VDD、所述测量脉冲控制端连接，且所述变压器T1的初级绕组的第一端与所述第二二极管D2的输出端连接，所述变压器T1的初级绕组的第二端分别与所述第二二极管D2的输入端、所述取样模块2连接。

在本实施例中，通过采用所述变压器T1实现电气信号的隔离，能够有效地地降低直流电源VDD测量电路的成本；

其中，通过所述测量脉冲控制端在所述变压器T1的初级绕组上加入一个脉冲恒压信号，所述电子开关模块1在测量脉冲控制信号产生时，导通所述电源VDD和所述变压器T1的初级回路，并结合所述取样模块2使得所述变压器T1的初级回路形成激励电流，同时通过所述变压器T1的初级绕组将激励电流耦合到所述变压器T1的次级绕组，通过所述第一二极管D1后为所述第一电容C1充电；

当所述第一电容C1充电达到平衡，在未测量电压状态下，所述第一电容C1两端的电压与所述第一电压U0测量端V+和所述第二电压U1测量端V-之间的被测电压呈分压的比例关系，并将此时的电压标记为第一电压U0；

当开始测量电压后，所述变压器T1的初级绕组感应通电产生的感应电流传输到所述第一二极管D1处，所述第一二极管D1导通，以使所述第一电容C1进行充电，所述第一电容C1两端的电压从原先的所述第一电压U0上升至第二电压U1，从而电流上升的趋势发生转折，通过所述变压器T1的初级绕组的电流从0上升到第一电流I1，进而完成直流电压的测量。

在其中一种实施方式中，所述电子开关模块1包括PNP型三极管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、NPN型三极管Q2、第三电阻R3；

所述PNP型三极管Q1的集电极分别与所述第二二极管D2的输出端、所述变压器T1的初级绕组的第一端连接，所述PNP型三极管Q1的发射极分别与所述电源VDD、所述第一电阻R1的第一端连接，所述PNP型三极管Q1的基极分别与所述第一电阻R1的第二端、所述第二电阻R2的第一端连接，所述第二电阻R2的第二端与所述NPN型三极管Q2的集电极连接，所述NPN型三极管Q2的发射极接地，所述NPN型三极管Q2的基极通过所述第三电阻R3与所述测量脉冲控制端连接。

在其中一种实施方式中，所述直流电压测量装置还包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；

所述第四电阻R4的第一端与所述第一电压U0测量端V+连接，所述第四电阻R4的第二端分别与所述第一二极管D1的输出端、所述第一电容C1的第一端、所述第五电阻R5的第一端连接，所述第五电阻R5并联连接在所述第一电容C1的第一端和第二端上，所述第六电阻R6的第一端与所述第二电压U1测量端V-连接，所述第六电阻R6的第二端分别与所述变压器T1次级绕组的第二端、所述第一电容C1的第二端、所述第五电阻R5的第二端连接。

在其中一种实施方式中，所述取样模块2包括第七电阻R7、第八电阻R8、第二电容C2；

所述第七电阻R7的第一端分别与所述第八电阻R8的第一端、所述第二二极管D2的输入端、所述变压器T1初级绕组的第二端连接，所述第七电阻R7的第二端作为取样点并与所述第二电容C2的第一端连接，所述第二电容C2的第二端与所述第八电阻R8的第二端共地。

在本发明实施例中，所述电压测量装置的原理是：

为了实现电气信号的隔离，由于变压器T1是一种非常成熟的隔离器件，通过电磁耦合实现能量和信号的传递。

为了实现直流电压测量，在所述变压器T1的初级通过所述测量脉冲控制端加入一个脉冲恒压信号，并且在所述变压器T1的初级回路中，串联一个用于取样的所述第八电阻R8。

通过所述第一二极管D1、所述第二二极管D2、所述第一电阻R1、所述第二电阻R2、所述第三电阻R3组成所述电子开关模块1；

当有测量控制脉冲产生时，所述第二二极管D2导通，触发所述第一二极管D1导通，所述电源VDD通过所述变压器T1的初级，所述第八电阻R8对地形成回路，所述变压器T1初级形成激励电流。同时通过所述变压器T1耦合到次级，通过所述二极管后对所述第一电容C1充电。

当所述变压器T1产生的感应电压低于所述第一电容C1的两端时，所述第二二极管D2没有电流通过，所述变压器T1线圈两端电压从0快速上升。

当电压上升到所述第一电容C1时并使得所述第二二极管D2导通电压后，对所述第一电容C1充电，以使所述第二二极管D2中有电流流过。

由于所述变压器T1的电磁感应耦合的原理，在所述变压器T1的初级和次级，电压和电流的变化特性，与变压器T1物理特性直接相关。

在所述变压器T1的次级，通过所述第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6与被测电压连接，构成一个分压电路，所述第一电容C1充电达到平衡，在未测量状态下，所述第一电容C1两端电压与被测电压呈电阻分压的比例关系，将此时的电压标记为U0。

当开始测量后，所述变压器T1初级通电产生的感应电流，该电流从0开始迅速上升，当所述第一二极管D1导通，对所述第一电容C1充电后，所述第一电容C1两端的电压从U0上升到U1，电流上升的趋势发生转折，通过所述变压器T1初级的电流从0上升到I1。

测量脉冲结束后，所述第一电容C1对所述第五电阻R5放电，重新恢复到U0。

所述变压器T1初级的所述第八电阻R8位置，得到一个电流变化同样趋势，且具有线性比例关系的电压信号，经过RC滤波后提供的后续的电路进行进一步的处理。利用AD转换，并配合算法修正二极管压降，所述变压器T1内阻影响，电容充电影响等，通过综合换算得到测量得出电压U0。

请参见图2，在本发明实施例中，在直流电压测量装置的基础上能够扩展成多路的电压隔离测量，

可以理解的，开关S1..S2实际中可以通过三极管、MOS管或者模拟开关来实现，用来控制测量脉冲，从而通过控制不同通道的测量脉冲信号，实现通道的选择和测量。

综上，本发明实施例提供了一种直流电压测量装置，包括第一电压U0测量端V+、第二电压U1测量端V-、第一电容C1、第一二极管D1、变压器T1、第二二极管D2、电子开关模块1、电源VDD、取样模块2、测量脉冲控制端；所述第一电压U0测量端V+分别与所述第一电容C1的第一端、所述第一二极管D1的输出端连接，所述第一二极管D1的输入端与所述变压器T1的次级绕组的第一端连接，所述第二电压U1测量端V-分别与所述第一电容C1的第二端、所述变压器T1的次级绕组的第二端连接；所述变压器T1的初级绕组的第一端通过所述电子开关模块1分别与所述电源VDD、所述测量脉冲控制端连接，且所述变压器T1的初级绕组的第一端与所述第二二极管D2的输出端连接，所述变压器T1的初级绕组的第二端分别与所述第二二极管D2的输入端、所述取样模块2连接。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

(1)通过采用所述变压器T1实现电气信号的隔离，能够有效地地降低直流电源VDD测量电路的成本；

(2)通过所述测量脉冲控制端在所述变压器T1的初级绕组上加入一个脉冲恒压信号，所述电子开关模块1在测量脉冲控制信号产生时，导通所述电源VDD和所述变压器T1的初级回路，并结合所述取样模块2使得所述变压器T1的初级回路形成激励电流，同时通过所述变压器T1的初级绕组将激励电流耦合到所述变压器T1的次级绕组，通过所述第一二极管D1后为所述第一电容C1充电；

(3)当所述第一电容C1充电达到平衡，在未测量电压状态下，所述第一电容C1两端的电压与所述第一电压U0测量端V+和所述第二电压U1测量端V-之间的被测电压呈分压的比例关系，并将此时的电压标记为第一电压U0；

当开始测量电压后，所述变压器T1的初级绕组感应通电产生的感应电流传输到所述第一二极管D1处，所述第一二极管D1导通，以使所述第一电容C1进行充电，所述第一电容C1两端的电压从原先的所述第一电压U0上升至第二电压U1，从而电流上升的趋势发生转折，通过所述变压器T1的初级绕组的电流从0上升到第一电流I1，进而完成直流电压的测量。

由于变压器具有非常成熟的加工工艺，很容易实现高等级的隔离电压。变压器为静态磁感应元件，不存在机械动作，具有持久的可靠性。脉冲变压器很容易实现批量的自动化加工，且材料为常规材料，具有很好的成本效应。通过电阻以电流方式取样，有更好的抗干扰能力，同时电阻的精度比变压器电感更容易保障精度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种直流电压测量装置，其特征在于，包括第一电压测量端、第二电压测量端、第一电容、第一二极管、变压器、第二二极管、电子开关模块、电源、取样模块、测量脉冲控制端；

所述第一电压测量端分别与所述第一电容的第一端、所述第一二极管的输出端连接，所述第一二极管的输入端与所述变压器的次级绕组的第一端连接，所述第二电压测量端分别与所述第一电容的第二端、所述变压器的次级绕组的第二端连接；

所述变压器的初级绕组的第一端通过所述电子开关模块分别与所述电源、所述测量脉冲控制端连接，且所述变压器的初级绕组的第一端与所述第二二极管的输出端连接，所述变压器的初级绕组的第二端分别与所述第二二极管的输入端、所述取样模块连接；

所述电子开关模块包括PNP型三极管、第一电阻、第二电阻、NPN型三极管、第三电阻；

所述PNP型三极管的集电极分别与所述第二二极管的输出端、所述变压器的初级绕组的第一端连接，所述PNP型三极管的发射极分别与所述电源、所述第一电阻的第一端连接，所述PNP型三极管的基极分别与所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端与所述NPN型三极管的集电极连接，所述NPN型三极管的发射极接地，所述NPN型三极管的基极通过所述第三电阻与所述测量脉冲控制端连接；

所述直流电压测量装置还包括第四电阻、第五电阻、第六电阻；

所述第四电阻的第一端与所述第一电压测量端连接，所述第四电阻的第二端分别与所述第一二极管的输出端、所述第一电容的第一端、所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻并联连接在所述第一电容的第一端和第二端上，所述第六电阻的第一端与所述第二电压测量端连接，所述第六电阻的第二端分别与所述变压器次级绕组的第二端、所述第一电容的第二端、所述第五电阻的第二端连接；

上述直流电压测量装置的测量原理为：

通过所述测量脉冲控制端在所述变压器的初级绕组上加入一个脉冲恒压信号，所述电子开关模块在测量脉冲控制信号产生时，导通所述电源和所述变压器的初级回路，并结合所述取样模块使得所述变压器的初级回路形成激励电流，同时通过所述变压器的初级绕组将激励电流耦合到所述变压器的次级绕组，通过所述第一二极管后为所述第一电容充电；

在所述变压器T1的次级，通过所述第四电阻、第五电阻、第六电阻与被测电压连接，构成一个分压电路，当所述第一电容充电达到平衡，在未测量电压状态下，所述第一电容两端的电压与所述第一电压测量端和所述第二电压测量端之间的被测电压呈分压的比例关系，并将此时的电压标记为第一电压；

当开始测量电压后，所述变压器的初级绕组感应通电产生的感应电流传输到所述第一二极管处，所述第一二极管导通，以使所述第一电容进行充电，所述第一电容两端的电压从原先的所述第一电压上升至第二电压，从而电流上升的趋势发生转折，通过所述变压器的初级绕组的电流从0上升到第一电流，进而完成直流电压的测量；

测量脉冲结束后，所述第一电容对所述第五电阻放电，重新恢复到第一电压。

2.如权利要求1所述的直流电压测量装置，其特征在于，所述取样模块包括第七电阻、第八电阻、第二电容；

所述第七电阻的第一端分别与所述第八电阻的第一端、所述第二二极管的输入端、所述变压器初级绕组的第二端连接，所述第七电阻的第二端作为取样点并与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第八电阻的第二端共地。