CN110824220A - 一种新型电子式传感器的信号采集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型电子式传感器的信号采集电路，包括依次连接的光耦隔离电路、滤波电路和AD采样电路，其中光耦隔离电路的输入端外接电子式传感器的输出端，AD采样电路的输出端外接FTU的控制芯片。本发明实现了与电子式传感器配合的信号采集电路，通过光耦隔离电路将夹杂在输入量中的各种干扰脉冲挡在输入侧，然后采用滤波电路对通过光耦隔离电路的信号进行进一步滤波，具有较高的电气隔离和抗干扰能力，保证了采集信号的准确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型电子式传感器的信号采集电路，属于信号采集领域。
背景技术
高压电子式传感器是电力高压***中一次电能计量和继电保护的主要设备，其输出信号的准确可靠性直接决定着电力高压***的安全、经济和可靠运行。
实际应用中高压电子式传感器与FTU安装位置存在差异，传感器与FTU交流采样回路间的电缆长度可能长达数米，甚至十几米。市场上目前常用的无源电子式电流传感器输出相电流信号测量范围为10mV~240mV；而无源电子式电压传感器输出相电压信号最小精度为9.28mV，而电力***中电磁干扰是比较严重的，这些干扰易于叠加到这种弱电压、小信号上，不仅会带来测量误差，而且可能使保护***误动作。因此对这种小信号的传输和配电终端对其采样上提出了更高的要求及难点，而现在还没有与之匹配的信号采集电路。
发明内容
本发明提供了一种新型电子式传感器的信号采集电路，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种新型电子式传感器的信号采集电路，包括依次连接的光耦隔离电路、滤波电路和AD采样电路，其中光耦隔离电路的输入端外接电子式传感器的输出端，AD采样电路的输出端外接FTU的控制芯片。
光耦隔离电路包括运放U1A、运放U1B、运放U1C、运放U1D、光耦U2、光耦U3、电阻R1~R9、电容C1~C6、二极管D1~D2；
电阻R4的一端和电阻R5的一端作为光耦隔离电路的输入端，电阻R4的另一端和电阻R5的另一端分别连接运放U1A的正输入端和负输入端，电阻R8的两端分别连接运放U1A的正输入端和公共地，电阻R7的两端分别连接运放U1A的负输入端和输出端，电容C4的两端分别连接运放U1A的负输入端和输出端；
运放U1B的正输入端接公共地，运放U1B的负输入端通过电阻R6连接运放U1A的输出端，电容C5的两端分别连接运放U1B的负输入端和输出端，二极管D2的阳极和阴极分别连接运放U1B的输出端和负输入端，运放U1B的输出端通过电阻R9连接光耦U3的第二引脚；
光耦U3的第一引脚连接电源负极，光耦U3的第三引脚和第六引脚接公共地，光耦U3的第四引脚连接运放U1B的负输入端，光耦U3的第五引脚连接运放U1C的负输入端；
运放U1D的正输入端接公共地，运放U1D的负输入端通过电阻R2连接运放U1A的输出端，电容C1的两端分别连接运放U1D的负输入端和输出端，二极管D1的阳极和阴极分别连接运放U1D的负输入端和输出端，运放U1B的输出端通过电阻R1连接光耦U2的第一引脚；
光耦U2的第二引脚连接电源正极，光耦U2的第四引脚和第五引脚接公共地，光耦U2的第三引脚连接运放U1D的负输入端，光耦U2的第六引脚连接运放U1C的负输入端；
运放U1C的正输入端接公共地，电阻R3的两端分别连接运放U1C输出端和负输入端，电容C6的两端分别连接运放U1C输出端和负输入端，电容C2的两端分别连接运放U1C的正电源端和公共地，电容C3的两端分别连接运放U1C的负电源端和公共地，运放U1C的输出端为光耦隔离电路的输出端。
光耦隔离电路的光耦型号为HCNR201。
滤波电路包括压敏电阻RV1、电阻R10、电容C7~C10；
压敏电阻RV1的两端作为滤波电路的输入端，压敏电阻RV1的一端分别与电阻R10的一端和电容C7的一端连接，压敏电阻RV1的另一端分别与电容C7的另一端、电容C8的一端、电容C9的一端、电容C10的一端以及公共地连接，电容C9的另一端和电容C10的另一端与保护地连接，电容C8的另一端分布与电阻R10的另一端连接，并且该端也作为滤波电路的输出端。
滤波电路还包括二极管D3~D4；二极管D3的阳极和二极管D4的阴极均连接作为滤波电路输出端的电容C8端部，二极管D3的阴极和二极管D4的阳极分布连接电源正极和负极。
电容C10为安规电容。
AD采样电路为AD采样芯片。
AD采样芯片为8通道16位的模数转换芯片，型号为MAX11046芯片。
本发明所达到的有益效果：本发明实现了与电子式传感器配合的信号采集电路，通过光耦隔离电路将夹杂在输入量中的各种干扰脉冲挡在输入侧，然后采用滤波电路对通过光耦隔离电路的信号进行进一步滤波，具有较高的电气隔离和抗干扰能力，保证了采集信号的准确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为光耦隔离电路的电路图；
图3为滤波电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种新型电子式传感器的信号采集电路，包括依次连接的光耦隔离电路、滤波电路和AD采样电路，其中，光耦隔离电路的输入端外接电子式传感器的输出端，接收电子式传感器传输的信号，AD采样电路的输出端外接FTU的控制芯片，即将通过信号采集电路处理后的信号传输给FTU。
如图2所示，光耦隔离电路包括运放U1A、运放U1B、运放U1C、运放U1D、光耦U2、光耦U3、电阻R1~R9、电容C1~C6、二极管D1~D2。
电阻R4的一端和电阻R5的一端作为光耦隔离电路的输入端，电阻R4的另一端和电阻R5的另一端分别连接运放U1A的正输入端和负输入端，电阻R8的两端分别连接运放U1A的正输入端和公共地，电阻R7的两端分别连接运放U1A的负输入端和输出端，电容C4的两端分别连接运放U1A的负输入端和输出端。
运放U1B的正输入端接公共地，运放U1B的负输入端通过电阻R6连接运放U1A的输出端，电容C5的两端分别连接运放U1B的负输入端和输出端，二极管D2的阳极和阴极分别连接运放U1B的输出端和负输入端，运放U1B的输出端通过电阻R9连接光耦U3的第二引脚。
光耦U3的第一引脚连接电源负极，光耦U3的第三引脚和第六引脚接公共地，光耦U3的第四引脚连接运放U1B的负输入端，光耦U3的第五引脚连接运放U1C的负输入端。
运放U1D的正输入端接公共地，运放U1D的负输入端通过电阻R2连接运放U1A的输出端，电容C1的两端分别连接运放U1D的负输入端和输出端，二极管D1的阳极和阴极分别连接运放U1D的负输入端和输出端，运放U1B的输出端通过电阻R1连接光耦U2的第一引脚。
光耦U2的第二引脚连接电源正极，光耦U2的第四引脚和第五引脚接公共地，光耦U2的第三引脚连接运放U1D的负输入端，光耦U2的第六引脚连接运放U1C的负输入端。
运放U1C的正输入端接公共地，电阻R3的两端分别连接运放U1C输出端和负输入端，电容C6的两端分别连接运放U1C输出端和负输入端，电容C2的两端分别连接运放U1C的正电源端和公共地，电容C3的两端分别连接运放U1C的负电源端和公共地，运放U1C的输出端为光耦隔离电路的输出端。
上述光耦隔离电路的光耦型号为HCNR201，它具有超低线性度（0.01%）、低增益温度系数（-65ppm/℃）、耐压等级高(5000V)，隔离电压高（最高隔离8000V）、单向传输、抗共模干扰能力强及信号一比一线性高速传输等优点。上述电阻R1~R9的阻值分别为320欧、100千欧、100千欧、10千欧、10千欧、100千欧、10千欧、10千欧、620欧。上述电容C1~C6容量分别为10皮法、0.1微法、0.1微法、10皮法、10皮法、10皮法；上述运放U1A、运放U1B、运放U1C、运放U1D型号均为OP4177AR；上述二极管D1~D2的型号均为1N4148。
在电子式传感器信号采集的设计中，关键技术之一是实现一次传感器和二次采集电路的隔离。其作用主要有两个，一是切断一次和二次的电气联系，避免把高电压引入二次侧；二是可以避免一次侧和二次侧因为信号和电源共地而引起的测量误差。一般来说实现模拟信号隔离的方法有隔离变压器隔离、线性放大器隔离和光电隔离等。变压器隔离有很好的线性度，但是这种隔离方式成本高，对交流信号的角差采集误差较大，而且不容易做成IC，限制了它的应用；线性隔离放大器克服了后一个缺点，但是也存在成本高的问题。光电隔离方式成本较低，但大多数研究只在直流信号隔离上，即普通光耦隔离电路仅能实现直流信号的隔离，且采样精度无法保证，受限于其信号输入范围必须高于0电位和普通光耦的线性度不高。上述光耦隔离电路考虑了整个正负半周的信号隔离，实现了交流隔离。
如图3所示，滤波电路包括压敏电阻RV1、电阻R10、电容C7~C10、二极管D3~D4。
压敏电阻RV1的两端作为滤波电路的输入端，压敏电阻RV1的一端分别与电阻R10的一端和电容C7的一端连接，压敏电阻RV1的另一端分别与电容C7的另一端、电容C8的一端、电容C9的一端、电容C10的一端以及公共地连接，电容C9的另一端和电容C10的另一端与保护地连接，电容C8的另一端分布与电阻R10的另一端连接，并且该端也作为滤波电路的输出端。
二极管D3的阳极和二极管D4的阴极均连接作为滤波电路输出端的电容C8端部，二极管D3的阴极和二极管D4的阳极分布连接电源正极和负极。
上述电容C10为安规电容，容量为1nF，电容C7~C10容量分别为10n和1nF；压敏电阻RV1型号为14D470K；电阻R10阻值为1千欧；二极管D3~D4的型号均为LL4154。
压敏电阻RV1主要负责滤除差模浪涌以及雷电冲击干扰；安规电容主要负责滤除共模浪涌、电快速瞬变以及安规高压冲击干扰；电容C9主要负责滤除前端采样信号中夹杂的工频干扰；电阻R10、电容C7和电容/C8形成Π滤波电路，滤除前级采样信号中携带的高频干扰；二极管D3和D4主要负责信号钳位作用，防止信号超出电源幅值而损坏后级AD采样电路。
AD采样电路AD采样芯片为8通道16位的模数转换芯片，型号为MAX11046芯片，FTU采用MAX11046芯片，输入信号为交流小电压信号，采用差分输入，该芯片具有高达1GΩ的高阻输入，3µs快速转换时间，高吞吐率：每个通道为250ksps，16位/14位高速并行接口，低温漂、高精度4.096V内部基准支持±5V输入范围，3.0V至4.25V外部基准范围，支持±4.0V至±5.2V满量程输入范围，满***流模拟量输入通道需要10MΩ以上输入阻抗匹配要求。基于该AD采样芯片的特点，信号进行滤波处理后，可以直接进AD进行转换。
本发明实现了与电子式传感器配合的信号采集电路，通过光耦隔离电路将夹杂在输入量中的各种干扰脉冲挡在输入侧，然后采用滤波电路对通过光耦隔离电路的信号进行进一步滤波，具有较高的电气隔离和抗干扰能力，保证了采集信号的准确性和可靠性，较好的实现了新型电子式传感器的信号高精度采集，高线性度隔离，采样精度达到0.5%。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种新型电子式传感器的信号采集电路，其特征在于：包括依次连接的光耦隔离电路、滤波电路和AD采样电路，其中光耦隔离电路的输入端外接电子式传感器的输出端，AD采样电路的输出端外接FTU的控制芯片。
2.根据权利要求1所述的一种新型电子式传感器的信号采集电路，其特征在于：光耦隔离电路包括运放U1A、运放U1B、运放U1C、运放U1D、光耦U2、光耦U3、电阻R1~R9、电容C1~C6、二极管D1~D2；
电阻R4的一端和电阻R5的一端作为光耦隔离电路的输入端，电阻R4的另一端和电阻R5的另一端分别连接运放U1A的正输入端和负输入端，电阻R8的两端分别连接运放U1A的正输入端和公共地，电阻R7的两端分别连接运放U1A的负输入端和输出端，电容C4的两端分别连接运放U1A的负输入端和输出端；
运放U1B的正输入端接公共地，运放U1B的负输入端通过电阻R6连接运放U1A的输出端，电容C5的两端分别连接运放U1B的负输入端和输出端，二极管D2的阳极和阴极分别连接运放U1B的输出端和负输入端，运放U1B的输出端通过电阻R9连接光耦U3的第二引脚；
光耦U3的第一引脚连接电源负极，光耦U3的第三引脚和第六引脚接公共地，光耦U3的第四引脚连接运放U1B的负输入端，光耦U3的第五引脚连接运放U1C的负输入端；
运放U1D的正输入端接公共地，运放U1D的负输入端通过电阻R2连接运放U1A的输出端，电容C1的两端分别连接运放U1D的负输入端和输出端，二极管D1的阳极和阴极分别连接运放U1D的负输入端和输出端，运放U1B的输出端通过电阻R1连接光耦U2的第一引脚；
光耦U2的第二引脚连接电源正极，光耦U2的第四引脚和第五引脚接公共地，光耦U2的第三引脚连接运放U1D的负输入端，光耦U2的第六引脚连接运放U1C的负输入端；
运放U1C的正输入端接公共地，电阻R3的两端分别连接运放U1C输出端和负输入端，电容C6的两端分别连接运放U1C输出端和负输入端，电容C2的两端分别连接运放U1C的正电源端和公共地，电容C3的两端分别连接运放U1C的负电源端和公共地，运放U1C的输出端为光耦隔离电路的输出端。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型电子式传感器的信号采集电路，其特征在于：光耦隔离电路的光耦型号为HCNR201。
4.根据权利要求1所述的一种新型电子式传感器的信号采集电路，其特征在于：滤波电路包括压敏电阻RV1、电阻R10、电容C7~C10；
压敏电阻RV1的两端作为滤波电路的输入端，压敏电阻RV1的一端分别与电阻R10的一端和电容C7的一端连接，压敏电阻RV1的另一端分别与电容C7的另一端、电容C8的一端、电容C9的一端、电容C10的一端以及公共地连接，电容C9的另一端和电容C10的另一端与保护地连接，电容C8的另一端分布与电阻R10的另一端连接，并且该端也作为滤波电路的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种新型电子式传感器的信号采集电路，其特征在于： 滤波电路还包括二极管D3~D4；二极管D3的阳极和二极管D4的阴极均连接作为滤波电路输出端的电容C8端部，二极管D3的阴极和二极管D4的阳极分布连接电源正极和负极。
6.根据权利要求4所述的一种新型电子式传感器的信号采集电路，其特征在于：电容C10为安规电容。
7.根据权利要求1所述的一种新型电子式传感器的信号采集电路，其特征在于：AD采样电路为AD采样芯片。
8.根据权利要求1所述的一种新型电子式传感器的信号采集电路，其特征在于：AD采样芯片为8通道16位的模数转换芯片，型号为MAX11046芯片。
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Application publication date: 20200221 |