一种变型差分交流电压采样电路的制作方法

1.本发明涉及电源领域的交流电压采样控制电路，尤其涉及一种变型差分交流电压采样电路。


背景技术：

2.交流电源的应用非常广泛，而交流电压的采样在电源电压检测和控制中是不可或缺的电路。
3.现有的交流电压采样电路有多种方式，有说明书图1所示的先通过二极管整流、电容滤波，然后再通过电阻分压获得所需的交流电压采样信号；有说明书图3所示的有先通过电阻分压，然后再通过二极管整流、电容滤波。
4.但这些采样方式都存在常见的两个问题：
5.(1)、为了满足emc要求，电气设备线路中必须要插入y电容 c1，而交流线路或直流线路中一旦插入了共模滤波c1，交流整流电路便等效为一个倍压整流电路，交流电压采样信号电压将随c1的大小而变化，特别是在交流整流电路轻载和空载情况下采样误差更大。说明书图2仿真了图1所示的现有交流电压采样电路，vsense是常温时没有插入c1前的交流电压采样信号，vsense_y是常温时线路中插入c1后的交流电压采样信号，vsense_t是高温时没有插入c1前的交流电压采样信号，附图2中，vsense为3v，而vsense_y却上升到了4.7v，vsense_t略低于vsense，且图2中vsense_t和vsense 略有重叠。可以发现附图1所示的现有交流电压采样电路虽然温度对交流电压采样精度误差影响较小，但c1的插入却严重影响了交流电压采样精度误差；
6.(2)、环境温度和工作温度的变化会影响整流二极管的正向管压降，因此交流电压采样信号电压将随温度的变化而变化。附图4仿真了附图3所示的现有交流电压采样电路，vsense是常温时没有插入 c1前的交流电压采样信号，vsense_y是常温时线路中插入c1后的交流电压采样信号，vsense_t是高温时没有插入c1前的交流电压采样信号，附图4中，vsense为3v，而vsense_y却上升到了4.7v，vsense_t 下降到了2.5v，可以发现附图3所示的现有交流电压采样电路不但 c1的插入却严重影响了交流电压采样精度误差，而且温度对交流电压采样精度误差影响也比较严重。
7.综上所述，现有交流电压采样电路因各自的电路特性而存在采样精度误差大的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的就在于提供一种能有效避免因c1的插入和温度变化严重影响采样精度的技术问题的，一种变型差分交流电压采样电路。
9.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种变型差分交流电压采样电路，包括交流电源、交流电源的n线经y电容 c1接地，交流电源依次连接有交流分压电路、差分运算放大电路、整流电路和采样信号滤波电路；
10.所述交流分压电路，用于将交流电源分压成所需幅度的交流信号电压，传送给差分运算放大电路；
11.所述差分运算放大电路，用于将交流信号电压转换为单极性信号电压，传送给整流电路，所述单极性信号电压为低阻抗正负半波的馒头波信号；
12.所述整流电路用于将单极性信号电压整流为脉动直流信号，传送给采样信号滤波电路；
13.所述采样信号滤波电路用于根据脉动直流信号输出交流电压采样信号。
14.作为优选：所述交流分压电路为电阻分压电路，或电容电阻构成的分压电路。
15.作为优选：所述交流分压电路包括电阻r1-r8，其中交流电源的 l线经电阻r1-r4接c1的接地端，交流电源的n线经r5-r8接c1的接地端，且r1-r8的阻值满足：r1 r2 r3＝r5 r6 r7，r4＝r8。
16.作为优选：所述差分运算放大电路包括两个运算放大器amp1、 amp2，和电阻r9-r16；
17.其中amp1的正向输入端分为两路，一路经r11接在r3和r4之间，一路经r15接c1的接地端；amp1的反向输入端分为两路，一路经r9接在r7和r8之间，一路接r10；
18.amp2的正向输入端分为两路，一路经r14接在r7和r8之间，一路经r16接c1的接地端；amp1的反向输入端分为两路，一路经r12 接在r3和r4之间，一路接r13；且r9-r16的阻值相同。
19.作为优选：所述整流电路包括二极管d1、d2；所述d1正极接amp1 输出端，负极接r10；所述d2正极接amp2输出端，负极接r13，且 d1、d2的负极相连。
20.作为优选：所述采样信号滤波电路包括r17、r18和电容c2，所述d1、d2的负极经r17、r18接c1的接地端，c2与r18并联，c2两端的电压为交流电压采样信号。
21.交流分压电路的输入端与交流电源相连接，输出端与差分运算放大电路的输入端相连接，可以由电阻网络组成，也可以由电阻与电容网络组成，目的是将交流电源分压成所需幅度的交流信号电压，传送给后级的差分运算放大电路。
22.差分运算放大电路由运算放大器与电阻电容组成，将交流分压电路分压所得的交流信号电压，通过电阻电容以及运算放大器的阻抗变换，转换成低阻抗、单极性的正负半波的馒头波信号，传送给后级整流电路。
23.整流电路由具有单向导通特性的半导体器件组成，将差分运算放大电路输出的信号整流为脉动直流信号，传递给采样信号滤波电路。
24.采样信号滤波电路由电阻电容网络组成，将整流电路输出的脉动直流信号、通过电阻分压和阻容滤波获得与交流电压幅度对应的线性良好的平滑直流信号。
25.本发明的核心是利用差分运算放大电路对交流源电压进行差分检测、和二极管无损耗整流，以获得与交流电压幅度对应的线性良好的平滑直流信号。
26.与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)消除了因线路中y电容的插入而产生的采样误差；(2)消除了温度对交流电压的采样精度的影响；(3)避免高压整流器件和高压滤波电容的使用，提高了电路可靠性。
附图说明
27.图1为常规交流电压采样电路先整流后分压方案的电路原理图；
28.图2为图1的采样电压误差仿真图；
29.图3为常规交流电压采样电路先分压后整流方案的电路原理图；
30.图4为图3的采样电压误差仿真图；
31.图5为本发明的电路框图；
32.图6为本发明的电路的原理图；
33.图7是图6的采样电压误差仿真图。
34.图中：110、交流分压电路；120、差分运算放大电路；130、整流电路；140、采样信号滤波电路。
具体实施方式
35.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
36.实施例1：参见图5，一种变型差分交流电压采样电路，包括交流电源、交流电源的n线经y电容c1接地，交流电源依次连接有交流分压电路110、差分运算放大电路120、整流电路130和采样信号滤波电路140；
37.所述交流分压电路110，用于将交流电源分压成所需幅度的交流信号电压，传送给差分运算放大电路120；
38.所述差分运算放大电路120，用于将交流信号电压转换为单极性信号电压，传送给整流电路130，所述单极性信号电压为低阻抗正负半波的馒头波信号；
39.所述整流电路130用于将单极性信号电压整流为脉动直流信号，传送给采样信号滤波电路140；
40.所述采样信号滤波电路140用于根据脉动直流信号输出交流电压采样信号。
41.所述交流分压电路110为电阻分压电路，或电容电阻构成的分压电路。
42.实施例2：参见图6和图7，基于实施例1，我们给出一种具体的电路结构，其中，所述交流分压电路110包括电阻r1-r8，其中交流电源的l线经电阻r1-r4接c1的接地端，交流电源的n线经r5-r8 接c1的接地端，且r1-r8的阻值满足：r1 r2 r3＝r5 r6 r7，r4＝r8。
43.所述差分运算放大电路120包括两个运算放大器amp1、amp2，和电阻r9-r16；
44.其中amp1的正向输入端分为两路，一路经r11接在r3和r4之间，一路经r15接c1的接地端；amp1的反向输入端分为两路，一路经r9接在r7和r8之间，一路接r10；
45.amp2的正向输入端分为两路，一路经r14接在r7和r8之间，一路经r16接c1的接地端；amp1的反向输入端分为两路，一路经r12 接在r3和r4之间，一路接r13；且r9-r16的阻值相同。
46.所述整流电路130包括二极管d1、d2；所述d1正极接amp1输出端，负极接r10；所述d2正极接amp2输出端，负极接r13，且d1、 d2的负极相连。
47.所述采样信号滤波电路140包括r17、r18和电容c2，所述d1、 d2的负极经r17、r18接c1的接地端，c2与r18并联，c2两端的电压为交流电压采样信号。
48.本实施例中：
49.关于交流分压电路110：实际上，电阻r1-r4组成l相电压分压网络，电阻r5-r8组成
l相电压分压网络，其分压参考点为交流电源的共模地即后级电路的参考地。r1 r2 r3＝r5 r6 r7，r4＝r8，r4两端的电压v
r4
和r8两端的电压v
r8
分别是l相和n相对后级电路参考地的共模采样电压，而且是交流正弦波电压，其计算公式如下：
[0050]vr4
＝-v
r8
＝vac
÷
(r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8)
×
r4
[0051]
当vac＝220v、r1 r2 r3＝r5 r6 r7＝3mω、r4＝r8＝47kω时：
[0052]vr4
＝v
r8
＝220
×
√2
×2÷
(3047kω 3047kω)
×
47kω＝4.798v
pp
[0053]
其中，vac为交流电源的输入电压。
[0054]
关于差分运算放大电路120：实际上，电阻r11与r15组成运算放大器amp1的同相输入分压电阻网络，电阻r9与r10组成运算放大器amp1的反相输入电阻网络；电阻r14与r16组成运算放大器amp2 的同相输入分压电阻网络，电阻r12与r13组成运算放大器amp2的反相输入电阻网络，r9＝r10＝r11＝r12＝r13＝r14＝r15＝r16，根据运算放大器虚短原理，差分运算放大电路120的输出端电压完全等于其输入端电压vout，所以结合本发明电路图，本实施例中， vout＝v
r4
＝v
r8
＝4.798v
pk
，v
pk
峰值电压，而且该电压为单极性信号电压，波形为低阻抗正负半波的馒头波信号。由于所述差分运算放大电路 120的输入侧为交流电源对运算放大电路参考地的共模电压，而且运算放大电路又以差分放大模式工作，因此即使线路中有y电容的插入也不会在运算放大电路的输入侧等效为倍压整流电压，不影响交流电压的真值采样，换而言之，所述变型差分交流电压采样电路能有效避免因y电容的插入对采样精度误差的影响。
[0055]
关于整流电路130：本实施例中，二极管d1为运算放大器amp1 的整流器件、二极管d2为运算放大器amp2的整流器件，该整流电路 130的输出电压也为vout＝v
r4
＝v
r8
＝4.798v
pk
，而且该电压为包含2倍交流纹波的直流电压，其整流滤波系数k≈0.758。由于所述差分运算放大电路120的反相输入电阻r10和r13均与所述整流电路130的输出端相连接，因此整流电路130的输出电压不受整流二极管的正向电压降影响，换而言之，整流电路130的输出电压的温度稳定性非常良好。
[0056]
关于采样信号滤波电路140：通过电阻r17、r18分压获得所需的采样电压比例，同时，电阻r17、电阻r18、电容c2共同实现两倍交流纹波的滤波作用，电容c2的容量越大，采样信号滤波电路140输出的交流电压采样信号的交流纹波越小，但检测速度就会变慢；电容越小，交流电压采样信号的交流纹波越大，但检测速度就会变快。rc 时间常数可以根据交流电源频率适当调节。
[0057]
基于本发明的设计，实际上交流电压采样信号、与温度、是否插入c1都无关，所以为了与图2、图4中的vsense、vsense_y、vsense_t 进行区分。我们设采样信号滤波电路140输出的交流电压采样信号为 vs，计算方法为：
[0058]
vs＝v
r4
÷
(r17 r18)
×
r17
×k[0059]
当r17＝10kω、r18＝47kω、rc滤波系数k＝0.758时：
[0060]
vs＝4.798
÷
(10 47)
×
47
×
0.758＝3v。
[0061]
为了验证本发明中，无论加入y电容c1，均对交流电压的采样精度无影响，我们对图6进行仿真，分别进行了三次：
[0062]
第一次：常温时没有插入c1，获取交流电压采样信号；
[0063]
第二次：常温时线路中插入c1，获取交流电压采样信号；
[0064]
第三次：高温时没有插入c1，获取交流电压采样信号；
[0065]
三次得到的采样电压误差仿真图，均为图7所示。可知，三次交流电压采样信号完全相同并重叠。
[0066]
综上所述，本发明提供的变型差分交流采样电路，它包括交流电压分压电路、差分运算放大电路120、整流电路130、采样信号滤波电路140。在常规的交流电压采样电路上，本发明通过对交流电压的变型差分采样，整流滤波，消除了因线路中y电容的插入而产生的采样误差，同时也消除了温度对交流电压的采样精度的影响，还避免高压整流器件和高压滤波电容的使用，提高了电路可靠性，具有良好的使用价值和应用前景。
[0067]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。