一種SPWM交流電壓采樣電路及采樣系統的制作方法

本實用新型涉及一種SPWM交流電壓采樣電路及采樣系統。

背景技術：

輸出電壓是電源類系統一個至關重要的參數，在輸出三相交流電壓的電源設備中，能否檢測三相交流電壓，對電源控制系統的控制精度及電源設備的運行與保護至關重要。

目前，主要通過交流電壓采樣電路對交流電壓進行檢測，電源類產品中主要檢測經LC濾波電路濾波后的輸出交流電壓，而無法檢測含有高次諧波SPWM交流電壓。主要的交流采樣電路有三種：(1)基于電壓互感器或變壓器的交流電壓采樣電路，通過原副邊變比來確定輸入的交流電壓值，該方案成本高、占用PCB面積大，線性度一致性不好，采樣精度低且不安全；(2)利用橋式整流檢測交流電壓電路，該方案缺點是負載較重時，整流后的電壓會下降，影響對電壓的采樣，檢測電壓誤差大，可靠性較差；(3)差分放大模式的電壓采樣電路，通過在交流電壓輸入端串聯電阻進行分壓，經運放放大器處理后，輸出交流采樣信號，如申請號CN201520534951.7、CN201220155201.5的專利通過該種方法對市電輸入電壓進行電壓采樣，應用在家電電控系統中。

目前一般使用的交流電壓采樣電路，如基于電壓互感器或變壓器的交流電壓采樣電路、利用橋式整流檢測交流電壓電路等，輸出的電壓采樣信號僅包含輸入交流電壓的峰值或有效值，不能包含輸入電壓的全部波形信息。而申請號為CN201520534951.7、CN201220155201.5的專利，公開了市電輸入電壓的電壓采樣電路，該種電路不可實現對SPWM交流電壓的采樣，且基準電壓由一般電源電壓經電阻分壓獲得，采樣信號精度較低。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種SPWM交流電壓采樣電路及采樣系統，其能有效檢測SPWM交流電壓并進行采樣，輸出交流電壓采樣信號，并便于傳遞給DSP控制器進行系統控制。

為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種SPWM交流電壓采樣電路，包括：用于連接SPWM三相交流中任意兩相的高阻隔離分壓單元，與該高阻隔離分壓單元相連的一級RC濾波單元；一交流電壓運放處理單元的兩輸入端分別與一級RC濾波單元、基準電壓單元的輸出端相連；以及所述交流電壓運放處理單元的輸出端依次通過二級RC濾波單元、采樣信號處理單元輸出交流電壓采樣信號。

進一步，所述高阻隔離分壓單元包括：電阻R2、電阻R3、電阻R5和電阻R6；其中SPWM三相交流中任意兩相分別通過電阻R3和電阻R6接入，且電阻R3、電阻R6分別通過電阻R5、電阻R2與交流電壓運放處理單元中運算放大器U1的反相端、同相端相連；以及所述電阻R3、電阻R6均采用MΩ級電阻。

進一步，所述一級RC濾波單元包括：電容C1和電容C2；其中電容C1的一端連接運算放大器U1的反相端，其另一端連接電阻R2與電阻R3的連接點；以及電容C2的一端連接運算放大器U1的同相端，其另一端連接電阻R5與電阻R6的連接點。

進一步，所述基準電壓單元包括：由電阻R1和電阻R7構成的串聯電路，且電源VCC從電阻R7端接入，電阻R1端連接運算放大器U1的同相端；以及所述電阻R1與電阻R7之間的連接點對地連接一電壓基準芯片U2，且該電壓基準芯片U2的兩端并聯電容C3。

進一步，所述交流電壓運放處理單元包括：電阻R4，該電阻R4作為運算放大器U1的反饋電阻，其兩端分別連接運算放大器U1的反相端和輸出端。

進一步，所述運算放大器U1的同相端與反相端之間還連接有低漏雙向鉗位二極管D1。

進一步，所述二級RC濾波單元包括：電阻R8、電容C4，其中電阻R8的第一端與運算放大器U1的輸出端相連，且第二端通過電容C4接地。

進一步，所述采樣信號處理單元包括：電阻R9，該電阻R9的一端與電阻R8的第二端相連，電阻R9的另一端與地相連，以及將所述電阻R8的第二端作為SPWM交流電壓采樣電路的輸出端。

又一方面，本實用新型還提供了一種采樣系統。

所述采樣系統包括所述的SPWM交流電壓采樣電路，該交流電壓采樣電路將交流電壓采樣信號輸入至DSP控制器中。

本實用新型的有益效果是，本實用新型對含有SPWM高次諧波的交流電壓進行采樣，輸出一種包含輸入電壓全部波形信息，包含正負峰值、頻率、相位、波形等的交流電壓采樣信號，傳輸到DSP控制器中對整個控制系統進行控制。該電路采用單電源運放，電路簡單，輸出采樣信號精度高、干擾小，且包含輸入電壓全波信息。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1為本SPWM交流電壓采樣電路的原理框圖；

圖2為本SPWM交流電壓采樣電路的電路原理圖；

圖3為本SPWM交流電壓采樣電路的輸入、輸出電壓波形比較示意圖。

具體實施方式

現在結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實用新型的基本結構，因此其僅顯示與本實用新型有關的構成。

實施例1

如圖1至圖3所示，本實用新型提供了一種SPWM交流電壓采樣電路，包括：用于連接SPWM三相交流中任意兩相的高阻隔離分壓單元，與該高阻隔離分壓單元相連的一級RC濾波單元；一交流電壓運放處理單元的兩輸入端分別與一級RC濾波單元、基準電壓單元的輸出端相連；以及所述交流電壓運放處理單元的輸出端依次通過二級RC濾波單元、采樣信號處理單元輸出交流電壓采樣信號。

作為高阻隔離分壓單元的一種可選的實施方式，所述高阻隔離分壓單元包括：電阻R2、電阻R3、電阻R5和電阻R6；其中SPWM三相交流中任意兩相分別通過電阻R3和電阻R6接入，且電阻R3、電阻R6分別通過電阻R5、電阻R2與交流電壓運放處理單元中運算放大器U1的反相端、同相端相連；以及所述電阻R3電阻R6均采用MΩ級電阻，以實現SPWM交流電壓的輸入端與本高阻隔離分壓單元的高阻隔離作用，并經過電阻分壓，將分壓后的電壓輸入到一級RC濾波單元中進行濾波處理。

作為一級RC濾波單元的一種可選的實施方式，所述一級RC濾波單元包括：電容C1和電容C2；其中電容C1的一端連接運算放大器U1的反相端，其另一端連接電阻R2與電阻R3的連接點；以及電容C2的一端連接運算放大器U1的同相端，其另一端連接電阻R5與電阻R6的連接點。本一級RC濾波單元可實現輸入交流電壓的濾波，濾除大部分輸入交流電壓中的SPWM高次諧波，經濾波后的交流電壓進入交流電壓運放處理單元進行電壓轉換。

作為基準電壓單元的一種可選的實施方式，所述基準電壓單元包括：由電阻R1和電阻R7構成的串聯電路，且電源VCC從電阻R7端接入，電阻R1端連接運算放大器U1的同相端；以及所述電阻R1與電阻R7之間的連接點對地連接一電壓基準芯片U2，且該電壓基準芯片U2的兩端并聯電容C3。該基準電壓單元提供交流電壓采樣電路的基準電壓Vref，該基準電壓Vref精度由電壓基準芯片U2精度決定，要求其精度高，該基準電壓Vref決定了輸出電壓采樣信號的精度。

作為交流電壓運放處理單元的一種可選的實施方式，所述交流電壓運放處理單元包括：電阻R4，該電阻R4作為運算放大器U1的反饋電阻，其兩端分別連接運算放大器U1的反相端和輸出端。該交流電壓運放處理單元可將一級RC濾波電路輸出的交流電壓及基準電壓進行運放處理，并輸出交流電壓采樣信號到二級RC濾波單元進行二次濾波處理。

進一步，所述運算放大器U1的同相端與反相端之間還連接有低漏雙向鉗位二極管D1，以起到保護運算放大器U1兩輸入端的效果。

作為二級RC濾波單元的一種可選的實施方式，所述二級RC濾波單元包括：電阻R8、電容C4，其中電阻R8的第一端與運算放大器U1的輸出端相連，且第二端通過電容C4接地。本二級RC濾波單元實現交流電壓運放處理單元輸出的交流采樣信號的濾波作用，進一步濾除信號中的SPWM高次諧波及信號干擾。

作為采樣信號處理單元的一種可選的實施方式，所述采樣信號處理單元包括：電阻R9，該電阻R9的一端與電阻R8的第二端相連，電阻R9的另一端與地相連，以及將所述電阻R8的第二端作為SPWM交流電壓采樣電路的輸出端。本采樣信號處理單元把二級RC濾波電路輸出的交流采樣信號進一步處理為系統需要的交流采樣信號mV，并將該信號輸出到DSP控制器ADC接口，本采樣信號處理單元可實現采樣信號的最終轉換，前級信號可保留較強信號，如此處理，可保證信號傳輸過程中衰減小，誤差小。

具體工作中，SPWM交流電壓兩輸入端SPWM_U、SPWM_V經高阻隔離分壓單元輸入電壓，該電壓經一級RC濾波單元濾除大部分SPWM高次諧波后，與基準電壓Vref一起進入交流電壓運放處理單元進行比例運算及處理，輸出帶有基準電壓直流分量的交流采樣電壓，該電壓進入二級RC濾波單元中進一步濾波處理，濾除采樣電壓中殘余的SPWM高次諧波和信號干擾，經再次濾波處理的電壓采樣信號，進入采樣信號處理電路，處理為系統控制芯片(DSP控制器)需要的交流電壓采樣信號mV輸出。

通過具體實施例，更為直觀的認識該SPWM交流電壓采樣電路輸出電壓采樣信號的精確度及含有的全波信息，現給出簡化應用例。

假設SPWM交流電壓為含有SPWM高次諧波的正弦波電壓，該正弦波電壓峰值為Um，為簡化計算，作如下處理：

當R1＝R4，R2＝R5，R3＝R6，R8＝R9時，

當(R2+R3)/R1＝Um/2時，

交流電壓采樣信號mV為SPWM交流電壓的全波信號，其中可得到的參數包括：電壓的正負峰值、均值、有效值、頻率、相位等，便于后續系統中多樣化應用。

輸出交流電壓采樣信號的基準為1/2Vref，當Vref＞2時，mV＞0，輸出交流電壓采樣信號只有正電壓值，因此，運算放大器U1的輸入端不含有負電壓，運算放大器U1可采用單電源供電，該電路可實現電源供電方案的簡化；其中基準電壓Vref的精度影響到采樣信號mV的精度，故基準電壓精度要求高，可通過電壓基準芯片實現。

本電路中采用的前后兩級RC濾波，可實現帶有SPWM高次諧波的交流電壓的濾波采樣，該濾波方案下電壓采樣信號相位偏移小，諧波干擾小，可得到理想的交流電壓采樣信號；

該方案中SPWM交流電壓采樣電路的前級為較強信號，經采樣信號處理單元輸出后采樣系統需要交流電壓采樣信號，且通過電路中電阻值的匹配可使交流電壓采樣信號精度高，幅值衰減小。

實施例2

在實施例1基礎上，本實用新型還提供過了一種采樣系統。

所述采樣系統包括如實施例1所述的SPWM交流電壓采樣電路，該交流電壓采樣電路將交流電壓采樣信號輸入至DSP控制器中。

以上述依據本實用新型的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項實用新型技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項實用新型的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。