营口理工学院电气工程系 车 焕 石晓磊
电网电压及电流测量电路的设计
营口理工学院电气工程系 车 焕 石晓磊
在对电网中的电器进行控制时通常需要测量电网的电压和电流,采用电压和电流互感器获取母线电压时,得到的电压和电流存在负值,不能用单片机进行直接采集,因此必须用电流和电压测量电路对互感器获取的电压或和电流信号进行转换,变成单片机能够处理的信号。本文设计了一种电压和电流测量电路,给出了硬件原理图并对电路进行仿真,证明电路的正确性。
电网;测量电路
在对电网中的电器进行控制时通常需要测量电网的电压和电流,采用电压和电流互感器获取母线电压时,得到的电压和电流存在负值,不能用单片机直接采集,因此必须用电流和电压测量电路对互感器获取的电压或和电流信号进行转换,转换成微机能够处理的信号。本文设计了一种电压和电流测量电路,给出了硬件原理图并对电路进行仿真,证明电路的正确性。
图1和图2所示为电压和电流测量电路原理图,在从电压互感器和电流互感器获得一次电压和电流的测量值后,将其送入这个测量电路的输入端,通过该电路可以将互感器输出的交流电压或电流转换为直流电压,从而使其能够进入单片机的输入端进行进一步处理。
输入信号经由LM324组成的同相比例放大电路进行放大后被转换成与被测电流或电压成比例的交流电压信号。因单片机自带的ADC为单极性参考电压,故通过利用LM324构成的同相求和电路,将电路的电压提高了2.048V,将交流值转化为直流值,再送入单片机的模拟信号输入端,供数字化测量之用。为了防止电压或电流过大,在放大器输出端上下各加一个二极管,从而保证输入单片机的电压被箝位在+5.7V~0.7V之间,最后在输出端加一个滤波电容,使输出的波形趋于平滑。
图1 电压测量电路图
图2 电流测量电路图
2.1 LM324介绍
LM324是该电路主要使用的元件,LM324为四运放集成电路,采用14脚双列直插塑料封装,其内部有四个运算放大器,有相位补偿电路其引脚图见图3-a。LM324工作电压范围宽,可用正电源3~30V,或正负双电源±1.5V~±15V工作。它的输入电压可低到地电位,而输出电压范围为0~Vcc。
LM324内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图3-b)所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
2.2 MAX6162介绍
MAX6162是一款微功耗、高精度、低压差的电压基准源。它有三个管脚,输入电压工作范围较宽为+200mV到12.6V,输出电压为稳定的2.048V。此电压基准配备专门的曲率校正电路和高稳定度、光刻薄膜电阻,具有5ppm/°C (最大值)的温度系数和±2mv (最大值)出色的初始精度。
图3 LM324结构图
传统并联模式的基准源不仅要消耗较大的电源电流还需要外加一个电阻,而MAX6162则不同,它的输出电压和电源电流基本上是没有关系的,也不需要外加电阻。MAX6162消耗的典型电源电流值仅为100μA,它在0.9mV/mA时可输出5mA负载电流,在2.5mV/mA时可灌入2mA负载电流。
此外,MAX6162为内部补偿器件无需加补偿电容。这样可以有效节省空间。
采用matlab仿真工具箱对所设计的电路进行仿真,得到的仿真结果如图4.由图可知所设计的电路能够把-2~+2的信号转换为0~4V的信号,能够使进入单片机的电压和电流信号交流变直流,满足单片机的要求。
图4 仿真波形
设计了一种简单的电网电压检测电路,能够将从互感器获得的电压电流信号转换成单片机能够处理的信号,给出了电路的仿真结果,证明所设计的电路的正确性。
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车焕(1982—),女,辽宁营口人,博士研究生在读,高级实验师,主要从事智能电器的研究。