STM32的单相用电器分析监控装置

只看该作者 · 2019-8-26 17:12

该对电压互感器输出电压采样，经过运放NE5532
进行放大，本次设计仿真采用Multisum12版本进行仿
真，搭建了基于NE5532严防的反向比例运算电路。如
图7所示，该电路对信号发生器输出的0.1 V的正弦交
流电压进行方向比例运算放大，放大倍数为： 22 K/2
K=11
，图8中可看到输出波形的电压幅值有一定程度
的放大，通道A是对电压互感器输出电压信号的采集，
电压幅值大概在100 mV，通道B是经过运算放大器输出
的电压波形，电压幅值大概在1.1 V左右。同时我们也
可以看到电压的相角发生了变化，放大输出的波形正好
与输入的反向。图9从multisum12中的万用表工具中可
以看到电压的有效值变化，放大倍数接近11倍，这与我
们的理论是相符的。

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图7 基于NE5532反向比例运算电路

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电压互感器采样与放大输出波形

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万用表显示输入电压与输出电压有效值

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对电流互感器的信号的采集，选择变比为1000:1
的电流互感器，获取市电上火线通过的正弦交流信号的
变化波形，对于小功率的用电器，比如在50 mA的手机
充电器工作的状态下，互感端只有50 uA的感应电流，
在感应端并联采样电阻，输出感应电压，在下面的仿真
中，可以看到到信号发生器输出50 HZ， 100 uV的正弦
信号时，经过反向比例运算放大后经电压提高100倍左
右，如图10电路中将电压放大100倍（R3/R2）。

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电流互感器反向比例运算电路

只看该作者 · 2019-8-26 17:17

对输入的电压互感器与电流互感器经过运算放大器
放大后产生1 V左右的正弦交流信号，如果直接用二极
管全桥滤波的话会存在0.7 V压降的问题，输出波形将会
失真。采用精密整流电路，利用运放加二极管的特性设
计如下的电路，在正弦交流正半周期， D3截止， D4导
通， R3、 R1、 U1B组成一个放大倍数为-1的方向放大电
路。当输入电压为负半周期时， D3导通， D4截止，此时
U1B的作用将R1两端的电压钳位在0 V，而U2A的反馈使
得R2右端的电位为0 V，因此R1与R2两端电位相等，没
有电流流过，整个电路是R4、 R5、 U2A组成一个放大倍
数为-1的方向放大电路。综合上面两种情况，该电路的
功能是将输入信号求绝对值。仿真波形如图13所示，输
入为正弦交流信号，输出波形将负半轴取绝对值。

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电流互感器采样与放大输出波形

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图12 电流互感器输入电压与运放输出电压有效值

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图13 正弦小信号精密整流电路

只看该作者 · 2019-8-26 17:20

图14 精密整流后波形与输入正弦波形

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电压与电流相角差电路仿真设计
放大后的采样电流与电压值需要进行相位测量，图
15是相角测量电路，输入的不同相位正弦信号波形，经
LM393电压比较器转换成对应的方波信号，正弦波正半
周期转换为方波的高电平，正弦波负半周期转换为方波
低电平，图17中可以观察到方波的变化。 LM393输出
的方波进一步送入双D触发器74HC74中，对方波信号
的处理，图18可以看到最终输出的低电平区间（对应的
相角值）。

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图15 相角差测量电路

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图16 输入不同相位的正弦信号

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图17 经电压比较去输出的方波

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图18 双D触发器输出的相角