本發(fā)明涉及有效功率測量領(lǐng)域，尤其是一種基于模擬乘法器用于交流電源的有效功率測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

交流電源需要測量有效功率等參數(shù)，現(xiàn)有的技術(shù)可以通過分別采集負(fù)載對應(yīng)的交流電流和輸出的交流電壓經(jīng)處理后送到dsp，在一個周期內(nèi)同步逐次采點(diǎn)做乘積求平均值的方式來計算得出有效功率。其主要通過軟件的方法在dsp中通過計算得出有效功率。其速度主要取決于dsp中ad的采樣速率，其精度主要取決于一個周期采樣點(diǎn)數(shù)的多少，高速會使dsp成本增加，高精度需一個周期采樣的點(diǎn)數(shù)多，其速度會變慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種基于模擬乘法器用于交流電源的有效功率測量方法及裝置，主要用于交流電源有效功率測量，交流負(fù)載變化時可實(shí)時檢測出其有效功率。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于模擬乘法器用于交流電源的有效功率測量方法，包括以下步驟：

1)將交流電壓的波形實(shí)時瞬時的變化轉(zhuǎn)化為無數(shù)個非常微小的脈寬的變化；

2)取微小的脈寬區(qū)間；

3)用兩個脈寬相反且隨著交流電壓作實(shí)時變化的矩形波和交流電流的瞬時值作無數(shù)次的瞬時積分，求平均值；

4)得出正弦包絡(luò)的脈寬波形，經(jīng)濾波得一直流電平。

進(jìn)一步的說，本發(fā)明所述的步驟1)中，對交流電壓進(jìn)行積分，將其轉(zhuǎn)化為無數(shù)個脈寬變化的方波信號。

再進(jìn)一步的說，本發(fā)明所述的步驟4)中，正弦包絡(luò)內(nèi)具有無數(shù)幅值瞬時變化的脈寬波形，包絡(luò)在x軸上下對稱。

本發(fā)明還提供了一種基于模擬乘法器用于交流電源的有效功率測量裝置，包括，

積分電路，對輸入的電壓進(jìn)行積分，將其轉(zhuǎn)化成無數(shù)個脈寬變化的方波信號；

電壓跟隨器，連接到第一模擬開關(guān)的一端；

反向比例運(yùn)算電路，連接到第二模擬開關(guān)的一端；

第一與非門，控制第一模擬開關(guān)，實(shí)現(xiàn)第一模擬開關(guān)兩端的導(dǎo)通；

第二與非門，控制第二模擬開關(guān)，實(shí)現(xiàn)第二模擬開關(guān)兩端的導(dǎo)通；

比較器，輸出端連接第一與非門；

自維持充放電電路，對得到的正弦包絡(luò)的脈寬波形uo進(jìn)行不停的充放電，不停進(jìn)行調(diào)整，最終得到一直流電平uo。

進(jìn)一步的說，本發(fā)明所述的第一與非門和第二與非門取同一組正負(fù)電源供電電源；所述的第一模擬開關(guān)與第二模擬開關(guān)的供電電源和與非門的供電電源相同。

再進(jìn)一步的說，本發(fā)明所述的比較器的同相輸入電壓大于等于0時，第二模擬開關(guān)閉合；當(dāng)比較器的同相輸入電壓小于0時，第二模擬開關(guān)斷開。

本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于，創(chuàng)造了一種高速度、高精度且輸入的交流電流和交流電壓變化時，可以實(shí)時準(zhǔn)確的測量出負(fù)載對應(yīng)的有效功率。

其關(guān)鍵點(diǎn)一在于如何控制有效功率的精度問題，其精度主要取決于給與非門供電的正負(fù)電源的性能。同時其精度還受到r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，c1的影響。電阻選擇高精度低溫飄的，電源選擇噪聲小且穩(wěn)定的；其關(guān)鍵點(diǎn)二在于模擬開關(guān)k1，k2的交替導(dǎo)通情況，其交替導(dǎo)通時間在us級別，隨著vu的瞬時電壓的改變其交替導(dǎo)通也在不停的變化，選擇模擬開關(guān)時，需考慮提供給與非門芯片供電電源在模擬開關(guān)導(dǎo)通和斷開瞬間的噪聲影響。

其創(chuàng)新點(diǎn)在于，將交流電壓的波形實(shí)時瞬時的變化轉(zhuǎn)化為無數(shù)個非常微小的脈寬的變化，取微小的脈寬區(qū)間，用兩個脈寬相反且隨著vu作實(shí)時變化的矩形波和交流電流的瞬時值作無數(shù)次的瞬時積分，求平均值，得出正弦包絡(luò)的脈寬波形，經(jīng)濾波得一直流電平。

本發(fā)明可以用在交流電源有效功率測量或者其他需要進(jìn)行交流信號有效功率測量的領(lǐng)域；可以用來替代dsp逐點(diǎn)采樣乘積求平均值的方法。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明可以對負(fù)載對應(yīng)的交流電流信號和輸出的交流電壓信號處理后做運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)交流有效功率的測量；精度可達(dá)到線性可編程交流電源的使用要求，有效功率的實(shí)現(xiàn)速度比在dsp中通過計算要快；對有相位差的交流電流和交流電壓信號，可實(shí)時檢測出其對應(yīng)的交流有效功率；實(shí)現(xiàn)的硬件電路簡單，所用的集成芯片都可以國產(chǎn)化，價格低廉。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明裝置的電路原理圖；

圖2是vu對應(yīng)瞬時值的波形示意圖；

圖3是vi實(shí)時變化與vu對應(yīng)瞬時值積分波形示意圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1所示的一種基于模擬乘法器用于交流電源的有效功率測量裝置，圖中，r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r10為電阻；c1，c2為電容；k1，k2為模擬開關(guān)；u1，u3，u4為運(yùn)算放大器；u2為比較器；nand1，nand2為與非門；vu為輸出的交流電壓經(jīng)乘以比例系數(shù)k1后的電壓值。vi為輸出的交流電流經(jīng)處理過后的電壓值，此處理過程為，使輸出的交流電流通過一錳銅絲電阻，再采樣錳銅絲電阻兩端的電壓，在經(jīng)比例運(yùn)算后得到交流電流所對應(yīng)的電壓值vi，此過程將比例系數(shù)視作k2。其中r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8,c1值得變化以及正負(fù)5v電源的變化對電路的功能實(shí)現(xiàn)沒有實(shí)質(zhì)性影響。需注意公式系數(shù)的調(diào)整。在滿足模擬開關(guān)導(dǎo)通斷開的時間的基礎(chǔ)上，盡量使轉(zhuǎn)化后的△t1和△t2的時間短。正負(fù)電源需低噪聲、高穩(wěn)定。電阻、電容的溫飄系數(shù)要小，精確度高。

提供給與非門nand1，nadn2和模擬開關(guān)k1，k2電源為相同的、穩(wěn)定的、噪聲小的正負(fù)電源。

模擬開關(guān)k1由與非門nand1控制，模擬開關(guān)k2由與非門nand2控制，分別實(shí)現(xiàn)k1兩端的導(dǎo)通或者k2兩端的導(dǎo)通功能。

r5，r6的比例與r7，r8的比例相同且r5，r6，u3的運(yùn)算方向和r7，r8，u4的運(yùn)算反向相反。

+5v為正5伏電壓，由整流、濾波、穩(wěn)壓或者其它電路產(chǎn)生一個正電壓。-5v為負(fù)5伏電壓，由整流、濾波、穩(wěn)壓或者其它電路產(chǎn)生一個負(fù)電壓。

工作原理如下：

vu是輸出的交流電壓經(jīng)乘以比例系數(shù)k1后的電壓，vi是采樣的輸出電流經(jīng)乘以比例系數(shù)k2后的電壓。

r1，r2，r3，r4，c1，u1構(gòu)成一個積分電路。對輸入的電壓進(jìn)行積分，目的是將vu轉(zhuǎn)化成無數(shù)個脈寬變化的方波信號5a和此方波信號的脈寬大小是與r1，r2，r3，r4，c1的參數(shù)和nand1，nand2的供電電源有關(guān)。nand1和nand2芯片需取同一組正負(fù)電源供電電源，此處取正負(fù)5v給與非門芯片提供電源。在r1，r2，r3，r4，c1，參數(shù)不變，nand1的nand2芯片的供電電源不變的情況下，此方波的脈寬寬度僅與vu的瞬時電壓值有關(guān)。此方波的脈寬寬度在vu的一個周期內(nèi)是實(shí)時變化的。

u2是一比較器，nand1和nand2是兩個與非門。

vi一組通過r7，r8分壓，后接一u4構(gòu)成一個電壓跟隨器，連接到模擬開關(guān)k1的一端。

vi另一組通過r5，r6，u3構(gòu)成的一反向比例運(yùn)算電路，再連接到模擬開關(guān)k2的一端。

模擬開關(guān)k1，k2的供電電源與與非門的供電電源相同。

us為一正弦包絡(luò)，包絡(luò)內(nèi)是無數(shù)幅值瞬時變化的脈寬波形，包絡(luò)在x軸上下對稱。為了避免上下不對稱以致影響后續(xù)處理。vi在經(jīng)r7，r8，u4的信號比例與vi在經(jīng)r5，r6，u3的的信號比例需一致，運(yùn)算方向相反，此處取r7＝r8，r5＝2r6。

vu瞬時值的變化轉(zhuǎn)化為無數(shù)脈寬的變化，將無數(shù)變化的脈寬抽象為無數(shù)個微小的段，每一個微小的段分別于vi進(jìn)行瞬時積分，求其平均值，得到正弦包絡(luò)的脈寬波形us。

r9，r10，c2構(gòu)成以自維持的充放電電路。目的是對得到的正弦包絡(luò)的脈寬波形uo進(jìn)行不停的充放電，不停進(jìn)行調(diào)整，最終得到一直流電平uo。

公式推導(dǎo)過程為：

vu通過電阻r1作為運(yùn)算放大器u1的一個反向輸入，通過電阻r2作為運(yùn)算放大器u1的另一個反向輸入，運(yùn)算放大器u1的同相輸入端接地，c1在u1的反相輸入端和輸出端u'之間。

連接r4的一端，r4的另一端與r3的一端相連在共同作為比較器u2的同相輸入u”，r3的另一端連接到u'，u2的反相輸入端接地。

當(dāng)u”≥0代表高電平，使模擬開關(guān)k2閉合；

u”<0代表低電平，使模擬開關(guān)k2斷開；

則調(diào)整r3，r4的值使其等于-1.5v，此時

調(diào)整r3，r4的值使其等于1.5v，此時

u2的輸出端連接nand1的輸入，nand1由正負(fù)5v電源供電，nand1的輸出5a一方面作為nand2的輸入，另一方面作為模擬開關(guān)k1的控制信號；nand2的輸出一方面分別連接r2和r4的一端，另外作為模擬開關(guān)k2的控制信號。

在△t1區(qū)間，

得出：

△t1的脈寬寬度與r1，r2，r3，r4，c1，與非門nand1，nand2的供電電源及vu有關(guān)，在r1，r2，r3，r4，c1,及nand1，nand2的供電電源穩(wěn)定情況下，僅與vu的瞬時電壓值有關(guān)。

在△t2區(qū)間，

得出：

vi一路連接r7的一端，r7的另一端與r8的一端相連同時作為u4的同相輸入端，r8的另一端接地，u4的反相輸入端與其輸出端相連同時連接模擬開關(guān)k1的一端。

vi另一路連接r5的一端，r5的另一端一方面連接r6的一端，一方面作為u3的反相輸入端，u3的同相輸入端接地，r6的另一端連接u3的輸出端同時連接模擬開關(guān)k2的一端。

k1的另一端與k2的另一端相連再連接到r9的一端和r10的一端，r9的另一端接地，r10的另一端連接c2的一端，c2的另一端接地。

與5a的波形相反；為高電平，k2導(dǎo)通；為低電平，k2斷開；5a為高電平，k1導(dǎo)通；5a為低電平，k1斷開。

以上公式，us，vi，vu可以理解為瞬時值。將實(shí)時的vu的變化轉(zhuǎn)化為微小脈寬的變化，取微小的脈寬區(qū)間，在此時間寬度內(nèi)與vi的瞬時值做積分，求其平均值，可以得出最終的有效功率。

因?yàn)関u是輸出的交流電壓經(jīng)乘以比例系數(shù)k1后的電壓值，vi是采樣的輸出電流經(jīng)乘以比例系數(shù)k2后的電壓值。此處的k1，k2是具體的數(shù)值，不是指模擬開關(guān)。

上述公式中的值“0.5”根據(jù)r5，r6，r7，r8的比例關(guān)系作相應(yīng)的變化，r5，r6的比例與r7，r8的比例相同且運(yùn)算方向相反。

上述公式中的值“5”根據(jù)與非門nand1，nand2的供電電源的變化而作相應(yīng)的變化。

以上說明書中描述的只是本發(fā)明的具體實(shí)施方式，各種舉例說明不對本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了說明書后可以對以前所述的具體實(shí)施方式做修改或變形，而不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。