一種交流信號有效值測量裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種交流信號有效值測量裝置，包括絕對值變換電路、高頻三角波發(fā)生電路、PWM信號調(diào)制電路、前端積分電路、后端積分電路、復(fù)位電路、采樣保持電路、除法電路、開方電路和定時電路。本實用新型通過將被測信號v(t)的絕對值|v(t)|與單極性對稱高頻三角波信號vc(t)進行調(diào)制得到遠高于v(t)頻率的高頻PWM信號。由于v(t)為連續(xù)信號并且vc(t)頻率遠高于v(t)，因而每個周期PWM信號的面積與對應(yīng)PWM信號周期內(nèi)的|v(t)|所形成的面積相等。與此同時，v(t)2也是連續(xù)函數(shù)，因而可以通過計算v(t)的周期T內(nèi)PWM信號的平方和開方來求取v(t)的有效值。本實用新型計算有效值的交流信號v(t)為所有交流周期信號，即包括含直流分量和諧波分量的交流周期信號，能有效解決待測信號含直流分量和諧波問題，適用范圍更廣。
【專利說明】
-種交流信號有效值測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于儀器儀表、信號處理和測控領(lǐng)域，具體設(shè)及一種交流信號有效值 測量裝置，用于測量任意交流周期信號的有效值。
【背景技術(shù)】
[0002] 交流周期信號有效值測量在儀器儀表、信號處理和測控領(lǐng)域具有重要的作用，是 電學(xué)參數(shù)測量的重要組成部分。目前，常用的交流周期信號有效值測量主要分為硬件測量 和軟件測量兩種方案。硬件方案測量交流周期信號有效值是基于通過測量I v(t) I的平均值
求取交流周期信號v(t)的有效隹
，運是因為對于正弦交 流信號滿足:K^al.HxV，因而可W通過測量平均值的方法計算出有效值。但運種方法存 在W下幾點的不足:①該方法適用面窄，只適用于正弦信號;②該正弦信號不能存在直流分 量;③該正弦信號不能存在諧波。軟件測量是通過高速處理器對周期交流信號v(t)的絕對 值信號I v(t) I進行高速采樣，然后按照有效值定義公式
(其中，fs為采樣頻率，Ts為采樣周期，T為信號周期)求取信號的有效值。通過該 方法可W測量任意周期信號的有效值，但存在W下不足:①為保證精度，必需采用高速處理 器實現(xiàn)高速采樣和高速計算，因而對處理器要求高;②在計算有效值Vrms需要進行浮點數(shù)的 N次乘法運算、N次加法運算、1次除法運算和1次開方運算，因而會大量的占用CPU系統(tǒng)內(nèi)存 和運行時間，特別是實時性要求高的場合會存在問題。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型的目的在于克服上述不足之處，提供一種交流信號有效值測量裝置。
[0004] 本實用新型提供的技術(shù)方案如下：
[0005] -種交流信號有效值測量裝置，其特征在于，包括絕對值變換電路、高頻Ξ角波發(fā) 生電路、PWM信號調(diào)制電路、前端積分電路、后端積分電路、復(fù)位電路、采樣保持電路、除法電 路、開方電路和定時電路；
[0006] 絕對值變換電路的輸入端與待測信號相連，絕對值變換電路的輸出端與PWM信號 調(diào)制電路的輸入端相連;絕對值變換電路用于將待測信號v(t)進行絕對值變換得到|v(t) ;高頻Ξ角波發(fā)生電路的輸出端與PWM信號調(diào)制電路的輸入端相連;高頻Ξ角波發(fā)生電路 用于產(chǎn)生高頻Ξ角載波VcXt);
[0007] PWM信號調(diào)制電路用于將輸入的I v(t) I和VE(t)進行PWM調(diào)制得到信號Γ品^;PWM信 號調(diào)制電路、前端積分電路、后端積分電路與采樣保持電路依次串聯(lián)；
[000引前端積分電路將信號胃作為輸入信號，對進行積分得到信號v'fi的，滿足
:其中αι為前端積分電路的積分系數(shù);后端積分電路將前端 積分電路的輸出信號吃(?)作為輸入信號，對請巧進行積分得到信號誠仍，滿足
其中為后端積分電路的積分系數(shù)； 為后端積分電路在第Κ個信號周期的初始值;后端積分電路的輸出信號《2的作為后端 的采樣保持電路的輸入信號；
[0009] 復(fù)位電路與前端積分電路和后端積分電路均相連，用于使前端積分電路和后端積 分電路恢復(fù)到初始狀態(tài)；
[0010] 定時電路包括零電壓比較電路、脈沖信號發(fā)生電路和帶鎖存功能的定時器;零電 壓比較電路用于將待測信號v(t)和基準正電壓δ分別接到比較器的正向輸入端和反向輸入 端，得到比較信號vq(t);零電壓比較電路的輸出端與脈沖信號發(fā)生電路相連，vq(t)觸發(fā)脈 沖信號發(fā)生電路得到脈沖信號Vp(t);VP(t)觸發(fā)帶鎖存功能的定時器輸出定時周期VT，連接 到除法電路的除數(shù)輸入端;VP(t)還與采樣保持電路相連，用于觸發(fā)采樣保持電路；
[0011] 采樣保持電路將后端積分電路的輸出信號《位)作為輸入信號，將脈沖信號發(fā)生電 路的輸出信號vp(t)的上升沿觸發(fā)鎖存;采樣保持電路的輸出信號vh(NT)作為后面除法電路 的被除數(shù)輸入信號；
[001^ 除法電路用于實現(xiàn)vh(NT)除WvT，得到
并作為開方電路的輸入;開方電路 用于實現(xiàn)對輸入的信號
，
[0013] 本實用新型所述的一種交流信號有效值測量裝置與現(xiàn)有技術(shù)中的硬件測量方案 相比，具有W下優(yōu)勢：
[0014] ①本實用新型通過將被測交流信號v(t)的絕對值|v(t)|與單極性對稱高頻Ξ角 波信號VE(t)進行調(diào)制得到遠高于v(t)頻率的高頻PWM信號。由于v(t)為連續(xù)信號并且vc(t) 頻率遠高于v(t)，因而每個周期PWM信號的面積與對應(yīng)PWM信號周期內(nèi)的|v(t)|所形成的面 積相等。與此同時，v(t)2也是連續(xù)函數(shù)，因而可W通過計算v(t)的周期T內(nèi)pmi信號的平方 和開方來求取v(t)的有效值。由于本實用新型計算有效值的交流信號v(t)為所有交流周期 信號，當然也包括含直流分量和諧波分量的交流周期信號，所W本實用新型能有效解決待 測信號含直流分量和諧波問題，因而適用范圍更廣；
[0015] ②本實用新型是直接測量信號有效?Ι
，因而精度更高；
[0016] ③本實用新型無需對v(t)的幅值進行采樣和浮點數(shù)運算。
[0017] ④本實用新型無需乘法電路；
[0018] ⑤本實用新型實現(xiàn)時只需單電源供電，并且電路設(shè)及的原件均為通用的低成本原 件，因而該實用新型具有很高的性價比和適用互換性。
[0019] ⑥本實用新型的電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高、測量速度快，可靠性高，實用 性強等特點;可有效檢測交流周期信號的有效值，為儀器儀表、數(shù)字信號處理和測控領(lǐng)域提 供了一種新的測量方案，特別是應(yīng)用于交流電壓和電流有效值的測量。
【附圖說明】
[0020] 圖1為PWM面積等效原理圖；
[0021 ]圖2為交流信號有效值測量裝置原理圖；
[0022] 圖3為交流信號有效值測量裝置對應(yīng)的一種硬件電路圖；
【具體實施方式】
[0023] 本實用新型提供了一種交流信號有效值測量裝置，主要應(yīng)用了 PWM面積等效原理。 PWM面積等效原理圖如圖1所示，根據(jù)《機電傳動控制》(鄧星鐘等，華中科技大學(xué)出版社，第 五版)第八章沖量等效原理可知，當兩個沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載具有慣性環(huán)節(jié) 上，效果相同。可得，在[0，Ts] (Ts很小)時間內(nèi)，如果V (t) >0則存在：
[0024]
(1)
[00劇其中：VCC為供電電壓;v(t)為待測周期信號;攻為第1個開關(guān)周期內(nèi)巧W為VCC的 時間;巧胃為V(t)與單極性對稱^角波信號Vc(t)比較后在[0，Ts]內(nèi)得到的PWM信號。
[0026]同理，在[Ts，2Ts ]，[ 2Ts，3Ts]，[ 3Ts，4Ts]，[ 4Ts，5Ts]依次存在公式（2)~（5):
[0031] 其中，場、巧、巧分別為第2、3、4、5個開關(guān)周期內(nèi)巧《^為￥0：的時間。=2， 3,4,…）；巧胃為v(t)與單極性對稱Ξ角波信號VE(t)比較后在[iTs，（i+l)Ts]內(nèi)得到的PWM 信號。可認為在[化-l)Ts，KTs](l卽卽)中，v(t)的值保持不變，即：
[0032] v(t)=V(KTs) (N>K> 1) (6)
[0039] 根據(jù)周期信號有效值定義可知
，其中：Vr"s為交流周期信號v(t) 的有效值。聯(lián)立公式(8)和(9)可得：
[0043] 如果將作為積分電路1的輸入信號，則得到的第Κ個開關(guān)周期內(nèi)積分電路1輸 出信號為：
[0044]
(12)
[0045] 其中，誠的為第Κ個開關(guān)周期內(nèi)積分電路1的輸出信號，巧微為第Κ個開關(guān)周期內(nèi) 積分電路1開始積分時電路輸出的初始值，為積分電路1的積分系數(shù)，頂為胃=FCC的 時間。由于積分電路1在每個開關(guān)周期內(nèi)積分時，初始值均要復(fù)位為0，所W確咕(所=0。整 理（12)可得：
[0046]
(13)
[0047] 再鴉vfi(r)作為積分電路2的輸入信號，則得到的第K個開關(guān)周期內(nèi)積分電路2輸出 信號為：
[0048]
(14)
[0049] 其中，?·?^(〇)為第二個積分電路在第K個信號周期的初始值，02為積分電路2的積分 系數(shù)。當?shù)讦獋€信號周期的初始值碟腳為第Κ-1個信號周期的輸出值語-1從Κ·-：!巧）即
則在第Κ個信號周期結(jié)束時，則有：
[005引如果將請(0作為采樣保持電路輸入端，則采樣保持電路的輸出端信號VH在t = NTs 時為：
[0061] 因而可W通過采集積分電路的輸出電壓Vd(NTs)和v(t)的周期Τ即可求出有效值 Vrms。當應(yīng)用定時電路測量信號V(t)的周期時，則定時器的輸出信號VT即為周期Τ，所W公式 (18)為：
[0062]
(巧）
[0063] 基于W上原理，本實用新型提供了一種交流信號有效值測量裝置，如圖2所示，包 括絕對值變換電路、高頻Ξ角波發(fā)生電路、pmi信號調(diào)制電路、前端積分電路、后端積分電 路、復(fù)位電路、采樣保持電路、除法電路、開方電路和定時電路。
[0064] 絕對值變換電路的輸入端與待測信號相連，絕對值變換電路的輸出端與PWM信號 調(diào)制電路的輸入端相連;絕對值變換電路用于將待測信號v(t)進行絕對值變換得到|v(t) ，絕對值變換電路的其中一種實現(xiàn)方式是用四個二極管組成全波整流電路。
[0065] 高頻Ξ角波發(fā)生電路的輸出端與pmi信號調(diào)制電路的輸入端相連;高頻Ξ角波發(fā) 生電路用于產(chǎn)生高頻Ξ角載波VE(t)。
[0066] PWM信號調(diào)制電路用于將輸入的I v(t) I和vc(t)進行PWM調(diào)制得到信號巧敵，PWM信 號調(diào)制電路的其中一種實現(xiàn)方式是用一個比較器組成比較電路實現(xiàn)PWM信號調(diào)制。
[0067] PWM信號調(diào)制電路、前端積分電路、后端積分電路與采樣保持電路依次串聯(lián)。
[0068] 前端積分電路將信號作為輸入信號，當= FCC時，前端積分電路通過R2、 C1、R3、C2和運算放大器1組成的正向積分電路對F品^進行積分得到信號V否的，滿足
其中VCC為開關(guān)電源;?：為巧胃=FCC的時間;αι為前端積 分電路的積分系數(shù)，由32、(：1、1?^2決定;前端積分電路的輸出信號冶的作為后端積分電路 的輸入信號。
[0069] 后端積分電路將前端積分電路的輸出信號請的作為輸入信號，當戸/胃=^^0：時， 后端積分電路通過35^3、1?6^4和運算放大器2組成的正向積分電路對為(《)進行積分得到 信號《的，滿月
。其中曰2為后端積分電 路的積分系數(shù)，由35^3、1?6^4決定;^；;(0)為后端積分電路在第1(個信號周期的初始值;后 端積分電路的輸出信號《貨作為后端的采樣保持電路的輸入信號。
[0070] 復(fù)位電路與前端積分電路和后端積分電路均相連，用于使前端積分電路和后端積 分電路恢復(fù)到初始狀態(tài)。復(fù)位電路的一種典型實現(xiàn)方式是：由電阻R1、Ξ極管Q1、電阻R4、場 效應(yīng)管Ml、場效應(yīng)管M2和場效應(yīng)管M3組成。當= FCC時，Ξ極管Q1截止，N溝道場效應(yīng)管 Ml、M2和M3上的柵源極上的電壓vgs = 0，所W場效應(yīng)管Ml、M2和M3截止；當巧= 0時，S極管 91導(dǎo)通，腳勾道場效應(yīng)管亂、12和13上的柵源極上的電壓巾83?￥〇：，所^場效應(yīng)管^、12和13 導(dǎo)通，將電容C1、C2、C3上存儲的電荷快速釋放，使得電容C1、C2、C3兩端的電壓為零和 省的=0。而電容C4兩端的電壓則保持不變；
[0071] 定時電路包括零電壓比較電路、脈沖信號發(fā)生電路和帶鎖存功能的定時器;零電 壓比較電路用于將待測信號v(t)和基準正電壓δ(比如δ = 〇.〇ιν或δ = 〇.〇〇ιν，由用戶根據(jù) 實際情況設(shè)定)分別接到比較器的正向輸入端和反向輸入端，得到比較信號vq(t)，其周期 和v(t)相同為T。零電壓比較電路的輸出端與脈沖信號發(fā)生電路相連，vq(t)觸發(fā)脈沖信號 發(fā)生電路得到脈沖信號Vp(t)nVp(t)觸發(fā)帶鎖存功能的定時器輸出定時周期VT，連接到除法 電路的除數(shù)輸入端。與此同時，VP(t)還與采樣保持電路相連，用于觸發(fā)采樣保持電路，使得 語腳Ur = 〇,確保在第N+1個周期開始時，語的的初始值為零。
[0072] 采樣保持電路將后端積分電路的輸出信號<2的作為輸入信號，將脈沖信號發(fā)生電 路的輸出信號Vp(t)的上升沿觸發(fā)鎖存。由于Vp(t)的周期與信號V(t)的周期一致為T，所W 在t = NT時(N為大于0的正整數(shù)），采樣保持電路將輸入信號崎專的鎖存到輸出端，即采樣保持 電路的輸出信號v；^(iV了 )=v惠(iVr)6由于在每個周期積分開始時，即vp(t)脈沖上升沿時刻， 場效應(yīng)管M4和M5導(dǎo)通，確保在每個周期T開始時，《的的初始值為零。所W，
:其中T = KTs);采樣保持電路的輸出信號vh(NT)作為 后面除法電路的被除數(shù)輸入信號。
[0073] 除法電路用于實現(xiàn)vh(NT)除WvT，得到并作為開方電路的輸入。開方電路 用于實現(xiàn)對輸入的信號
[0074] 本實用新型所述交流信號有效值測量裝置的工作原理和過程為：
[0075] 高頻Ξ角波發(fā)生電路產(chǎn)生周期為Ts的Ξ角波Vc(t)作為載波，與絕對值變換電路的 輸出信號I V(t) I輸入PWM信號調(diào)制電路進行PWM信號調(diào)制得到對應(yīng)的信號F品Μ ;前端積分電 路和后端積分電路將輸入的進行積分得到<2(Α巧）;采樣保持電路對《(Μ；)進行采樣 保持得到VH。
[0076] 定時電路將交流信號v(t)整形為矩形波vq(t)，并將vq(t)的上升沿作為脈沖信號 發(fā)生電路的觸發(fā)信號得到脈沖信號Vp(t);帶鎖存功能的定時器電路用于獲取交流信號V (t)的周期T，其輸出量為VT;除法電路及開方電路用于對輸入的信號VH和VT進行除法和開方 運算得到有效值
[0077] 本實用新型所述交流信號有效值測量裝置的一種實現(xiàn)方式如圖3所示，主要包括 Ξ角波信號發(fā)生器、絕對值電路、比較器1、比較器2、脈沖信號發(fā)生電路、電阻R1、R2、R3、R4、 尺5、36，電容(：1、〔2、〔3、〔4，^極管91、]\?)5管亂、]\12、]\0、]\14、]\15、乘法器、運放1、運放2、延時單 元delay、采樣保持電路、帶輸出鎖存的定時器、除法電路和開方電路。該電路的工作原理 為：
[0078] ①待測交流周期信號v(t)經(jīng)過絕對值電路得到|v(t) I，并與Ξ角波發(fā)生器產(chǎn)生的 高頻Ξ角波信號VE(t)經(jīng)過比較器2進行比較得到PWM調(diào)制信號
[0079] ②電阻R2、電容Cl、電阻R3、電容C2和運放1組成前端積分電路，對信號戸品^在第Κ 個開關(guān)周期進行積分，得到
：電阻Κ1、Ξ極管Q1、電 阻R4、N溝道M0S管亂、12組成復(fù)位電路，實現(xiàn)戸品^為低電平時，1巧隨2導(dǎo)通將電容(：1和〔2放 電，實現(xiàn)
均初始值巧㈱為零；
[0080] ③電阻R5、電阻R6、電容C3、電容C4和運放2組成后端積分電路，實現(xiàn)對請的進行正 向積分得I
oN溝道M0S管M3、M4組成復(fù) 位電路實現(xiàn)當vp(t)出現(xiàn)脈沖并經(jīng)過延時單元delay進行很短時間的延時后，將電容C3和C4 放電復(fù)位。由于Vp(t)脈沖周期與信號v(t)周期相同，因而可W保證在一個周期T內(nèi)的有效 值計算時，i4(巧二0;
[0081] ④比較器1實現(xiàn)將交流周期信號v(t)整形為矩形波信號vq(t)，其中δ為任意小的 正電壓，由用戶設(shè)定（比如S = 0.01V或δ = 〇.〇〇?ν等Kvq(t)的上升沿用于觸發(fā)脈沖信號發(fā) 生電路，產(chǎn)生脈沖信號Vp(t)，該脈沖信號的周期和交流周期信號v(t)的周期相同。Vp(t)主 要用于W下幾個方面:一、觸發(fā)采樣保持電路，實現(xiàn)在時間為t = nT時，對積分電路的輸出信 號冶(η.Π 進行采樣保持，得到VH;二、經(jīng)過極短時間的延時即信號請妨Γ)進行采樣保持之 后，觸發(fā)Ν溝道M0S管M3、Μ4和Μ5導(dǎo)通，復(fù)位電容C3和C4;
[0082] Ξ、觸發(fā)帶鎖存功能的定時器，得到交流周期信號v(t)的周期值即VT;
[0083] 除法電路對輸入信號VH和VT進行運算得到^ ;再經(jīng)過開方電路得到有效值
[0084] 本實用新型可改變?yōu)槎喾N方式對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，運樣的改變不 認為脫離本實用新型的范圍。所有運樣的對所述領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的修改，將包括 在本權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種交流信號有效值測量裝置，其特征在于，包括絕對值變換電路、高頻三角波發(fā)生 電路、PWM信號調(diào)制電路、前端積分電路、后端積分電路、復(fù)位電路、采樣保持電路、除法電 路、開方電路和定時電路； 絕對值變換電路的輸入端與待測信號相連，絕對值變換電路的輸出端與PWM信號調(diào)制 電路的輸入端相連;絕對值變換電路用于將待測信號v(t)進行絕對值變換得到| v(t) | ;高 頻三角波發(fā)生電路的輸出端與PWM信號調(diào)制電路的輸入端相連;高頻三角波發(fā)生電路用于 產(chǎn)生高頻三角載波v c(t); PWM信號調(diào)制電路用于將輸入的|v(t) |和i(t)進行PWM調(diào)制得到信號;PWM信號調(diào) 制電路、如端積分電路、后端積分電路與米樣保持電路依次串聯(lián)； 復(fù)位電路與前端積分電路和后端積分電路均相連，用于使前端積分電路和后端積分電 路恢復(fù)到初始狀態(tài)； 定時電路包括零電壓比較電路、脈沖信號發(fā)生電路和帶鎖存功能的定時器;采樣保持 電路將后端積分電路的輸出信號<(〇作為輸入信號，將脈沖信號發(fā)生電路的輸出信號vP (t)的上升沿觸發(fā)鎖存;采樣保持電路的輸出信號vh(NT)作為后面除法電路的被除數(shù)輸入 信號。
【文檔編號】G01R19/02GK205484523SQ201620172990
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月7日
【發(fā)明人】彭志輝, 蔣恩典
【申請人】溫州大學(xué)