CN100403037C - 测量交流电的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测试技术，具体指一种测量交流电的方法和装置，用以测量单相交流电的频率和有效值。所述方法包括下列步骤：将被测交流信号整流为半波信号；将所述半波信号整形为同频率的方波信号；统计所述方波信号脉冲数，采样所述半波信号的峰值；根据统计值和采样值确定所述被测交流信号的频率和有效值。所述测量装置包括：将输入的交流信号整流为半波信号的半波整流电路；输出一方波信号的施密特触发电路；采样所述半波信号的峰值，统计所述方波信号的脉冲数，并根据采样值和统计值确定所述交流信号的频率和有效值的测量电路。应用本发明所述方法和装置可以安全方便、高精度测量单相交流电的频率和有效值。

Description

测量交流电的方法和装置

技术领域

本发明涉及电子或通信中的测试技术，具体指一种能对单相交流电频率和有效值进行测试的测量交流电的方法和装置。

背景技术

在电子或通信领域的设备或系统中，都需要利用交流电来作为系统或设备的能量来源，进而去保证系统或设备能正常工作，实现其功能，一般的交流电都为正弦交流电，交流电压可以用公式表示为，u(t)＝A×sin(2πf×t)，其中：A为交流电压峰值，交流电压有效值为

电压平均值为

交流电压频率为f。检测正弦交流电压或电流的频率和有效值等参数，可用于电源监控和元器件保护。

现有技术一：专利号为02289437的中国专利公开了一种三相交流电压和电流大小的电源信息测量卡，利用电流、电压传感器把220V市电转换为0到8V左右的直流电压信号，然后测量直流信号的电压和电流值，再利用测量结果计算交流电电压和电流的有效值。该测量电路利用电阻和电容完成交流信号到直流信号的转换，同时实现分压和滤波作用。该测量电路的缺陷在于：当出现雷击等意外情况导致交流电过电压或过电流时，容易造成测量电路受损失效的结果。而且测量电路直接引入220V电压，一旦操作不当还可能危害操作者的人身安全。

现有技术二：申请号为02107167的中国专利申请公开了一种三相交流电频率的测量方法和装置，通过采样电压或电流信号，求取电压或电流旋转矢量的角速度，然后再利用旋转矢量角速度折算频率。该测量装置虽然抗干扰能力强，但是缺点在于电路结构复杂，在利用旋转矢量角速度折算频率时，需要大量复杂的浮点运算，对ADC(模拟到数字转换器)的性能要求相对较高，并且该测量装置专用于三相交流电频率测量，不能用于测量民用单相220V交流市电。

发明内容

本发明提供一种测量交流电的方法和装置，用以有效地测量单相交流电的频率和有效值，所述测量方法通过下列步骤实现：

A：将被测交流信号整流为半波信号；

B：将所述半波信号整形为同频率的方波信号；

C：统计所述方波信号脉冲数，并采样所述半波信号的峰值；

D：根据C步骤中的方波信号脉冲数及半波信号的峰值确定所述被测交流信号的频率和有效值；所述被测交流电压信号频率与方波信号频率相同，所述被测交流电的有效值与采样出的半波信号的峰值成正比例关系。

在所述步骤C中的采样所述半波信号的峰值前还包括：将所述半波信号进行积分。

在所述步骤A之前还包括：将被测交流信号降压隔离。

所述方波信号的脉冲数为多次统计值的平均值，所述峰值为多个半波采样值的平均值；所述被测交流信号的频率与所述方波信号的频率相等，有效值与所述半波信号的峰值成正比例。

一种测量交流电的装置，包括：

半波整流电路：将输入的交流信号整流为半波信号；

施密特触发电路：在所述半波信号的触发下输出方波信号；

测量电路：采样所述半波信号的峰值，统计所述方波信号的脉冲数，根据所述的方波信号脉冲数及半波信号的峰值确定所述交流信号的频率和有效值。

还包括对所述半波信号进行积分的积分电路，连接在所述半波整流电路的输出端和测量电路的输入端之间。

还包括对所述交流信号进行降压的隔离变压器，所述隔离变压器的一次侧线圈与第一电阻串接后连接所述交流信号，二次侧线圈串联第二电阻，所述第二电阻一端接地，非接地端连接所述半波整流电路的输入端。

所述半波整流电路包括第一运算放大器，其反相输入端经第三电阻连接所述第二电阻的非接地端，正相输入端经第五电阻接地，输出端经第四电阻连接反相输入端；或者，

所述半波整流电路为四个二极管组成的电桥。

所述施密特触发电路包括第二运算放大器，其反相输入端连接所述半波整流电路的输出端，正相输入端分别经第六电阻连接正电源、经第七电阻接地、经第八电阻连接输出端，输出端输出所述方波信号；或者，

所述施密特触发电路为集成施密特触发器，其输入端接所述半波整流电路的输出端，输出端输出所述方波信号。

所述测量电路包括模数转换器，用以采样所述半波信号；以及单片机，用以统计所述方波信号的脉冲数，并根据采样值和统计值确定所述交流信号的频率和有效值。

应用本发明所述交流电测量方法和测量装置，可以方便安全的测量交流电压信号的频率和有效值，尤其为民用单相正弦交流电提供了一种较高精度的测量装置，当被测信号有畸变时，还可以通过增加积分电路进行精确测量，使用隔离电路一方面可以提高测量电路的安全性，降低低频失真，抑制高频谐波，提高测量结果的准确性，同时还可以通过变压器实现降压测量，保证了操作人员的人身安全。

附图说明

图1为本发明测量交流电的装置的实施例电路结构框图；

图2为被测交流电压波形、半波信号波形和方波信号示意图；

图3为本发明测量交流电的装置的实施例一电路结构图；

图4为本发明测量交流电的装置的实施例二电路结构图。

具体实施方式

如图1所示，图1为本实施例电路结构框图，包括隔离电路，用于对被测交流电压信号进行降压；半波整流电路：将输入的交流信号整流为半波信号；施密特触发电路：在所述半波信号的触发下输出一方波信号；测量电路：采样所述半波信号的峰值，统计所述方波信号的脉冲数，根据采样值和统计值确定所述交流信号的频率和有效值，被测交流电压信号经隔离电路降压、半波整流电路整流后形成幅值与其成正比的半波信号，半波信号触发施密特触发器输出一频率相同的方波信号，波形关系如图2所示，下面以具体实施例详细说明。

如图3所示，实施例一具体包括：

1、隔离电路：

该隔离电路一般采用小功率的隔离变压器，如：信号变压器，所述隔离变压器的一次侧线圈与第一电阻串接后连接所述交流信号，二次侧线圈串联第二电阻，所述第二电阻一端接地，非接地端连接所述半波整流电路的输入端，变压器的一次侧接被测交流信号，一次侧线圈串联300KΩ的衰减电阻降压，二次侧线圈串接接1KΩ电阻，保证变压器进入线性工作区，变压器的原极线圈匝数、副极线圈匝数比例是1∶1。

如果被测的交流信号是通过交流市电变压器引入，则可以直接将交流市电变压器作为隔离电路，即可满足隔离被测信号回路和测量回路的目的，不用再单独增加隔离变压器。

2、半波整流电路：

所述的半波整流电路包括第一运算放大器，其反相输入端经第三电阻连接所述第二电阻的非接地端，正相输入端经第五电阻接地，输出端经第四电阻连接反相输入端，在实际应用时选用具有轨到轨(信号可以达到正负电源电压)输出特性的运算放大器U1，配合R3、R4、R5，实现比例放大，R3、R4构成反向放大，R5用于平衡运算放大器偏置电流，当运算放大器仅施加正向工作电源时，输出端输出与交流信号成正比的半波信号。U1(包括下面的U2)可以选低速轨到轨运算放大器，如NS公司的LMC6482。

半波整流也可以是由四个二极管组成的电桥(也称桥式电路)实现，但是与运算放大器实现的半波整流电路相比，桥式电路的精度较差，适用于对精度要求不高的测量。

3、施密特触发电路：

所述施密特触发电路包括第二运算放大器，其反相输入端连接所述半波整流电路的输出端，正相输入端分别经第六电阻连接正电源、经第七电阻接地、经第八电阻连接输出端，输出端输出所述方波信号；或者，

所述施密特触发电路为集成施密特触发器，其输入端接所述半波整流电路的输出端，输出端输出所述方波信号。

具体为：运算放大器U2配合R6、R7、R8，实现施密特触发，触发电平计算公式如下：

当输出从0到1，触发电压： $V1=\mathrm{Vcc}\×\frac{R7//R8}{R6+R7//R8}$

当输出从1到0，触发电压： $V2=\mathrm{Vcc}\×\frac{R7}{R7+R6//R8}$

如果电源电压Vcc＝5V，设定R6＝4.7KΩ、R7＝1KΩ、R8＝20KΩ时，计算V1和V2：

$V1=\mathrm{Vcc}\×\frac{R7//R8}{R6+R7//R8}=5\×\frac{1\×20/(1+20)}{4.7+1\×20/(1+20)}=0.84$

$V2=\mathrm{Vcc}\×\frac{R7}{R7+R6//R8}=5\×\frac{1}{1+4.7\×20/(4.7+20)}=1.04$

可见，触发电压V1小于V2，可以有效的减少毛刺干扰，提高精度。还可以采用集成的施密特触发器(如74LV123)代替运算放大器结构，其输入端连接U1的输出端，输出端连接C51单片机的/INT0即可。

4、测量电路：

所述测量电路包括模数转换器，用以采样所述半波信号；以及单片机，用以统计所述方波信号的脉冲数，并根据采样值和统计值确定所述交流信号的频率和有效值。具体应用时测量电路可以采用集成ADC的CPU(单片机)，也可以由分立的ADC电路和单片机构成，其中，ADC电路部分可以选通用低速ADC，如ADC0809，CPU可以选C51系列单片机。一般低速ADC的采样频率大约是10KHz，远远大于50Hz交流市电信号频率，可以满足测量精度的要求。如果测量较高频率信号，选取合适的ADC多次测量以提高精度。

CPU中内置中断服务程序，首先设定测量周期，当U2输出的方波从Vcc翻转为0时，启动CPU开始执行测量(这个机制称作“CPU的外部中断”)，在一个测量周期内，CPU对施密特触发输出的方波脉冲进行计数(这个程序称作“中断服务程序”)，同时启动ADC采样半波整流输出的半波信号，采样到的最大值即为半波信号电压的峰值。CPU完成方波脉冲的计数和半波信号峰值的采样后，按照下列方法计算被测交流信号的频率和有效值：

1、计算频率：

被测交流信号的频率等于方波信号的频率，设统计的脉冲数为m，测量周期为n，被测交流信号的频率 $f=\frac{m}{n}.$ 测量周期可以根据具体情况设定，一般设定为1秒，这样CPU统计的方波脉冲数即为被测交流信号的频率，为提高精度，可以进行多次统计，最后以多次统计结果的平均值作为最终结果。

2、计算有效值：

设测量电路的比例因子为B，采样到的半波信号的峰值为M，则被测交流信号的有效值为

比例因子B和变压器的变比、变压器一次侧串接的衰减电阻R1、运算放大器U1和U2的增益等因素相关，根据具体的电路元件值核算或直接测量。根据不同的精度要求，CPU可以控制ADC采样出一个测量周期内，通过的每一个或其中的几个半波信号的峰值，然后取平均值用来计算有效值以提高测量精度，也可以仅采样出其中一个半波的峰值用来计算有效值。

实施例二如图4所示，当交流电压信号波形畸变较大时，可以在所述半波整流电路的输出端和测量电路的输入端之间连接RC积分电路，该积分电路由电阻R9和电容C1构成，ADC采样出的峰值即为半波信号的平均值N，则被测交流信号的有效值为

综上所述，完成交流市电信号频率和有效值测量需要下列步骤：

S1：利用隔离变压器实现被测交流市电信号回路和测量电路的隔离；

采用隔离变压器接入被测信号的目的在于：其一防止电路出现过电压或过电流时，测量电路受损失效；其二保证操作人员的人身安全。隔离电路可以采用1∶1的小功率变压器实现。隔离变压器的二次侧输出与被测信号成比例的交流信号。

S2：将隔离变压器输出的交流电压信号整流为半波信号；

半波整流电路可以用具有轨到轨特性的运算放大器或者二极管电桥实现。通过以上两个步骤，得到了一个有效值与被测交流信号的有效值成正比关系的正弦半波信号。

S3：将整流输出的半波信号经过施密特触发电路整形为方波信号；

如图2所示，这一步骤中，通过利用整流得到的半波信号触发一施密特触发器，得到一个与被测交流信号频率相同的方波信号。

S4：统计设定周期内方波信号的脉冲数，并且在方波信号的下降延到达时，启动模数转换器对半波信号进行同步采样，采样出至少一个半波信号的峰值。

S5：根据统计合采样结果计算被测信号的频率和有效值；

方波信号的频率等于：脉冲个数除以统计周期，计算结果即为被测交流电压信号的频率。被测交流电的有效值与上一步中采样出的半波信号的峰值成正比例关系。

本方法还可以通过两个措施提高测量精度：

1、如果交流信号的畸变较大时，可以将半波信号经RC积分电路滤波，再采样积分后的半波信号的平均值，然后推算被测交流信号的有效值。

2、在步骤S4中，统计出多个周期的方波脉冲，取其平均值作为最后的结果，以及采样多个半波的峰值，取其平均值推算被测交流信号的有效值。

应用本发明所述交流电测量方法和测量装置，可以方便安全的测量交流电压信号的频率和有效值，尤其为民用单相正弦交流电提供了一种较高精度的测量装置，当被测信号有畸变时，还可以通过增加积分电路进行精确测量，使用隔离电路一方面可以提高测量电路的安全性，降低低频失真，抑制高频谐波，提高测量结果的准确性，同时还可以通过变压器实现降压测量，保证了操作人员的人身安全。

Claims (11)

1.一种测量交流电的方法，其特征在于：包括下列步骤：

A：将被测交流信号整流为半波信号；

B：将所述半波信号整形为同频率的方波信号；

C：统计所述方波信号脉冲数，并采样所述半波信号的峰值；

D：根据C步骤中的方波信号脉冲数及半波信号的峰值确定所述被测交流信号的频率和有效值；所述被测交流电压信号频率与方波信号频率相同，所述被测交流电的有效值与采样出的半波信号的峰值成正比例关系。

2.如权利要求1所述的测量交流电的方法，其特征在于：在所述步骤C中的采样所述半波信号的峰值前还包括：将所述半波信号进行积分。

3.如权利要求1或2所述的测量交流电的方法，其特征在于：在所述步骤A之前还包括：将被测交流信号降压隔离。

4.如权利要求1或2所述的测量交流电的方法，其特征在于：所述方波信号的脉冲数为多次统计值的平均值，所述峰值为多个半波采样值的平均值。

5.如权利要求1或2所述的测量交流电的方法，其特征在于：所述被测交流信号的频率与所述方波信号的频率相等，有效值与所述半波信号的峰值成正比例。

6.一种测量交流电的装置，其特征在于：包括：

半波整流电路：将输入的交流信号整流为半波信号；

施密特触发电路：在所述半波信号的触发下输出方波信号；

测量电路：采样所述半波信号的峰值，统计所述方波信号的脉冲数，根据所述的方波信号脉冲数及半波信号的峰值确定所述交流信号的频率和有效值。

7.如权利要求6所述的测量交流电的装置，其特征在于：还包括对所述半波信号进行积分的积分电路，连接在所述半波整流电路的输出端和测量电路的输入端之间。

8.如权利要求6或7所述的测量交流电的装置，其特征在于：还包括对所述交流信号进行降压的隔离变压器，所述隔离变压器的一次侧线圈与第一电阻串接后连接所述交流信号，二次侧线圈串联第二电阻，所述第二电阻一端接地，非接地端连接所述半波整流电路的输入端。

9.如权利要求6或7所述的测量交流电的装置，其特征在于：所述半波整流电路包括第一运算放大器，其反相输入端经第三电阻连接所述第二电阻的非接地端，正相输入端经第五电阻接地，输出端经第四电阻连接反相输入端；或者，

所述半波整流电路为四个二极管组成的电桥。

10.如权利要求6或7所述的测量交流电的装置，其特征在于：所述施密特触发电路包括第二运算放大器，其反相输入端连接所述半波整流电路的输出端，正相输入端分别经第六电阻连接正电源、经第七电阻接地、经第八电阻连接输出端，输出端输出所述方波信号；或者，

所述施密特触发电路为集成施密特触发器，其输入端接所述半波整流电路的输出端，输出端输出所述方波信号。

11.如权利要求6或7所述的测量交流电的装置，其特征在于：所述测量电路包括模数转换器，用以采样所述半波信号；以及单片机，用以统计所述方波信号的脉冲数，并根据采样值和统计值确定所述交流信号的频率和有效值。

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