CN102435810A - 一种交流电中检测直流分量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电学领域，尤其是一种交流电中检测直流分量的方法及装置，其中方法包括将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号；将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消；检测所述抵消后的直流分量。通过本发明实施例，通过将交直流混合信号分离为正半周和负半周的信号，并进行抵消后，获得直流分量，可以以简单的电路结构实现高度集成化，并且工作可靠、稳定，适用于多种恶劣环境下。

Description

一种交流电中检测直流分量的方法及装置

技术领域

本发明涉及电学领域，尤其是一种交流电中检测直流分量的方法及装置。

背景技术

电力发电与传输网中的直流分量或直流偏磁将直接导致电网变压器噪音增大、振动加剧，甚至引起变压器局部过热而损坏；如果并网时加入的直流分量很多，总的直流过大，在严重情况下将会导致变压器铁芯半波饱和，引起激磁电流急剧增加并且波形严重畸变，产生的大量高次谐波，不仅给连接在电网上的电器构成严重干扰，还有可能使变压器消耗大量无功功率引起电网电压波动，对电力系统安全运行构成严重威胁，必须加以严格监控。

然而，直流偏磁或交流电中的直流干扰却普遍存在于电力传输网及其终端的各种应用系统中。比如，交流电网在附近高压直流输电和强磁暴干扰下，会有较大的流经变压器中性线、变压器绕组及输电线路的直流电，引起交流电网中主变压器的直流偏磁，如图1所示为现有技术中交流电转换系统的结构示意图，变压器三角型绕组连接正弦工频电源，星型绕组通过电网连接负载，电网受干扰时直流偏移电流通过星型绕组流入变压器。在风力、太阳能等各种发电系统中，通常需要采用单相或三相SPWM逆变器把不稳定的交流或直流电能转变为符合入网要求的交流电能，由于半导体功率器件(如IGBT)开关特性的差异，以及线路信号的不同时延等因素，导致输出交流电压中直流分量难以避免，即存在偏磁问题。

直流干扰不仅存在于交流电网和发电逆变系统，在很多大功率用电系统中，特别是在变频控制、开关功率放大器、以及不间断电源和交流稳压电源等领域，也有同样的直流分量干扰问题需处理。比如，油气田开采过程中广泛使用的潜油电泵(Electrical Submersible Pump，ESP，简称电潜泵或潜油泵)控制就是很典型的例子。

综上所述，由于交流电中的直流分量或直流偏磁在很多情况下会对电力传输与各种应用系统造成很大干扰和破坏，而直流电压的存在是造成正反方向的电压波形不对称从而引发偏磁的根本原因，如何检测出直流电压和电流并通过恰当的电路进行校正是抑制偏磁的技术关键。因此，所有情况下都会面临如何对强交流电中较小的直流分量进行简便、准确可靠的测量问题。

对强交流电中直流分量的监测，目前都普遍采用各种霍尔传感器、电流互感器进行间接测量，或采取电阻并联分压或串联采样进行直接测量的方法。这些方法的特点是原理简单技术成熟，但应用有很多局限性：电流互感器和霍尔传感器体积大成本较高，很难进行集成应用。电阻分压或电阻采样方式，为适应后续的弱电器件电平(比如运算放大器、比较器和A/D转换等电路，耐压通常在5V-25V以内)设计要求，对包含在高达数百上千伏的高压强交流中的直流分量进行测量时，电路的耐压与可靠性要求必将大大提高；此外，在野外极端条件诸如ESP井下的工矿测量环境下，测量模块还要求能够适应高温、高电压和强干扰等设计要求，而普通运算放大器很难直接应对高达150度高温和数百伏以上的高电压；因此，检测时必须对输入交流进行高压隔离或对整个输入信号作很大幅度的衰减，这又不可避免对测量电路的精度、线性度和灵敏度产生影响。

中国专利申请号99115990.x，发明名称为消除直流分量的方法和利用该方法获得的滤波装置，该发明方案提出了一种如何消除直流分量的方法，其还是使用上述现有技术中的直流检测方式。中国专利申请号200810060532.9，发明名称为一种直流分量消除电路，该发明只是公开了一种直流消除电路，对于如何测量得到直流分量并没有做过多的描述。

发明内容

本发明实施例提供一种交流电中检测直流分量的方法及装置，用于解决现有技术中直流分量检测电路成本高，集成度低，可靠性不高的问题。

本发明实施例提供了一种交流电中检测直流分量的方法，包括，

将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号；

将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消；

检测所述抵消后的直流分量。

根据本发明实施例所述的一种交流电中检测直流分量方法的一个进一步的方面，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号包括，获取所述正半周电信号和负半周电信号的峰值；在所述将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消中还包括，获得所述峰值正半周电信号和负半周电信号峰值之间的差值。

根据本发明实施例所述的一种交流电中检测直流分量方法的再一个进一步的方面，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号还包括，获取所述正半周电信号和负半周电信号的谷值；在所述将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消中还包括，获得所述峰值正半周电信号和负半周电信号谷值之间的差值。

根据本发明实施例所述的一种交流电中检测直流分量方法的另一个进一步的方面，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号还包括，分别获取所述正半周电信号的峰值和谷值，获取负半周电信号的峰值和谷值，获得所述正半周电信号峰值和谷值之和的平均值，获得所述负半周电信号峰值和谷值之和的平均值；在所述将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消中还包括，计算所述正半周电信号的平均值与负半周电信号的平均值之间的差值。

根据本发明实施例所述的一种交流电中检测直流分量方法的另一个进一步的方面，将待测的交流电信号进行极性分离中包括，使用运算放大器对待测交流电信号进行放大。

本发明实施例还提供了一种交流电中检测直流分量的装置，包括，

待测交流电源，极性分离电路，极性抵消电路，直流检测电路；

所述极性分离电路将所述待测交流电源输出的电信号分离为正半周和负半周的电信号；

所述极性抵消电路将所述极性分离电路输出的正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消；

所述直流检测电路检测所述极性抵消电路输出的直流分量。

根据本发明实施例所述的一种交流电中检测直流分量装置的一个进一步的方面，所述极性分离电路进一步包括正半周峰值获取电路和负半周峰值获取电路，所述正半周峰值获取电路用于获取所述正半周电信号的峰值，所述负半周峰值获取电路用于获取所述负半周电信号的峰值。

根据本发明实施例所述的一种交流电中检测直流分量装置的再一个进一步的方面，所述极性分离电路进一步包括正半周谷值获取电路和负半周谷值获取电路，所述正半周谷值获取电路用于获取所述正半周电信号的谷值，所述负半周谷值获取电路用于获取所述负半周电信号的谷值。

根据本发明实施例所述的一种交流电中检测直流分量装置的另一个进一步的方面，所述极性分离电路进一步包括正半周峰值获取电路、正半周谷值获取电路、负半周峰值获取电路、负半周谷值获取电路、求平均值电路，根据所述正半周峰值获取电路、正半周谷值获取电路，负半周峰值获取电路和负半周谷值获取电路的输出，分别获得所述正半周电信号峰值和谷值之和的平均值，并获得所述负半周电信号峰值和谷值之和的平均值。

根据本发明实施例所述的一种交流电中检测直流分量装置的另一个进一步的方面，还包括运算放大器，连接在待测交流电源和极性分离电路之间，放大所述待测交流电信号。

通过本发明实施例，通过将交直流混合信号分离为正半周和负半周的信号，并进行抵消后，获得直流分量，可以以简单的电路结构实现高度集成化，并且工作可靠、稳定，适用于多种恶劣环境下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为现有技术中交流电转换系统的结构示意图；

图2所示为本发明实施例一种交流电中检测直流分量的方法流程图；

图3所示为本发明实施例一种交流电中检测直流分量装置的结构示意图；

图4所示为本发明实施例一种直流偏移双极性检测电路的电路图；

图5所示为本发明实施例交直流混合信号的正半周处理电路图；

图6a所示为在Vdc＞Vm时图5正半周输入波形图；

图6b所示为在Vdc＞Vm时图5正半周输出波形图；

图7a所示为在Vdc＜Vm时图5正半周输入波形图；

图7b所示为在Vdc＜Vm时图5正半周输出波形图；

图7c所示为在Vdc＝0时图5正半周输入波形图；

图7d所示为在Vdc＝0时图5正半周输出波形图；

图8a所示为本发明实施例线性光藕的结构电路图；

图8b所示为本发明实施例线性光藕内部结构电路图；

图9所示为本发明实施例强交流干扰下的单极性检测电路的电路图；

图10所示为本发明实施例强交流干扰下的双极性检测电路的电路图；

图11a所示为本发明实施例精密半波整流电路图；

图11b所示为本发明实施例精密峰值、谷值获取电路图；

图11c所示为本发明实施例精密射极跟随器的电路图；

图11d所示为本发明实施例加法器的电路图；

图11e、图11f和图11g所示为本发明实施例中的各种减法器电路图；

图12a为图4实施例的输入信号波形图；

图12b所示为图4实施例的输出波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示为本发明实施例一种交流电中检测直流分量的方法流程图。

包括，步骤201，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号。

步骤202，将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消。

步骤203，检测所述抵消后的直流分量。

在所述步骤201中，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号包括，获取所述正半周电信号和负半周电信号的峰值；在所述步骤202中还包括，获得所述峰值正半周电信号和负半周电信号峰值之间的差值。

在所述步骤201中，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号还包括，获取所述正半周电信号和负半周电信号的谷值；在所述步骤202中还包括，获得所述峰值正半周电信号和负半周电信号谷值之间的差值；

在所述步骤201中，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号还包括，分别获取所述正半周电信号的峰值和谷值，获取负半周电信号的峰值和谷值，获得所述正半周电信号峰值和谷值之和的平均值，获得所述负半周电信号峰值和谷值之和的平均值；在所述步骤202中还包括，计算所述正半周电信号的平均值与负半周电信号的平均值之间的差值。

在上述步骤中，可以设置针对交直流混合信号双极性进行分别处理，一路针对直流正偏移，另一路针对直流负偏移，这样无论输入信号是哪种偏移均可以输出直流分量信号，并且根据哪一路输出的直流分量信号，就可以判断直流分量是正偏移还是负偏移。

所述步骤203中，可以通过线性光耦隔离输出的方法检测出所述直流分量，或者还可以采用霍尔传感器、电流互感器检测所述直流分量。

在上述步骤201中，还可以包括使用运算放大器对待测交流电信号进行放大，这样可以实现对微弱信号的测量和检测。

通过上述实施例，可以以简单的结构、微型化的体积实现对交流电信号中的直流分量进行检测，然后根据该检测到的直流分量进行后继处理，其中这些后继处理可以使用现有技术中的处理方式，例如背景技术中的后继处理，当然对于后继处理本发明不作任何限制；并且无需采用现有技术中电阻分压来进行衰减，避免了分压衰减电路对测量的精度、线性度和灵敏度的影响；由于本发明所使用的部件均为高稳定性的部件，因此更能适应高温和数百伏以上的高电压等恶劣应用环境，例如ESP井下工矿测量；本发明的电路很容易做成微型化的专用集成芯片，替代部分无源器件应用于强交流环境下实现直流分量的抗干扰隔离测量。

如图3所示为本发明实施例一种交流电中检测直流分量装置的结构示意图。

包括待测交流电源301，极性分离电路302，极性抵消电路303，直流检测电路304。

所述极性分离电路302将所述待测交流电源输出的电信号分离为正半周和负半周的电信号；

所述极性抵消电路303将所述极性分离电路302输出的正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消；

所述直流检测电路304检测所述极性抵消电路303输出的直流分量。

所述极性分离电路302进一步包括正半周峰值获取电路3021和负半周峰值获取电路3022，所述正半周峰值获取电路3021用于获取所述正半周电信号的峰值，所述负半周峰值获取电路3022用于获取所述负半周电信号的峰值。

所述极性分离电路302进一步包括正半周谷值获取电路3023和负半周谷值获取电路3024，所述正半周谷值获取电路3023用于获取所述正半周电信号的谷值，所述负半周谷值获取电路3024用于获取所述负半周电信号的谷值。

所述极性分离电路302进一步包括正半周峰值获取电路3021，正半周谷值获取电路3023，负半周峰值获取电路3022，负半周谷值获取电路3024，求平均值电路3025，根据所述正半周峰值获取电路3021、正半周谷值获取电路3023，负半周峰值获取电路3022和负半周谷值获取电路3024的输出，分别获得所述正半周电信号峰值和谷值之和的平均值，并获得所述负半周电信号峰值和谷值之和的平均值。

所述极性抵消电路303可以采用晶体管，将所述正半周电信号和负半周电信号的峰值分别连接到晶体管的发射极和基极，当所述晶体管导通时输出所述峰值正半周电信号和负半周电信号峰值之间的差值；

将所述正半周电信号和负半周电信号的谷值分别连接到晶体管的发射极和基极，当所述晶体管导通时输出所述峰值正半周电信号和负半周电信号谷值之间的差值；

将所述正半周电信号的平均值和负半周电信号的平均值分别连接到晶体管的发射极和基极，当所述晶体管导通时输出所述正半周电信号的平均值与负半周电信号的平均值之间的差值。

上述晶体管也可以由减法器代替等具有逻辑计算能力的芯片或者部件实现。

上述直流检测电路304可以由线性光耦隔离输出电路构成，或者还可以采用隔离的霍尔传感器、电流互感器、隔离运算放大器等间接实现隔离测量。当由线性光耦隔离输出电路构成时，为简化隔离电路的设计并提高其耐压特性，通常将直流输出再根据正负极性分开为两路输出，一路为正极性而另一路为负极性，即输出格式以“输出幅度(绝对值)”和“输出极性(正、负号)”的方式来表示，以便于采用二极管进行高压保护，同时适应二极管或三极管的单向导通特性；隔离输出后一般耐压要求较低，后续的电路可再将分离的两路直流偏移进行合成得到具有正负输出的单路信号格式，比如采用减法器合并两路输出信号，或对负偏移输出反相，然后再相加合并成一路输出。

检测电路304可以独立存在，也可以合并集成到极性抵消电路303中，比如采用基于运算放大器集成减法器来实现抵消的同时也完成测量任务，即减法器的输出就是测量结果。如果再加上线性光耦隔离输出电路，就可以在一个模块内实现隔离测量。

所述装置在电路303和304中可以针对交直流混合信号双极性进行分别处理，一路针对直流正偏移，另一路针对直流负偏移，这样无论输入信号是哪种偏移均可以输出直流分量信号，并且根据是哪一路存在有输出的直流分量信号，就可以判断直流分量是正偏移还是负偏移，即输出格式以“输出幅度(绝对值)”和“输出极性(正、负号)”的方式来表示。检测完成后一般耐压要求较低，可以再合并两路信号，比如采用减法器合并两路输出信号，或对负偏移输出反相，然后再相加合并成一路输出。

所述装置还包括运算放大器305，连接在待测交流电源301和极性分离电路302之间，放大所述待测交流电信号，这样可以实现对微弱信号的测量和检测。

通过上述实施例，可以以简单的结构、微型化的体积实现对交流电信号中的直流分量进行检测，然后利用现有技术中的装置或者部件对检测到的直流分量进行后继处理，例如背景技术中的变压器或电潜泵或潜油泵等，当然对于后继处理本发明不作任何限制；并且无需采用现有技术中电阻分压来进行衰减，避免了分压衰减电路对测量的精度、线性度和灵敏度的影响；由于本发明所使用的部件均为高稳定性的部件，因此更能适应高温和数百伏以上的高电压等恶劣应用环境，例如ESP井下工矿测量；本发明的电路很容易做成微型化的专用集成芯片，替代部分无源器件应用于强交流环境下实现直流分量的抗干扰隔离测量。

如图4所示为本发明实施例一种直流偏移双极性检测电路的电路图。

图中包括交直流混合信号正半周的整流电路401、峰值获取电路402、谷值获取电路403，负半周的整流电路404、峰值获取电路405、谷值获取电路406，射随缓冲输出电路407，以及由PNP晶体管TA2、TB2完成的极性抵消电路408，其中，负载电阻RA和RB取100k，PNP晶体管的集电极限流电阻Rs为0；输入交流幅度一定，但叠加的直流偏移为慢速变化且正负对称的三角波，以测试交、直流幅度相对变化的情况下，电路检测的线性度和跟踪效果。其中，正半周的整流电路401和负半周的整流电路404可以但不局限于采用二极管、各种晶体管或可控硅开关电路、集成运算放大器等单元或器件完成，极性抵消电路408可以但不局限于采用电阻采样、各种PNP或NPN晶体管或可控硅开关电路、集成运算放大器等单元或器件完成，但其最佳实施例为采用PNP晶体管和/或采用运算放大器组成的减法器来实施。

其中，交直流混合信号的正半周处理电路如图5所示，二极管DA1为正半周的半波整流，DA1和电容CA1组成正半周峰值获取电路，它跟踪输入Vin正半周的最大值VAmax；而二极管D3、电容CA2、电阻RA1和RA2共同组成正半周谷值获取电路，它通过RA1和RA2给CA2缓慢充电并通过D3快速放电直到电压VAmin等于输入Vin正半周的最小值，所以这部分跟踪输入Vin正半周的谷值VAmin；电容CA1和CA2两端的电压差为VAmax-VAmin，经过电阻RA1和RA2的加权分压，得到VA对参考地GND的电压为

VA＝VAmin+(VAmax-VAmin)*RA2/(RA1+RA2)  公式(1)

当RA1＝RA2时，将得到VA为VAmax和VAmin的加权平均值，即

VA＝(VAmax+VAmin)/2                    公式(2)

由于电路的对称性，对图4中处理负半周电路的实施例也有类似的结果，即RB1＝RB2时，将得到VB对参考地GND的电压为VBmax和VBmin的加权平均值：

VB＝(VBmax+VBmin)/2                    公式(3)

先假设直流偏移为Vdc，交流部分Vac＝Vm*sin(wt)，则总的输入为

Vin＝Vdc+Vac＝Vdc+Vm*sin(wt)           公式(4)

则Vin正半周根据Vdc和Vm的幅度大小不同，可分为下面两种情况：

(1)直流偏移的幅度Vdc为正值并且大于交流幅度Vm，如图6a所示，如果整流二极管DA1和DA3的PN结压降都为Vpn，则经过图5的正半周整流、峰值和谷值检测后，检测输出的波形如图6b(注：为突出交流纹波干扰，这里特地把输出波动加以放大，而实际应用时负载RA为隔离电路很高的输入等效电阻，RA需要的电流很小，波动也会小很多)，因此我们得到：

正半周峰值检波输出VAmax＝Vdc+Vm-Vpn                公式(5)

正半周谷值检波输出VAmin＝Vdc-Vm+Vpn                公式(6)

正半周加权平均输出VA＝(VAmax+VAmin)/2＝Vdc         公式(7)

而Vdc＞0，Vdc＞Vm时，负半周没有输出，即：

负半周峰值检波输出VBmax＝0                         公式(8)

负半周谷值检波输出VBmin＝0                         公式(9)

负半周加权平均输出VB＝(VBmax+VBmin)/2＝0           公式(10)

(2)直流偏移的幅度Vdc为正值但Vdc＜Vm，如图7a所示，则正半周经过图5的整流、峰值和谷值检测后，检测输出的波形如图7b中的VA，因此得到：

正半周峰值检波输出VAmax＝Vdc+Vm-Vpn                公式(11)

正半周谷值检波输出VAmin＝Vpn                       公式(12)

正半周加权平均输出VA＝(VAmax+VAmin)/2＝(Vdc+Vm)/2  公式(13)

而Vdc＜Vm时，负半周有输出，为：

负半周峰值检波输出VBmax＝Vm-Vdc-Vpn                公式(14)

负半周谷值检波输出VBmin＝Vpn                       公式(15)

负半周加权平均输出VB＝(VBmax+VBmin)/2＝(Vm-Vdc)/2  公式(16)

由上面公式(7)和(10)，以及(13)和(16)不难看出，只要输入交直流混合信号Vin幅度足够大，使得整流二极管的PN结能够正向导通，则其压降Vpn对直流检测结果没有影响；而且，Vdc＞0的两种情况下，如果将正半周的加权平均值VA减去负半周的加权平均值VB，即经过交流抵消电路后得到的输出，就是直流偏移Vdc，即：

当Vdc＞0时，Vdc＝VA-VB                             公式(17)

为了减少图4后续处理电路对输出VA的影响，通常增加TA1和TB1作为射随缓冲电路，而Vdc＞0时公式(17)的减法(抵消电路)是由PNP晶体管TB2来实现的，所以有：

Vdc＞0时，VOA＝VA1-VB2＝VA-VB-2*Vbe≈VA-VB＝||Vdc||公式(18)，其中|..|为求绝对值，Vbe为晶体管BE结的电压，通常硅管约0.6-0.7V，锗是0.2-0.3V。

前面的实施例虽然是在假设直流为正偏移Vdc＞0时得到的，当Vdc≤0时，由于信号波形和电路结构的对称性，对图4中VOB的实施例也有类似的结果，即：

Vdc≤0时，VOB＝VB1-VA2＝VB-VA-2*Vbe≈VB-VA＝-Vdc＝||Vdc||  公式(19)

而Vdc≤0时公式(20)的减法(抵消电路)是由图4中的PNP晶体管TA2来实现的。不难看出，当没有直流偏移时Vdc＝0，由于波形的对称性，如图7c和d所示，检测输出VA＝VB，因此VOA＝VOB＝0，这显然是上面结果的特例。

由上述讨论可知，交流抵消后的直流偏移检测输出VOA和VOB的幅度只和直流分量Vdc的大小有关，与交流干扰的幅度Vm没有关系，而很多情况下Vdc的幅度要比Vm小很多，所以对隔离输出的耐压要求将大大降低。在这种情况下最简单的就是采用线性光藕(比如HCNR200或IL300)隔离输出，如图8a所示，其输入输出关系为(其中，CTR为光藕的电流传输率，IF为光藕器件的前向输入电流)：

Io＝IF*CTR                                        公式(20)

Vo＝Ro/RF*CTR*(Via-Vib)                           公式(21)

本专利中我们将采用晶体管和HCNR200实现的一种高线性度光藕隔离电路来实现输出隔离，以同时适应大动态范围输入、高输入等效电阻和高精度隔离输出的要求。其内部电路如图8b，其输入端的电源Vcc1无须额外隔离电源，只要Vcc1不低于Vin就可以，可以直接连到峰值获取电路输出的VAmax或VBmax上；其中LED、PD1、PD2均集成在HCNR200内部，光电管PD1和PD2性能一致且功耗很小(uA级别)，因此输入端等效电阻很大；只要其他电路参数是对称的，即Rb1＝Rb2，Re1＝Re2，晶体管T1和T2取相同类型的管子，则在很大的输入范围内其输入输出关系为：

Vo≈Vin                                           公式(22)

特别指出的是，所提出的电路和测量方法在实施例中虽然以大信号为例，即假设输入混合信号Vin幅度足够大，使得整流二极管的PN结能够正向导通，并在很多地方都忽略整流管和射随器PN结压降Vbe(约为0.3-0.7V)的影响，但其思路同样适用于小信号的情况。只要适当选择器件的耐压和电源供电方式，本发明的电路可采取很多提高精度的方法例如可以采用基于运算放大器的各种精密测量、检测电路、隔离运放等，来替代上述电路中完成相应操作的二极管、三极管和光藕隔离器件等元件，实现高精密的半波整流、峰值检波、谷值检波、加法器、减法器以及射随器缓冲输出和隔离运放检测输出等功能，将可以大大提高微小信号测量的精度。除了如图所示的这些可替代的电路模块，只要不偏离本发明的核心思想，其它可替代二极管、三极管实现低功耗、高输入阻抗和高耐压的元器件包括金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，场效应晶体管(Junction FET，JFET)，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)等电路元件，以及包括可替代三极管、运算放大器或电阻网络结构完成加、减法运算与测量等功能的各种ADC电路和CPU(单片机)电路等，这里不再一一列出。

如图9所示为本发明实施例强交流干扰下的单极性检测电路的电路图。

在本例中，当强交流Vm＞Vdc时，VAmin＝0和VBmin＝0，所以图4中的谷值检测电路CA2、DA3和CB2、DB3都可以省去；

再由公式(1)：VA＝VAmin+(VAmax-VAmin)*RA2/(RA1+RA2)，令RA1＝0(短路)，RA2＝RA，以及RB1＝0(短路)，RB2＝RB得到VA＝VAmax＝Vdc+Vm-Vpn，VB＝VBmax＝Vdc-Vm-Vpn，所以有

VOA＝VAmax-VBmax＝2*Vdc    公式(23)

由于采用本发明给出的线性光藕电路做隔离输出，其等效电阻很大，所以TA1和TB1的射随缓冲也没有必要，在本实施例中省略；

直流Vdc保持A端是正电压时只需检测VOA，所以晶体管TA2也可以省略，只留下TB2(在本例中为TB)；

其中DA1，DA2实现正极性分离整流电路，CA实现正极性信号滤波，RA两端得到正半周信号(这里可以开路输出，从而可以省去RA)；同理，DB1，DB2实现负极性分离整流电路，CB实现负极性信号滤波，RB两端得到负半周信号；

RB和PNP晶体管TB共同实现交流成分的极性抵消电路，其中RB给TB提供很小的基极偏置电流从而可取很大阻值，在RL两端得到直流偏移信号的幅度，再通过线性光藕隔离检测即可得到输出信号。线性光藕可采用图8b给出的电路，其输入端的Vcc1连接到A点即可，无需额外的隔离电源供电。由于三极管TB的be结和光藕输入端二极管的单向导通特性，只有偏移监测输出为正极性时才有输出信号。

由公式(23)可知，只要交流Vm＞Vdc时，检测输出取决于直流分量而不受交流干扰幅度的影响，由于采用交流干扰抵消，本检测电路对输入直流偏移有两倍的放大作用，因此交流干扰存在反而放大了待检测的直流成分，这对像ESP井下工矿测量这样的应用环境是很有利的，如果不需要放大而仍保留Vo＝Vin的1∶1比例输出，这种情况下可以用电阻RS和RL来限流和分压，从而起到调节或补偿输出的功能(比如，对ESP测量传感器电阻Rs的补偿或矫正)。

如图10所示为本发明实施例强交流干扰下的双极性检测电路的电路图。

和上述图9所示实施例类似，除了需要保留双向的交流抵消回路，强交流Vm＞Vdc时，VAmin＝0和VBmin＝0，所以可以做类似的简化和优化，省去谷值检测电路CA2、DA3和CB2、DB3。

因为TA1和TA2不可能同时导通，这里把图4中的VA1和VA2短接起来，并增加了一个上拉电阻Ra3，以便让TA2在VAB＞0时截止更可靠，功耗更低。同理，可对TB2和RB3做同样的优化，得到另一个公共输出端B。

连接在公共输出端A、B之间是两路线性光藕隔离输出，分别得到正、负偏移的监测结果，以提供后续的处理(补偿、放大、A/D转换、显示等)。线性光藕可采用图8b给出的电路，其输入端的Vcc1连接到A点或B点即可，无需额外的隔离电源供电。二极管DA和DB的引入可以提高电路的反向耐压，由于二极管DA和DB的单向导通特性，无需在这部分考虑输出信号的正、负极性问题，而是将极性的处理交给后续的电路或应用来完成，比如采用减法器合并两路输出信号，或对负偏移输出反相，然后再相加合并成一路输出。

本发明实施例还可以应用于微弱信号的直流分量检测，例如可采用基于运算放大器的各种精密测量、检测电路，来替代上述电路中完成相应操作的二极管、三极管和光藕隔离器件等电路元件，实现毫伏级(mV)微小信号的放大和检测。

如图11a所示的精密半波整流电路图，如果整流二极管导通压降D1、D2为Vpn＝0.7V，集成运放的开环差模放大倍数为50万倍，那么为使二极管D1导通，集成运放的净输入电压应为：

$u_P-u_N=\frac{0.7}{5\×{10}^5}V=0.14\×{10}^{-5}V=1.4\mathrm{\μV}$

同理可估算出为使D2导通，集成运放所需的净输入电压也具有同等数量级。可见，只要输入电压Ui使集成运放的净输入电压产生非常微小的变化，就可以改变D1和D2工作状态，从而达到精密整流的目的，可替代半波整流二极管；

如图11b所示的精密峰值、谷值获取电路图，可完成实施例中VAmax、VAmin和VBmax、VBmin获取，在与上述电路结合的情况下，可以通过该电路获取交直流混合信号正半周和负半周的VAmax、VAmin和VBmax、VBmin；

如图11c所示的精密射极跟随器的电路图，可实现UO＝Ui缓冲输出；

如图11d所示为加法器的电路图，加法器Uo＝-(U1+U2)，可实现求和平均(VAmax+VAmin)/2、(VBmax+VBmin)/2；

如图11e、图11f和图11g所示的各种减法器，Vo＝Vi2-Vi1，可实现极性抵消时的相减运算VOA＝(VA-VB)或VOB＝(VB-VA)。

除了上述加法器、减法器等逻辑运算部件可以实现本发明的目的，还可以通过ADC采样和数字化，并由微处理器(MCU)和各种数字信号处理器(DSP)芯片通过本专利提出的算法来实现，包括求输入峰值(最大值)、谷值(最小值)、加权平均值(平滑滤波)、输入信号的幅度相减(极性抵消)等等，其中也包括可能包含的软、硬件实现代码，在此不再赘述。

如图12a为图4实施例的输入信号波形图，图12b所示为图4实施例的输出波形图，可以看出检测输出波形与输入叠加的直流分量基本一样，也是慢速变化且正负对称的三角波，说明本专利电路对直流偏移的检测具有很好的精度和线性度。输出的极性是假设A路为正，B路为负，这里将极性的处理交给后续的电路或应用来完成(比如采用减法器合并两路输出信号，或对负偏移输出反相，然后再相加合并成一路输出)。

通过本发明实施例，通过将交直流混合信号区分为正半周和负半周信号，然后进行正、负半周信号的抵消，就可以在抵消的信号中获取直流分量，以便于后期的用电控制等操作；并且通过结构简单的装置就可以实现上述目的，成本低廉、体积小巧便于集成于各种设备；本发明的装置和方法运行稳定、可靠性高，适用于各种极端自然条件下的工作。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交流电中检测直流分量的方法，其特征在于包括，

将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号；

将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消；

检测所述抵消后的直流分量。

2.根据权利要求1所述的一种交流电中检测直流分量的方法，其特征在于，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号包括，获取所述正半周电信号和负半周电信号的峰值；在所述将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消中还包括，获得所述峰值正半周电信号和负半周电信号峰值之间的差值。

3.根据权利要求1所述的一种交流电中检测直流分量的方法，其特征在于，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号还包括，获取所述正半周电信号和负半周电信号的谷值；在所述将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消中还包括，获得所述峰值正半周电信号和负半周电信号谷值之间的差值。

4.根据权利要求1所述的一种交流电中检测直流分量的方法，其特征在于，将待测的交流电信号进行极性分离，分为正半周和负半周的电信号还包括，分别获取所述正半周电信号的峰值和谷值，获取负半周电信号的峰值和谷值，获得所述正半周电信号峰值和谷值之和的平均值，获得所述负半周电信号峰值和谷值之和的平均值；在所述将所述正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消中还包括，计算所述正半周电信号的平均值与负半周电信号的平均值之间的差值。

5.根据权利要求1所述的一种交流电中检测直流分量的方法，其特征在于，将待测的交流电信号进行极性分离中包括，使用运算放大器对待测交流电信号进行放大。

6.一种交流电中检测直流分量的装置，其特征在于包括，

待测交流电源，极性分离电路，极性抵消电路，直流检测电路；

所述极性分离电路将所述待测交流电源输出的电信号分离为正半周和负半周的电信号；

所述极性抵消电路将所述极性分离电路输出的正半周的电信号和负半周的电信号进行抵消；

所述直流检测电路检测所述极性抵消电路输出的直流分量。

7.根据权利要求6所述的一种交流电中检测直流分量的装置，其特征在于，所述极性分离电路进一步包括正半周峰值获取电路和负半周峰值获取电路，所述正半周峰值获取电路用于获取所述正半周电信号的峰值，所述负半周峰值获取电路用于获取所述负半周电信号的峰值。

8.根据权利要求6所述的一种交流电中检测直流分量的装置，其特征在于，所述极性分离电路进一步包括正半周谷值获取电路和负半周谷值获取电路，所述正半周谷值获取电路用于获取所述正半周电信号的谷值，所述负半周谷值获取电路用于获取所述负半周电信号的谷值。

9.根据权利要求6所述的一种交流电中检测直流分量的装置，其特征在于，所述极性分离电路进一步包括正半周峰值获取电路、正半周谷值获取电路、负半周峰值获取电路、负半周谷值获取电路、求平均值电路，所述求平均值电路根据所述正半周峰值获取电路、正半周谷值获取电路，负半周峰值获取电路和负半周谷值获取电路的输出，分别获得所述正半周电信号峰值和谷值之和的平均值，并获得所述负半周电信号峰值和谷值之和的平均值。

10.根据权利要求6所述的一种交流电中检测直流分量的装置，其特征在于，还包括运算放大器，连接在待测交流电源和极性分离电路之间，放大所述待测交流电信号。

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