CN103743944B - 一种自动识别信号类型的真有效值交直流电压测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动识别信号类型的真有效值交直流电压测量方法，包括：被测交直流信号加到输入分压及缓冲器（1）的输入端上，经阻抗变换，输出低阻抗信号至电平平移电路（2）及过零同步电路（4）；由电平平移电路（2）的输出的模拟信号进入A/D转换器（3）的模拟输入端，转换好的数字信号送入微处理器（5）内；A/D转换器（3）的参考电压输出接到电平平移电路（2）的参考电压输入端上，用于确定参考零电平抬升后的新参考电平点；（3）微处理器（5）通过内置测量控制软件对过零同步电路（4）输出的同步脉冲进行检测；测量结果由显示接口和通信接口送出。本发明自动识别交流、直流、混合交直流类型，自动测量交流电压真有效值、直流电压值和混合交直流电压真有效值。

Description

一种自动识别信号类型的真有效值交直流电压测量方法

技术领域

本发明涉及一种交直流电流信号测量技术领域，具体来说涉及一种真有效值交直流电压测量方法。

背景技术

对于交直流电压真有效值的测量，通常使用的方法是：根据被测电压类型的不同，将被测电压手动切换至对应的交流或直流输入通道来进行测量。在自动测量系统中，如果被测电压的类型未知，人工判断切换的介入将直接降低测量系统的自动化程度。同时，若被测电压为混合交直流电压，使用现有测量方法的过程将更为繁琐，且难以获得全面的测量参数。

发明内容

本发明的目的在于解决上述缺点而提供的一种自动识别交流、直流、混合交直流类型，自动测量交流电压真有效值、直流电压值和混合交直流电压真有效值的自动识别信号类型的真有效值交直流电压测量方法。

本发明的一种自动识别信号类型的真有效值交直流电压测量方法，包括如下步骤：

（1）被测交直流信号加到输入分压及缓冲器1的输入端上，经分压电路降压及缓冲器阻抗变换，输出满足后续电路幅度要求的低阻抗信号至电平平移电路2及过零同步电路4；电平平移电路2把参考零电平由零值抬升至A/D转换器3输入范围的中点位置上，以满足目前普遍使用的单电源A/D转换器的要求；过零同步电路4用于提取交流部分的过零信号，生成同步脉冲信号，其输出接至微处理器5的同步检测口上；

（2）由电平平移电路2的输出的模拟信号进入A/D转换器3的模拟输入端，在A/D转换器3内进行模拟/数字转换；转换好的数字信号由A/D转换器3的数字接口，经相连的微处理器5的A/D转换器接口，送入微处理器5内；A/D转换器3的参考电压输出接到电平平移电路2的参考电压输入端上，用于确定参考零电平抬升后的新参考电平点；

（3）微处理器5通过内置测量控制软件对过零同步电路4输出的同步脉冲进行检测；根据同步脉冲特征，对A/D转换器3进行操作并采集瞬时电压；由瞬时电压值可计算出电压平均值和电压真有效值；经进一步的分析判断和数据处理，最终得到被测信号电压的类型(交流、直流或混合交直流)、交流电压真有效值、交流电压峰峰值、交流频率、直流电压值、直流极性和混合交直流电压真有效值等各种参数值；测量结果由显示接口和通信接口送出。

上述的一种自动识别信号类型的真有效值交直流电压测量方法，其中：测量控制软件固化于微处理器5中，测量控制软件由初始化模块、过零同步脉冲检测模块、A/D采样模块、数据处理模块和测量结果判别及生成模块组成；初始化模块对微处理器5的内外部资源进行初始化，根据控制软件实现的功能和要求的工作状态，对系统时钟、定时器、中断、内存、I/O口、总线、A/D转换器和变量等进行配置，以建立软硬件的运行环境。该模块在微处理器5上电后开始运行；过零同步脉冲检测模块用于检测是否存在过零同步脉冲，若检测到过零同步脉冲，则对同步周期进行精确测量；A/D采样模块对A/D转换器3进行控制和采样操作，根据过零同步脉冲的特征，A/D采样模块在对采样时间间隔、采样周期进行设置后采集电压瞬时值；数据处理模块对A/D采样模块采集的电压瞬时值进行计算处理，以得到输入电压的平均值和有效值；测量结果判别及生成模块对已获得的各测量和计算数据进行综合判断，最终得到被测电压的类型(交流、直流或混合交直流)、交流电压真有效值、交流电压峰峰值、交流频率、直流电压值、直流极性和混合交直流电压真有效值等各种参数值。测量结果由显示接口和通信接口送出。

测量控制软件在微处理器5在上电后进行初始化，对系统时钟、定时器、中断、内存、I/O口、总线、A/D转换器和变量等进行配置；在软硬件的运行环境建立好后，首先对过零同步脉冲进行检测；若未检测到过零同步脉冲，说明输入信号无交流分量，输入信号类型为直流。对A/D转换器采集的若干电压瞬时值进行平均值计算，计算结果即为包含极性的直流电压值。最后将测量结果（被测信号类型为直流）和测量参数（包含极性的直流电压值）送显示和通信口。然后返回到检测过零同步脉冲处再进行下一次测量；若检测到过零同步脉冲，则通过定时器中断测量同步周期。设测得周期为T，软件预设每周期采样数为N，则以T/N为采样时间间隔，在过零同步脉冲下降沿到来时立即启动A/D转换器，进行连续采样并对采集到的瞬时电压值进行存储；设单个周波（两个过零同步脉冲下降沿之间）采集的瞬时电压值为u₁、u₂…u_N，按交流电压真有效值的离散化计算公式：可计算出第m个周波的电压真有效值。按公式：可计算出第m个周波的电压平均值。然后在u₁、u₂…u_N中求出最大值U_MAX和最小值U_MIN；

根据电压平均值判断被测电压类型：若平均值为零，则说明被测电压为交流电，得到的测量结果为被测信号类型为交流，测量参数为交流电压真有效值U_RMS、峰值U_P=U_MAX、峰峰值U_PP=|U_MAX-U_MIN|、频率1/T；若平均值不为零，则说明被测电压为混合交直流，混合交直流电压真有效值为U_RMS，直流分量电压等于平均值U_AVG，交流分量电压真有效值为，交流分量峰峰值为U_PP=|U_MAX-U_MIN|，交流分量频率为1/T；对混合交直流进行进一步分析：若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相同且平均值U_AVG为正，得到的测量结果为被测信号类型为含交流成分的正向直流电（正向脉动直流电）；若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相同且平均值U_AVG为负，得到的测量结果为被测信号类型为含交流成分的负向直流电（负向脉动直流电）；若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相反且平均值U_AVG为正，得到的测量结果为被测信号类型为含正向直流成分的交流电；若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相反且平均值U_AVG为负，得到的测量结果为被测信号类型为含负向直流成分的交流电；

上述测量结果和参数最后通过显示和通信口送出，程序返回到检测过零同步脉冲处再进行下一次测试，为提高测量结果的准确度，软件对多个周波的参数进行平均值滤波处理。

本发明与现有技术相比，具有明显的优点和效果，由以上技术方案可知：电路部分由输入分压及缓冲器、电平平移电路、过零同步电路、A/D转换电路及微处理器等组成。测量控制软件固化于微处理器中，由初始化、过零同步脉冲检测、A/D采样、数据处理、测量结果判断与生成等模块组成。被测交直流信号先经分压电路降压，再经缓冲放大器输出，分别加到电平平移电路和过零同步电路上。电平平移电路把参考零电平由零值抬升至A/D转换器输入范围的中点位置上，以满足大量使用的普通单电源A/D转换器测量交流和正负极性直流的输入条件。电平平移电路的输出接箝位电路和RC滤波器，防止过电压及高频噪声进入A/D转换器。电平平移电路的参考电压基准取自A/D转换器基准，经电容滤波和缓冲器缓冲而得。参考电压基准值与电平平移电路差分放大器所接的四只电阻阻值共同决定电平抬升值的大小。A/D转换器数字接口与微处理器A/D转换器接口相连。过零同步电路用于检出交流或混合交直流的交流分量的过零点。它由电压比较器、输入隔直电容、参考电压预设分压电阻、微偏置电阻及输出上拉电阻组成。过零脉冲输出接至微处理器同步检测口。在内置软件控制下，微处理器通过同步检测口检测过零同步脉冲。根据过零同步脉冲的特征，由A/D转换器数字接口，对A/D转换器进行操作。采集被测电压瞬时值，并对采集数据进行相应处理。通过微处理器显示接口和通信接口将最终测量结果送出。

电路简洁、可靠；软件功能丰富，测量参数全面；实现的成本低廉。无需人工手动切换操作，就能实现对交流、直流、混合交直流的全自动测量，提高了测量过程的自动化程度和效率。可应用于测量仪器、设备或测量系统中。由于采用微处理器软件真有效值计算方法和频率自动跟踪同步技术，因此所测量的交流或混合交直流的交流分量可为频率范围较宽的任意波形。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图。

图中标记：

1：分压及缓冲器；2：电平平移电路；3：A/D转换器；4：过零同步电路；5：微处理器。

具体实施方式

实施例1：

参见图1，一种自动识别信号类型的真有效值交直流电压测量方法，包括如下步骤：

（1）被测交直流信号加到输入分压及缓冲器1的输入端上，经分压电路降压及缓冲器阻抗变换，输出满足后续电路幅度要求的低阻抗信号至电平平移电路2及过零同步电路4；电平平移电路2把参考零电平由零值抬升至A/D转换器3输入范围的中点位置上，以满足目前普遍使用的单电源A/D转换器的要求；

（2）A/D转换器3的模拟输入端与电平平移电路2的输出相连；参考电压输出接到电平平移电路2的参考电压输入端上，数字接口与微处理器5的A/D转换器接口相连；过零同步电路4用于检测交流或混合交直流的交流分量的过零点，其输出接至微处理器5的同步检测口上；

（3）微处理器5通过内置测量控制软件对过零同步电路4输出的同步脉冲进行检测；并对A/D转换器3进行操作，采集瞬时电压；经分析判断和数据处理，测量结果由显示接口和通信接口送出。

测量控制软件固化于微处理器5中，测量控制软件由初始化模块、过零同步脉冲检测模块、A/D采样模块、数据处理模块和测量结果判别及生成模块组成；初始化模块对微处理器5的内外部资源进行初始化，根据控制软件实现的功能和要求的工作状态，对系统时钟、定时器、中断、内存、I/O口、总线、A/D转换器和变量等进行配置，以建立软硬件的运行环境。该模块在微处理器5上电后开始运行；过零同步脉冲检测模块用于检测是否存在过零同步脉冲，若检测到过零同步脉冲，则对同步周期进行精确测量；A/D采样模块对A/D转换器3进行控制和采样操作，根据过零同步脉冲的特征，A/D采样模块在对采样时间间隔、采样周期进行设置后采集电压瞬时值；数据处理模块对A/D采样模块采集的电压瞬时值进行计算处理，以得到输入电压的平均值和有效值；测量结果判别及生成模块对已获得的各测量和计算数据进行综合判断，最终得到被测电压的类型(交流、直流或混合交直流)、交流电压真有效值、交流电压峰峰值、交流频率、直流电压值、直流极性和混合交直流电压真有效值等各种参数值。测量结果由显示接口和通信接口送出。

测量控制软件在微处理器5在上电后进行初始化，对系统时钟、定时器、中断、内存、I/O口、总线、A/D转换器和变量等进行配置；在软硬件的运行环境建立好后，首先对过零同步脉冲进行检测；若未检测到过零同步脉冲，说明输入信号无交流分量，输入信号类型为直流。对A/D转换器采集的若干电压瞬时值进行平均值计算，计算结果即为包含极性的直流电压值。最后将测量结果（被测信号类型为直流）和测量参数（包含极性的直流电压值）送显示和通信口。然后返回到检测过零同步脉冲处再进行下一次测量；若检测到过零同步脉冲，则通过定时器中断测量同步周期。设测得周期为T，软件预设每周期采样数为N，则以T/N为采样时间间隔，在过零同步脉冲下降沿到来时立即启动A/D转换器，进行连续采样并对采集到的瞬时电压值进行存储；设单个周波（两个过零同步脉冲下降沿之间）采集的瞬时电压值为u₁、u₂…u_N，按交流电压真有效值的离散化计算公式：可计算出第m个周波的电压真有效值。按公式：可计算出第m个周波的电压平均值。然后在u₁、u₂…u_N中求出最大值U_MAX和最小值U_MIN；

根据电压平均值判断被测电压类型：若平均值为零，则说明被测电压为交流电，得到的测量结果为被测信号类型为交流，测量参数为交流电压真有效值U_RMS、峰值U_P=U_MAX、峰峰值U_PP=|U_MAX-U_MIN|、频率1/T；若平均值不为零，则说明被测电压为混合交直流，混合交直流电压真有效值为U_RMS，直流分量电压等于平均值U_AVG，交流分量电压真有效值为，交流分量峰峰值为U_PP=|U_MAX-U_MIN|，交流分量频率为1/T；对混合交直流进行进一步分析：若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相同且平均值U_AVG为正，得到的测量结果为被测信号类型为含交流成分的正向直流电（正向脉动直流电）；若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相同且平均值U_AVG为负，得到的测量结果为被测信号类型为含交流成分的负向直流电（负向脉动直流电）；若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相反且平均值U_AVG为正，得到的测量结果为被测信号类型为含正向直流成分的交流电；若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相反且平均值U_AVG为负，得到的测量结果为被测信号类型为含负向直流成分的交流电；

本发明电路中还包括供电电源电路及和电源相关的滤波电路，滤波电路的构成和参数根据所用集成电路的具体要求进行设计。

本发明电路中还包括输入部分的过流过压保护电路。

本发明描述的输入交直流信号为电压，但不仅限于电压，在输入电路前增加电流-电压转换即可实现交直流电流信号的自动测量。

本发明中A/D转换器3和微处理器5是本发明电路的两个组成部分，但A/D转换器3也可以包含在带高速A/D转换器的微处理器中，即使用内置高速A/D转换器的微处理器来代替A/D转换器3和微处理器5两部分电路。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种自动识别信号类型的真有效值交直流电压测量方法，包括如下步骤：

（1）被测交直流信号加到输入分压及缓冲器（1）的输入端上，经分压电路降压及缓冲器阻抗变换，输出满足后续电路幅度要求的低阻抗信号至电平平移电路（2）及过零同步电路（4）；电平平移电路（2）把参考零电平由零值抬升至A/D转换器（3）输入范围的中点位置上；过零同步电路（4）用于提取交流部分的过零信号，生成同步脉冲信号，其输出接至微处理器（5）的同步检测口上；

（2）由电平平移电路（2）的输出的模拟信号进入A/D转换器（3）的模拟输入端，在A/D转换器（3）内进行模拟/数字转换；转换好的数字信号由A/D转换器（3）的数字接口，经相连的微处理器（5）的A/D转换器接口，送入微处理器（5）内；A/D转换器（3）的参考电压输出接到电平平移电路（2）的参考电压输入端上，用于确定参考零电平抬升后的新参考电平点；

（3）微处理器（5）通过内置测量控制软件对过零同步电路（4）输出的同步脉冲进行检测；根据同步脉冲特征，对A/D转换器（3）进行操作并采集瞬时电压；由瞬时电压值可计算出电压平均值和电压真有效值；经进一步的分析判断和数据处理，最终得到被测信号电压的类型、交流电压真有效值、交流电压峰峰值、交流频率、直流电压值、直流极性和混合交直流电压真有效值各种参数值；测量结果由显示接口和通信接口送出。

2.如权利要求1所述的一种自动识别信号类型的真有效值交直流电压测量方法，其中：测量控制软件固化于微处理器（5）中，测量控制软件由初始化模块、过零同步脉冲检测模块、A/D采样模块、数据处理模块和测量结果判别及生成模块组成；初始化模块对微处理器（5）的内外部资源进行初始化，根据控制软件实现的功能和要求的工作状态，对系统时钟、定时器、中断、内存、I/O口、总线、A/D转换器和变量进行配置，以建立软硬件的运行环境；该模块在微处理器（5）上电后开始运行；过零同步脉冲检测模块用于检测是否存在过零同步脉冲，若检测到过零同步脉冲，则对同步周期进行精确测量；A/D采样模块对A/D转换器（3）进行控制和采样操作，根据过零同步脉冲的特征，A/D采样模块在对采样时间间隔、采样周期进行设置后采集电压瞬时值；数据处理模块对A/D采样模块采集的电压瞬时值进行计算处理，以得到输入电压的平均值和有效值；测量结果判别及生成模块对已获得的各测量和计算数据进行综合判断，最终得到被测电压的类型、交流电压真有效值、交流电压峰峰值、交流频率、直流电压值、直流极性和混合交直流电压真有效值各种参数值；测量结果由显示接口和通信接口送出；

测量控制软件在微处理器（5）在上电后进行初始化，对系统时钟、定时器、中断、内存、I/O口、总线、A/D转换器和变量进行配置；在软硬件的运行环境建立好后，首先对过零同步脉冲进行检测；若未检测到过零同步脉冲，说明输入信号无交流分量，输入信号类型为直流；对A/D转换器采集的若干电压瞬时值进行平均值计算，计算结果即为包含极性的直流电压值；最后将测量结果和测量参数送显示和通信口；然后返回到检测过零同步脉冲处再进行下一次测量；若检测到过零同步脉冲，则通过定时器中断测量同步周期；设测得周期为T，软件预设每周期采样数为N，则以T/N为采样时间间隔，在过零同步脉冲下降沿到来时立即启动A/D转换器，进行连续采样并对采集到的瞬时电压值进行存储；设单个周波采集的瞬时电压值为u₁、u₂…u_N，按交流电压真有效值的离散化计算公式：可计算出第m个周波的电压真有效值；按公式：计算出第m个周波的电压平均值；然后在u₁、u₂…u_N中求出最大值U_MAX和最小值U_MIN；

根据电压平均值判断被测电压类型：若平均值为零，则说明被测电压为交流电，得到的测量结果为被测信号类型为交流，测量参数为交流电压真有效值U_RMS、峰值U_P=U_MAX、峰峰值U_PP=|U_MAX-U_MIN|、频率1/T；若平均值不为零，则说明被测电压为混合交直流，混合交直流电压真有效值为U_RMS，直流分量电压等于平均值U_AVG，交流分量电压真有效值为，交流分量峰峰值为U_PP=|U_MAX-U_MIN|，交流分量频率为1/T；对混合交直流进行进一步分析：若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相同且平均值U_AVG为正，得到的测量结果为被测信号类型为含交流成分的正向直流电；若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相同且平均值U_AVG为负，得到的测量结果为被测信号类型为含交流成分的负向直流电；若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相反且平均值U_AVG为正，得到的测量结果为被测信号类型为含正向直流成分的交流电；若最大值U_MAX和最小值U_MIN符号相反且平均值U_AVG为负，得到的测量结果为被测信号类型为含负向直流成分的交流电；

测量结果和参数最后通过显示和通信口送出，程序返回到检测过零同步脉冲处再进行下一次测试，为提高测量结果的准确度，软件对多个周波的参数进行平均值滤波处理。