CN104459310A - 交流电压频率采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电压频率采集装置，包括：峰值检波电路，用于检测输入信号的交流电压的幅值；增益控制电路，用于对所述峰值检波电路输出的幅值进行等级划分，并对具有相对较小幅值的等级设定相对较大的增益放大倍数；放大整形电路，用于根据所述增益放大倍数对所述交流电压进行放大整形后输出；以及脉冲采集电路，用于接收所述放大整形电路输出的交流电压并进行脉冲计数，从而确定所述交流电压的频率。上述交流电压频率采集装置具有电压测量范围较宽且测量精度较高的优点。

Description

交流电压频率采集装置

技术领域

本发明涉及电压频率测量技术领域，特别是涉及一种交流电压频率采集装置。

背景技术

配网自动化终端(简称配网终端)是安装在配电网的各类远端监测、控制单元的总称，以完成数据采集、控制、通信等功能。配网终端需要采集交流、直流信号，特别还需要采集交流频率。在配网终端对电网做合环等操作时对采集交流频率精度要求较高。传统的交流电压频率测试装置的测试范围较窄，且测量精度不高，对输入信号要求较高，不利于高性能场合应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种具有宽电压测量范围且测量精度较高的交流电压频率采集装置。

一种交流电压频率采集装置，包括依次电性连接的峰值检波电路、增益控制电路、放大整形电路以及脉冲采集电路；所述峰值检波电路用于检测输入信号的交流电压的幅值；所述增益控制电路用于对所述峰值检波电路输出的幅值进行等级划分，并对具有相对较小幅值的等级设定相对较大的增益放大倍数；所述放大整形电路用于根据所述增益放大倍数对所述交流电压进行放大整形后输出；所述脉冲采集电路用于接收所述放大整形电路输出的交流电压并进行脉冲计数，从而确定所述交流电压的频率。

在其中一个实施例中，所述增益控制电路包括幅值比较电路以及信号选通电路；所述幅值比较电路的输入端与所述峰值检波电路的输出端电性连接，所述幅值比较电路的输出端与所述信号选通电路的输入端电性连接；所述信号选通电路的输出端与所述放大整形电路的输入端电性连接；所述幅值比较电路用于将所述幅值与参考电压进行比较后对所述幅值进行等级划分，并将划分后的等级输出给所述信号选通电路，所述信号选通电路用于根据所述等级选择对应增益放大倍数的信号通道与所述放大整形电路连接。

在其中一个实施例中，所述幅值比较电路包括第一电压比较器、第二电压比较器以及电压放大器；所述幅值比较电路用于将所述幅值划分为三个等级；所述第一电压比较器的同相输入端与所述峰值检波电路的输出端连接，所述第一电压比较器的反相输入端为第一参考电压端；所述第一电压比较器的输出端与所述信号选通电路连接；所述电压放大器的同相输入端与所述峰值检波电路的输出端连接，所述电压放大器的反相输入端接地，所述电压放大器的输出端与所述第二电压比较器的同相输入端连接；所述第二电压比较器的反相输入端为第二参考电压端；所述第二电压比较器的输出端与所述信号选通电路连接。

在其中一个实施例中，所述第一电压比较器的输出端以及所述第二电压比较器的输出端输出的信号均为电平信号；不同的电平信号对应不同的幅值等级；所述信号选通电路在所述第一电压比较器和所述第二电压比较器输出均为高电平时，选择具有第一增益放大倍数的信号通道；所述信号选通电路在所述第一电压比较器输出低电平且所述第二电压比较器输出高电平时，选择具有第二增益放大倍数的信号通道；所述信号选通电路在所述第一电压比较器和所述第二电压比较器均输出低电平时，选择具有第三增益放大倍数的信号通道；所述第一增益放大倍数小于所述第二增益放大倍数且所述第二增益放大倍数小于所述第三增益放大倍数。

在其中一个实施例中，所述第一增益放大倍数、所述第二增益放大倍数以及所述第三增益放大倍数为等比递增关系。

在其中一个实施例中，所述信号通道上串联有增益电阻；所述增益电阻的阻值与所述信号通道的增益放大倍数相匹配。

在其中一个实施例中，所述脉冲采集电路包括过零比较电路和主控芯片；所述过零比较电路的输入端与所述放大整形电路的输出端电性连接，所述过零比较电路的输出端与所述主控芯片电性连接；所述过零比较电路用于将所述输入信号转换为同周期的方波并输出给所述主控芯片进行脉冲计数；所述主控芯片根据所述脉冲计数确定所述输入电压的频率。

在其中一个实施例中，所述峰值检波电路包括第一电压跟随器、二极管以及第一电容；所述第一电压跟随器的同相输入端用于接收所述输入信号；所述第一电压跟随器的输出端串联所述二极管后与所述增益控制电路连接；所述第一电压跟随器的反相输入端与所述二极管的负极连接；所述第一电容一端连接所述二极管的负极，另一端接地。

在其中一个实施例中，所述放大整形电路包括第二电压跟随器以及与之串联的同相比例放大器。

在其中一个实施例中，还包括低通滤波电路，用于过滤附加在所述输入信号上的高频干扰；所述低通滤波电路分别与所述放大整形电路、所述峰值检波电路电性连接。

上述交流电压频率采集装置，峰值检波电路对输入信号的交流电压的幅值进行检测，获取到输入电压的幅值后输出给增益控制电路。增益控制电路则对幅值进行等级划分，并对具有相对较小幅值的等级设定相对较大的增益放大倍数。因此，当采集信号具有较小电压幅值时，能够获得相对较大的增益放大倍数，从而能够提高脉冲采集电路的精准度，进而提高整个测量的精准度。上述交流电压频率采集装置可以根据输入信号的幅值大小自动调节放大整形电路的增益放大倍数，从而使得交流电压频率采集装置具有较宽电压测量范围，且提高了测量的精准度。

附图说明

图1为一实施例中的交流电压频率采集装置的结构框图；

图2为一实施例中的交流电压频率采集装置的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为一实施例中的交流电压频率采集装置，可用于配网终端等自动化设备采集交流电压频率，包括依次电性连接的峰值检波电路110、增益控制电路120、放大整形电路130以及脉冲采集电路140。

峰值检波电路110用于对输入信号的交流电压的幅值进行检测并在获取到交流电压的幅值后输出给增益控制电路120。增益控制电路120用于对峰值检波电路110输出的幅值进行等级划分，并对具有相对较小幅值的等级设定相对较大的增益放大倍数。通过对具有较小幅值的电压等级采用相对较大的增益放大倍数，使得较小幅值的电压能够获得相对较大倍数的放大处理，确保脉冲采集过程的精准度，从而提高整个测量过程的精准度。具体地，判断某一等级是否具有相对较小幅值是相对于划分后各等级的幅值而言的，同理相对较大的增益放大倍数也是相对于各等级所对应的增益放大倍数而言的。例如，当划分后的等级包括大于0.5V、0.5～0.1V以及小于0.1V三个级别时，小于0.1V的等级相对于0.5～0.1V的等级具有相对较小的幅值，因此其设定的增益放大倍数相对于0.5～0.1V的等级的增益放大倍数要大，即具有相对较大的增益放大倍数。具体的增益放大倍数与幅值的对应关系可以根据实际需要进行设定，并不限于一具体的数值范围。在本实施例中，判定该等级是否具有相对较小幅值的基准也可以通过将幅值与0进行比较，即幅值越靠近0的等级其幅值相对越小，因此其设定的增益放大倍数也相应的越大。

增益控制电路120包括幅值比较电路和信号选通电路。幅值比较电路的输入端与峰值检波电路110的输出端电性连接，其输出端则与信号选通电路的输入端电性连接。信号选通电路的输出端与放大整形电路130的输入端电性连接。幅值比较电路用于将接收到的幅值与预设的参考电压进行比较后对幅值进行等级划分，并将划分后的等级输出给信号选通电路。信号选通电路用于根据划分后的等级选择对应增益放大倍数的信号通道与放大整形电路130连接。信号选通电路中的信号通道的数量与幅值比较电路的划分等级数量相对应。

幅值比较电路包括第一电压比较器、第二电压比较器以及电压放大器。第一电压比较器的同相输入端与峰值检波电路110的输出端连接，第一电压比较器的反相输入端则为第一参考电压端。第一电压比较器的输出端与信号选通电路连接。电压放大器的同相输入端与峰值检波电路110的输出端连接，反相输入端接地，输出端则与第二电压比较器的同相输入端连接。第二电压比较器的反相输入端则为第二参考电压端。第二电压比较器的输出端与信号选通电路连接。电压放大器可以对输入到第二电压比较器的同相输入端的电压进行放大处理，从而使得具有较小幅值的电压能够被精确地划分到对应的幅值等级中去，进一步提高测量过程的精准度。

第一电压比较器的输出端以及第二电压比较器的输出端输出的信号均为电平信号。不同的电平信号对应不同的幅值等级。信号选通电路在第一电压比较器和第二电压比较器输出均为高电平时，选择具有第一增益放大倍数的信号通道。信号选通电路在第一电压比较器输出低电平且第二电压比较器输出高电平时，选择具有第二增益放大倍数的信号通道。信号选通电路在第一电压比较器和第二电压比较器均输出低电平时，选择具有第三增益放大倍数的信号通道。其中，第一增益放大倍数小于第二增益放大倍数，且第二增益放大倍数小于第三增益放大倍数。在本实施例中，第一增益放大倍数、第二增益放大倍数以及第三增益放大倍数为等比递增关系。信号通道上串联有增益电阻。增益电阻的阻值与信号通道的增益放大倍数相匹配。

放大整形电路130根据增益控制电路120设定的增益放大倍数对输入信号进行放大整形后输出给脉冲采集电路140。脉冲采集电路140对输出信号的脉冲进行计数，从而得出交流电压的频率值。其中，脉冲采集电路140包括过零比较电路142以及主控芯片144。过零比较电路142的输入端与放大整形电路130的输出端电性连接，其输出端则与主控芯片144电性连接。过零比较电路142用于将输入信号转换为同周期的方波后输出给主控芯片144。放大整形电路130对具有相对较小幅值的等级采用相对较大的增益放大倍数进行放大处理，从而能够提高过零比较电路142的转换精确度，进而提高整个测试过程的精准度。主控芯片144根据接收到的方波进行脉冲计数，同时进行计时。因此，在计时为t时刻的脉冲数为n时，可以确定频率f＝n/t。

在本实施例中，还包括低通滤波电路150。低通滤波电路150分别与峰值检波电路110、放大整形电路130连接。低通滤波电路150用于过滤附加在输入信号上的高频干扰，提高测量的精度。

上述交流电压频率采集装置，峰值检波电路110对输入信号的交流电压的幅值进行检测，获取到输入电压的幅值后输出给增益控制电路120。增益控制电路120则对幅值进行等级划分，并对具有相对较小幅值的等级设定相对较大的增益放大倍数。因此，当采集信号具有较小电压幅值时，能够获得相对较大的增益放大倍数，从而能够提高脉冲采集电路140的精准度，进而提高整个测量的精准度。上述交流电压频率采集装置可以根据输入信号的幅值大小自动调节放大整形电路130的增益放大倍数，从而使得交流电压频率采集装置具有较宽电压测量范围，且提高了测量的精准度。并且，上述交流电压频率采集装置通过采用主控芯片144来实现脉冲检测，有利于提高装置的集成度且有利于实现装置的小型化。

图2所示为一实施例中的交流电压频率采集装置的电路原理图。交流电压频率采集装置包括低通滤波电路、峰值检波电路、增益控制电路、放大整形电路以及脉冲采集电路。其中，脉冲采集电路包括过零比较电路和主控芯片。

低通滤波电路包括电阻R1和电容C1。电阻R1的一端用于与信号输入端AIN连接以接收输入信号，另一端分别与电容C1的正极、峰值检波电路以及放大整形电路连接。电容C1的负极接地。在本实施例中，电容C1为极性电容。通过电阻R1和电容C1形成的低通滤波电路可以对附加在输入信号上的高频干扰进行过滤，提高测量的精准度。

峰值检波电路包括第一电压跟随器U4A、二极管D1、电容E1以及电阻R14。第一电压跟随器U4A的同相输入端串联电阻R14后与电阻R1连接。第一电压跟随器U4A的输出端与二极管D1的正极连接。二极管D1的负极分别与增益控制电路、电容E1的一端连接。电容E1的另一端接地。第一电压跟随器U4A的反相输入端与二极管的负极连接。在本实施例中，第一电压跟随器U4A采用型号为LM358的电压比较器。二极管D1的型号为1N4148。电容E1则为电解电容。

增益控制电路包括幅值比较电路和信号选通电路。其中，幅值比较电路包括电压放大器U4B、第一电压比较器U5、第二电压比较器U6，以及电阻R13、R15～R20。信号选通电路则为集成芯片U3。电压放大器U4B的同相输入端串联电阻R18后连接于二极管D1的负极。电压放大器U4B的反向输入端串联电阻R19后接地。电压放大器U4B的输出端与第二电压比较器U6的同相输入端连接。电压放大器U4B的同相输入端和输出端之间还连接有电阻R16。电压放大器U4B可以通过对电阻R16以及电阻R18的阻值进行调整以实现对放大比例的调整，从而对输入到第二电压比较器U6的同相输入端的电压进行放大，提高第二电压比较器U6的精准度。在本实施例中，电压放大器U4B的放大比例为10。

第一电压比较器U5的同相输入端与二极管D1的负极连接，反相输入端串联电阻R13后与参考电压电源端连接。第一电压比较器U5的反相输入端作为第一参考电压端。第一电压比较器U5的反相输入端还串联电阻R15后接地。第一电压比较器U5的输出端输出电平信号SELA给集成芯片U3。第二电压比较器U6的同相输入端与电压放大器U4B的输出端连接，反相输入端则串联电阻R17后与参考电压电源端连接。第一电压比较器U6的反相输入端作为第二电压参考端。第二电压比较器U6的反相输入端还串联电阻R20后接地。第二电压比较器U6的输出端输出电平信号SELB给集成芯片U3。

通过调整电阻R13和电阻R15的阻值可以实现对第一电压比较器U5的反相输入端输入的第一参考电压进行设定以及调整。通过调整电阻R17以及电阻R20可以实现对第二电压比较器U6的反相输入端输入的第二参考电压进行设定以及调整。通过第一电压比较器U5和第二电压比较器U6可以将输入的交流电压的幅值大小分为三个等级。因此，集成芯片U3可以根据该等级选择对应的信号通道，控制放大整形电路对输入信号进行放大整形。在本实施例中，将交流电压的幅值的等级分为：大于0.5V、0.5～0.1V以及小于0.1V。即，第一参考电压为0.5V，第二参考电压为0.1V。由于第二电压比较电路U6接收到的交流电压是经过电压放大器U4B的放大后的电压，因此其反向输入端实际的第二参考电压应该为第二参考电压与电压放大器U4B放大比例的积。在本实施例中，电压放大器U4B的放大比例为10，因此第二电压比较器U6的反相输入端的参考电压值为1V。通过电压放大器U4B的放大作用可以进一步提高频率采集的精准度。

具体地，当输入电压的幅值大于0.5V时，第一电压比较器U5和第二电压比较器U6均输出高电平，即电平信号SELA和SELB都是高电平。当输入电压的幅值在0.5～0.1V时，第一电压比较器U5输出的电平信号SELA为低电平，第二电压比较器U6输出的电平信号SELB则为高电平。当输入电压的幅值小于0.1V时，第一电压比较器U5和第二电压比较器U6均输出低电平，即电平信号SELA和SELB都是低电平。

集成芯片U3上具有与幅值比较电路形成的幅值等级数量相同的信号通道。集成芯片U3根据第一电压比较器U5和第二电压比较器U6输出的电平信号选择具有相应增益放大倍数的信号通道与放大整形电路连接。信号通道上串联有增益电阻R7、R8以及R12，增益电阻的阻值与信号通道的增益放大倍数相匹配。集成芯片U3对具有相对较小电压幅值的等级采用相对较大的增益放大倍数。在本实施例中，集成芯片U3上对应设置有3条信号通道，其增益放大倍数分别为1、10以及100。即当电压幅值大于0.5V时，增益放大倍数为1；当幅值在0.5～0.1V时，增益放大倍数为10；当幅值小于0.1V时，增益放大倍数为100。

放大整形电路包括第二电压跟随器U1A以及同相比例放大器U1B。第二电压跟随器U1A的输出端串联电阻R3后与同相比例放大器U1B连接。同相比例放大器U1B的同相输入端还与集成芯片U3的信号通道输出端连接。同相比例放大器U1B的反相输入端串联电阻R4后接地。放大整形电路通过与集成芯片U3连接的信号通道确定增益放大倍数。

同相比例放大器U1B对交流电压进行放大整形后输出给过零比较电路。在本实施例中，过零比较电路包括电压比较器U2。电压比较器U2在输入电压大于0V时，输出高电平，反之输出低电平。由于放大整形电路对具有较小电压幅值的等级采用相对较大的增益放大倍数进行放大处理(例如在本实施例中，对电压小于0.1V的等级采用的增益放大倍数为100)，使得过零比较电路的过零比较较为准确。过零比较电路将输入信号转换为同周期的方波后输出给主控芯片(图中未示)。主控芯片对输入的方波进行脉冲计数从而确定出输入电压的频率。

上述交流电压频率采集装置能够根据输入信号的电压幅值的大小自动调节放大整形电路的增益放大倍数，达到更宽输入幅值范围的频率测量。同时对具有相对较小幅值的等级采用相对较大的增益放大倍数，可以提高测量的精准度，可以降低对输入信号的要求，且有利于高性能场合的应用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种交流电压频率采集装置，其特征在于，包括依次电性连接的峰值检波电路、增益控制电路、放大整形电路以及脉冲采集电路；

所述峰值检波电路用于检测输入信号的交流电压的幅值；

所述增益控制电路用于对所述峰值检波电路输出的幅值进行等级划分，并对具有相对较小幅值的等级设定相对较大的增益放大倍数；

所述放大整形电路用于根据所述增益放大倍数对所述交流电压进行放大整形后输出；所述脉冲采集电路用于接收所述放大整形电路输出的交流电压并进行脉冲计数，从而确定所述交流电压的频率。

2.根据权利要求1所述的交流电压频率采集装置，其特征在于，所述增益控制电路包括幅值比较电路以及信号选通电路；所述幅值比较电路的输入端与所述峰值检波电路的输出端电性连接，所述幅值比较电路的输出端与所述信号选通电路的输入端电性连接；所述信号选通电路的输出端与所述放大整形电路的输入端电性连接；所述幅值比较电路用于将所述幅值与参考电压进行比较后对所述幅值进行等级划分，并将划分后的等级输出给所述信号选通电路，所述信号选通电路用于根据所述等级选择对应增益放大倍数的信号通道与所述放大整形电路连接。

3.根据权利要求2所述的交流电压频率采集装置，其特征在于，所述幅值比较电路包括第一电压比较器、第二电压比较器以及电压放大器；所述幅值比较电路用于将所述幅值划分为三个等级；

所述第一电压比较器的同相输入端与所述峰值检波电路的输出端连接，所述第一电压比较器的反相输入端为第一参考电压端；所述第一电压比较器的输出端与所述信号选通电路连接；

所述电压放大器的同相输入端与所述峰值检波电路的输出端连接，所述电压放大器的反相输入端接地，所述电压放大器的输出端与所述第二电压比较器的同相输入端连接；

所述第二电压比较器的反相输入端为第二参考电压端；所述第二电压比较器的输出端与所述信号选通电路连接。

4.根据权利要求3所述的交流电压频率采集装置，其特征在于，所述第一电压比较器的输出端以及所述第二电压比较器的输出端输出的信号均为电平信号；不同的电平信号对应不同的幅值等级；

所述信号选通电路在所述第一电压比较器和所述第二电压比较器输出均为高电平时，选择具有第一增益放大倍数的信号通道；

所述信号选通电路在所述第一电压比较器输出低电平且所述第二电压比较器输出高电平时，选择具有第二增益放大倍数的信号通道；

所述信号选通电路在所述第一电压比较器和所述第二电压比较器均输出低电平时，选择具有第三增益放大倍数的信号通道；所述第一增益放大倍数小于所述第二增益放大倍数且所述第二增益放大倍数小于所述第三增益放大倍数。

5.根据权利要求4所述的交流电压频率采集装置，其特征在于，所述第一增益放大倍数、所述第二增益放大倍数以及所述第三增益放大倍数为等比递增关系。

6.根据权利要求2～5任一所述的交流电压频率采集装置，其特征在于，所述信号通道上串联有增益电阻；所述增益电阻的阻值与所述信号通道的增益放大倍数相匹配。

7.根据权利要求1所述的交流电压频率采集装置，其特征在于，所述脉冲采集电路包括过零比较电路和主控芯片；所述过零比较电路的输入端与所述放大整形电路的输出端电性连接，所述过零比较电路的输出端与所述主控芯片电性连接；所述过零比较电路用于将所述输入信号转换为同周期的方波并输出给所述主控芯片进行脉冲计数；所述主控芯片根据所述脉冲计数确定所述输入电压的频率。

8.根据权利要求1所述的交流电压频率采集装置，其特征在于，所述峰值检波电路包括第一电压跟随器、二极管以及第一电容；所述第一电压跟随器的同相输入端用于接收所述输入信号；所述第一电压跟随器的输出端串联所述二极管后与所述增益控制电路连接；所述第一电压跟随器的反相输入端与所述二极管的负极连接；所述第一电容一端连接所述二极管的负极，另一端接地。

9.根据权利要求1所述的交流电压频率采集装置，其特征在于，所述放大整形电路包括第二电压跟随器以及与之串联的同相比例放大器。

10.根据权利要求1所述的交流电压频率采集装置，其特征在于，还包括低通滤波电路，用于过滤附加在所述输入信号上的高频干扰；所述低通滤波电路分别与所述放大整形电路、所述峰值检波电路电性连接。