CN108566204A - 一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分a/d转换器 - Google Patents

一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分a/d转换器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，本发明对标准型双积分A/D转换器作出了改进。本发明的积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器，其时钟频率/周期不再独立于工频交流电频率/周期，而是自动跟踪工频交流电频率/周期，消除了标准型双积分A/D转换器的工频信号周期与时钟周期不完全成整数比而带来的误差。另外，本发明的用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，其时钟频率/周期与工频交流电的电压幅值也无关，提高了应用的方便性。

Description

一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D 转换器
技术领域
本发明涉及一种A/D转换器(模/数转换器，以下简称ADC)，具体涉及一种用于精确测量领域的积分周 期自适应工频型双积分A/D转换器。
背景技术
双积分式ADC具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。双积分式A/D转换器电路主要 由积分器、比较器、计数器、和标准电压源组成。
双积分式A/D转换器在“转换开始”信号控制下，模拟输入电压在固定时间内向电容充电(正向积分)， 固定积分时间对应于n个时钟脉冲充电的速率与输入电压成正比。当固定时间一到，控制逻辑将模拟开关切 换到标准电压端，由于标准电压与输入电压极性相反，电容器开始放电(反向积分)，放电期间计数器计数 脉冲多少反映了放电时间的长短，从而决定了模拟输入电压的大小。输入电压大，则放电时间长。当电容器 放电完毕，比较器输出信号使计数器停止计数，并由控制逻辑发出“转换结束”信号，完成一次A/D转换。
一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的同一积分器。因此，在两次积分期间(一般在几十 到数百毫秒之间)，R、C和脉冲源等元器件参数的变化对转换精度的影响均可忽略。另一方面，由于双积分 A/D转换器在时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。尤其对周期等于T1或 几分之一的对称干扰(所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰)，从理论上来说，有无穷大的抑制能 力。即使当工频干扰幅度大于被测直流信号，使得输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能力。由于在工业 系统中经常碰到的是工频(50Hz)或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间T1即对待测电压信号进行第一次 积分的时间总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。
然而，前述双积分ADC所具有的很强的抗工频干扰的能力，仅就其工作原理而言的。根据其工作原理， 在实际应用场合中，应当要求第一次积分时间(对待测电压信号积分的时间)T1严格等于工频交流电的周 期，或严格地是工频交流电的周期的整数倍，这样才能使一个测试周期内的工频干扰被严格地消除。
在双积分ADC的通常使用中，都是采用一个独立的振荡器来产生时钟信号，并且选取第一次积分时间为 t＝T1＝2nTC，这里n为计数器电路整体完成一次状态循环的时钟脉冲的个数，TC为脉冲时钟信号周期。一台采 用双积分ADC的测量仪器，要求其双积分ADC的参数T1严格等于工频交流电周期的整数倍，实际上是难以 达到的，这是由于：
通常一个国家的电网频率是固定的，所有为这个国家和地区供应用电设备的厂家必须按照这个频率制作 设备才能正常使用。具体频率定的多少由各个国家自己按照国际习惯定义或者自己定义。例如，中国台湾为 60Hz，中国大陆为50Hz，日本关东为50Hz关西为60Hz，韩国为60Hz，新加坡为50Hz，美国、加拿大、巴 西为60Hz，俄罗斯、英国、法国、德国等欧洲国家则为50Hz。因此，仅就不同的国家或地区而言，采用双 积分ADC的测量仪器就需要针对不同的国家或地区分布设计两套参数，增加了设计、生产、调试的复杂度。
另外，每个国家或地区的工频交流电的频率也有一定的容错度，例如，在中国目前施行的《供电营业规 则》规定：在电力系统正常的情况下，供电频率的允许误差为：(1)电网装机容量在300万及以上的，为± 0.2Hz；(2)电网装机容量在300万以下的，为±0.5Hz。在电力系统非正常状况下，供电频率允许误差不应 超过±1.0Hz。因此，即使针对于特定国家或地区设计的测量仪器，双积分ADC的通常使用的独立的振荡器 也无法使得双积分ADC的参数T1严格等于工频交流电周期的整数倍。
上述原因使得双积分ADC的抗工频干扰能力难以进一步提高。
为了帮助本领域技术人员深刻理解本发明所提出的技术问题及相应的技术方案，在本发明的说明书后面 将全文附上标准的双积分ADC的工作原理。
本发明所要解决的技术问题：自动适应工频倍频，消除标准型双积分A/D转换器的工频信号周期与时钟 周期不完全成整数比而带来的误差。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分 A/D转换器，本发明对标准型双积分A/D转换器作出了改进。
实现本发明目的具体技术方案是：
实现本发明目的具体技术方案是：
一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，包括：工频电压采样电路，第一过 零比较器，2m倍频器，以及标准型双积分A/D转换器，2m倍频器由2m分频器及锁相环构成，m为正整数；锁 相环内包含有压控振荡器和鉴相器。标准型双积分A/D转换器包括有积分器、第二过零比较器、时钟脉冲控 制门和计数器，积分器以集成运算放大器为核心组成。
工频电压采样电路的输入端连接至工频电源，工频电压采样电路的输出端连接至过零比较器的输入端， 过零比较器的输出端连接至锁相环的第一输入端，锁相环的输出端与2m倍频器的输入端连接，2m倍频器的输 出端连接锁相环的第二输入端，锁相环的输出端还连接至标准型双积分A/D转换器的时钟信号输入端，标准 型双积分A/D转换器的其余输入端、输出端连接方式不变。
本发明的改进的双积分型ADC的脉冲时钟信号取自于测量仪器自身所接入的工频交流电供电系统，使得 脉冲时钟信号的频率/周期严格跟随于工频交流电频率/周期，即脉冲时钟信号频率为自适应型，完全不同于 常规的双积分ADC采用单独振荡器产生脉冲时钟信号的方式。
具体地，从测量仪器的交流电源处进行电压采样，采样信号经过过零比较器，过零比较器将输入的正弦 波信号进行变换，过零比较器的输出信号为方波信号，该方波信号同时输出到至少一个2m倍频器，倍频器的 输出信号的频率即为工频电源频率的2m倍，m为正整数；倍频器的输出方波信号用作标准的双积分ADC的时 钟信号。
优选地，任意一个分频器和任意一个倍频器的输入端与过零比较器之间均设有缓冲器。
可选地，分频器由一个或多个D触发器构成。
可选地，过零比较器由运算放大器构成。
可选地，倍频器采用锁相环PLL和分频器，来对工频信号进行倍频。
可选地，工频电压采样电路从测量仪器的交流电源处进行电压采样，通过电阻分压电路或电容分压电路 来实现。
优选地，双积分ADC的转换位数为n，则m为n的整数倍。
上述电压采样电路、过零比较器、倍频器、标准型双积分A/D转换器、分频器、锁相环、压控振荡器、 鉴相器、积分器、时钟脉冲控制门、计数器运算放大器，均为本领域技术人员所熟知的电路模块，其各自的 具体实现均为现有技术，在此无需赘述。
本发明的积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器，其特征在于，与现有技术本质不同的是， 其时钟信号不是来自于独立的振荡器，而是来自于工频电压的频率，并且时钟信号的频率严格地等于工频交 流电的频率的整数倍，因此双积分ADC的参数T1严格等于工频交流电周期的整数倍。
在本发明的技术方案中，由于标准型双积分A/D转换器的时钟信号来自于测量仪器的交流电源的工频信 号，其频率是工频信号的2m倍，并且可自动地跟踪交流电源的工频频率，因此，可以完美地保证了标准型双 积分ADC的第一次积分时间(对待测电压信号积分的时间)T1严格等于工频交流电的周期、或严格地是工 频交流电的周期的整数倍的要求，真正实现了一个测试周期内的工频干扰被严格地消除。
根据本发明的技术方案的原理可知，本发明的积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器，其 时钟频率/周期不再独立于工频交流电频率/周期，而是自动跟踪工频交流电频率/周期，消除了标准型双积 分A/D转换器的工频信号周期与时钟周期不完全成整数比而带来的误差。另外，本发明的积分周期自适应工 频型更高精度的双积分A/D转换器，其时钟频率/周期与工频交流电的电压幅值也无关，提高了应用的方便 性。
本发明的有益效果是：可自动适应全球各国(地区)的工频交流电频率，无需单独设计两种对应的电路， 并且由于采用自适应电路结构，而非传统的由独立的振荡器得到的时钟信号，对于工频交流电的频率有误差 的情况下仍然可以自动跟随其频率，始终保证为工频电源周期的整数倍数，可真正保证双积分ADC的参数 T1严格等于工频交流电周期的整数倍，极大地增强了双积分型AD转换器的工频抗干扰能力。
附图说明
图1a是标准型双积分A/D转换器的电路图；
图1b是双积分A/D转换器各处工作波形；
图2是本发明的积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器一个具体实施例一；
图3是本发明的积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器一个具体实施例二；
图4是本发明的积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器一个具体实施例三；
图5是2m倍频器由2m分频器及锁相环构成的示意图；
图6是2m分频器由m个D触发器级联构成的电路图。
具体实施方式
为了有助于本领域技术人员理解本发明，下面结合实例及标准型双积分A/D转换器工作原理来具体介绍 本发明的技术方案。
首先介绍标准型双积分A/D转换器，这些内容也可见于各类电子专业类教材：
标准型双积分A/D转换器的电路结构：由积分器(由集成运放A组成)、过零比较器(C)、时钟脉冲控制 门(G)和计数器(FFO～FFn)等几部分组成，如图1a所示。
(1)积分器
积分器是转换器的核心部分，它的输入端所接开关S1由定时信号Qn控制。当Qn为不同电平时，极性 相反的输入电压vI和参考电压VREF将分别加到积分器的输入端，进行两次方向相反的积分，积分时间常数 τ＝RC。
(2)过零比较器
过零比较器用来确定积分器的输出电压v0过零的时刻。当v0≥0时，比较器输出vC为低电平；当v0<0 时，vC为高电平。比较器的输出信号接至时钟控制门(G)作为关门和开门信号。
(3)计数器和定时器
它由n+1个接成计数器的触发器FFO～FFn-1串联组成。触发器FFO～FFn-1组成n级计数器，对输入时 钟脉冲CP计数，以便把与输入电压平均值成正比的时间间隔转变成数字信号输出。当计数到2n个时钟脉冲 时，FFO～FFn-1均回到0态，而FFn翻转到1态，Qn＝1后开关S1从位置A转接到B。
(4)时钟脉冲控制门
时钟脉冲源标准周期Tc，作为测量时间间隔的标准时间。当vC＝1时，门打开，时钟脉冲通过门加到触 发器FFO的输入端。
工作原理
双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成 正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电 路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。
下面以输入正极性的直流电压vi为例，说明电路将模拟电压转换为数字量的基本原理。电路工作过程 分为以下几个阶段进行，图中各处的工作波形如图1b所示。
(1)准备阶段
首先控制电路提供CR信号使计数器清零，同时使开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，再使S2断开。
(2)第一次积分阶段
在转换过程开始时(t＝0)，开关S1与A端接通，正的输入电压vi加到积分器的输入端。积分器从0V开 始对vi积分，其波形如图1b斜线O-VP段所示。根据积分器的原理可得
(其中τ＝RC)
由于v0＜0，过零比较器输出为高电平，时钟控制门G被打开。于是，计数器在CP作用下从0开始计数。 经2n个时钟脉冲后，触发器FFO～FFn-1都翻转到0态，而Qn＝1，开关S1由A点转接到B点，第一次积分 结束，第一次积分时间为t＝T1＝2nTC令Vi为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则由式
可得第一次积分结束时积分器的输出电压为Vp
(3)第二积分阶段
当t＝t1时，S1转接到B点，具有与vi相反极性的基准电压-VREF加到积分器的输入端；积分器开始向 相反方向进行第二次积分；当t＝t2时，积分器输出电压v0≥0，比较器输出vC＝0，时钟脉冲控制门G被关闭， 计数停止。在此阶段结束时v0的表达式可写为
设T2＝t2-t1，于是有
设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为λ，则T2＝λTc
可见，T2与V1成正比，T2就是双计分A/D转换过程中的中间变量。
上式表明，在计数器中所得的数λ(λ＝Qn-1···Q1Q0)，与在取样时间T1内输入电压的平均值Vi成 正比的。只要VI＜VREF即可。
由于双积分A/D转换器在时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。尤其对 周期等于T1或几分之一的对称干扰(所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰)，从理论上来说，有 无穷大的抑制能力。即使当工频干扰幅度大于被测直流信号，使得输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能 力。由于在工业系统中经常碰到的是工频(50Hz)或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间T1总是等于工频 电源周期的倍数，如20ms或40ms等。另一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的同一积分器。因此，在两次积分期间(一般在几十到数百毫秒之间)，R、C和脉冲源等元器件参数的变化对转换精度的影 响均可忽略。
最后必须指出，在第二积分阶段结束后，控制电路又使开关S2闭合，电容C放电，积分器回零。电路 再次进入准备阶段，等待下一次转换开始。
具体实施例一：
本发明对标准型双积分A/D转换器作出的改进技术方案的一个具体实例为：
如图2所示，一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，包括：工频电压采样 电路，第一过零比较器，2m倍频器，以及标准型双积分A/D转换器，2m倍频器由2m分频器及锁相环构成，m 为正整数。m为双积分ADC的转换位数n的整数倍。工频电压采样电路由两个电容构成的串联分压电路构成。
标准型双积分A/D转换器包括有积分器、第二过零比较器、时钟脉冲控制门和计数器，积分器以集成运 算放大器为核心组成，如图1a所示。标准型双积分A/D转换器的电路结构、工作原理均为本领域的公知常 识，可见于各电子类教材、技术手册。
分频器由m个D触发器级联而成，构成2m分频器，如图6所示。
过零比较器由运算放大器构成，运算放大器的同相输入端接地，反相输入端接收来自工频电压采样电路 的信号，运算放大器的输出端的输出信号为方波脉冲，其方波信号的频率即为工频交流电的频率。
倍频器采用锁相环PLL和分频器，来对工频信号进行倍频，如图5所示。
工频电压采样电路的输入端连接至工频电源，工频电压采样电路的输出端连接至过零比较器的输入端， 过零比较器的输出端连接至锁相环的第一输入端，锁相环的输出端与2m倍频器的输入端连接，2m倍频器的输 出端连接锁相环的第二输入端，锁相环的输出端还连接至标准型双积分A/D转换器的时钟信号输入端，标准 型双积分A/D转换器的其余输入端、输出端连接方式不变。
具体地，从测量仪器的交流电源处进行电压采样，采样信号经过过零比较器，过零比较器将输入的正弦 波信号进行变换，过零比较器的输出信号为方波信号，该方波信号同时输出到至少一个2m倍频器，倍频器的 输出信号的频率即为工频电源频率的2m倍，m为正整数；倍频器的输出方波信号用作标准的双积分ADC的时 钟信号。
采用锁相环和分频器，来对工频信号进行倍频，如图5所示。
具体实施例二：
本实施例与上一实施例基本相同，不同之处在于：
当本发明的用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，用于测量工频交流电本身的 电压时，信号输入端直接连接工频交流电，如图3所示。
具体实施例三：
本实施例与上一实施例基本相同，不同之处在于：
当本发明的用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，用于测量工频交流电本身的 电压、并且工频交流电电压幅值不高于测量仪器自身的内部工作电压时，省略工频电压采样电路，如图4所 示。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离 本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发 明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，其特征在于：所述积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器，包括：工频电压采样电路，第一过零比较器，2m倍频器，以及标准型双积分A/D转换器，2m倍频器由2m分频器及锁相环构成，m为正整数；锁相环内包含有压控振荡器和鉴相器；任意一个分频器和任意一个倍频器的输入端与过零比较器之间均设有缓冲器；标准型双积分A/D转换器包括有积分器、第二过零比较器、时钟脉冲控制门和计数器，积分器以集成运算放大器为核心组成；
工频电压采样电路的输入端连接至工频电源，工频电压采样电路的输出端连接至过零比较器的输入端，过零比较器的输出端连接至锁相环的第一输入端，锁相环的输出端与2m倍频器的输入端连接，2m倍频器的输出端连接锁相环的第二输入端，锁相环的输出端还连接至标准型双积分A/D转换器的时钟信号输入端，标准型双积分A/D转换器的其余输入端、输出端连接方式不变；
工频电压采样电路从测量仪器的交流电源处进行电压采样，通过电阻分压电路或电容分压电路来实现；
所述用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器从测量仪器的交流电源处进行电压采样，采样信号经过过零比较器，过零比较器将输入的正弦波信号进行变换，过零比较器的输出信号为方波信号，该方波信号同时输出到至少一个2m倍频器，倍频器的输出信号的频率即为工频电源频率的2m倍，m为正整数；倍频器的输出方波信号用作标准的双积分ADC的时钟信号；
所述用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器中的标准型双积分A/D转换器的时钟信号来自于测量仪器的交流电源的工频信号，其频率是工频信号的2m倍，并且自动地跟踪交流电源的工频频率，保证标准型双积分ADC的第一次积分时间即对待测电压信号积分的时间T1严格等于工频交流电的周期、或严格地是工频交流电的周期的整数倍的要求，使一个测试周期内的工频干扰被严格地消除。
2.一种如权利要求1所述的双积分A/D转换器，其特征在于：双积分ADC的转换位数为n，则m为n的整数倍。
3.一种如权利要求1或2所述的双积分A/D转换器，其特征在于：分频器由多个D触发器构成。
4.一种如权利要求1或2或3所述的双积分A/D转换器，其特征在于：过零比较器由运算放大器构成。
5.一种如权利要求1或2或3所述的双积分A/D转换器，其特征在于：倍频器采用锁相环PLL和分频器，来对工频信号进行倍频。
6.一种如权利要求1-4任一项所述的双积分A/D转换器，其特征在于：工频电压采样电路从测量仪器的交流电源处进行电压采样，通过电阻分压电路或电容分压电路来实现。
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