CN109406863A - 一种低成本高精度的交流电参量检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本高精度的交流电参量检测方法。本发明通过用稳压电路所输出直流电压信号的A/D采样值所实时计算的A/D采样基准电压来跟随系统工作电压的变化，从而有效提高交流电参量的检测精度，避免电源转换电路输入电压高低、温度变化等导致输出电压变化而致微处理器基准电压Vref变化而导致的A/D采样精度降低问题，同时本发明只需要使用一个稳压电路，有效降低了整个系统的实现成本，也使得电源转换电路采用低精度电源成为可能。本发明还公开了一种低成本高精度的交流电参量检测装置。相比现有技术，本发明以较低的实现成本即可实现交流电参量的高精度检测。

Description

一种低成本高精度的交流电参量检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种交流电参量检测方法，尤其涉及一种低成本高精度的交流电参量检测方法。
背景技术
在电工技术领域，自动转换开关、断路器、控制与保护开关、电动机控制保护器等电器通常都需要对交流电压、电流等交流电参量进行检测，用以实现控制或显示，传统的交流电参量检测电路如图1所示，其包括电源转换电路、微处理器、电参量检测电路和整流电路，交流电参量经电参量检测电路将高压信号/大电流信号等降为低电压交流信号，再经整流电路转换为直流信号输入微处理器，由微处理器进行A/D采样计算出交流电参量，微处理器的基准电压输入采用与系统工作电压VCC相同的电压，而一般电源转换电路输出电压用于给系统提供工作电源，电压精度不高，通常为±5％精度，而微处理器的A/D转换器的基准电压连接的也是VCC，导致A/D检测精度降低，使得所述的交流电参量检测电路存在精度低的缺陷，且由于其交流信号整流为直流后检测，也导致无法测量功率相关参量。为了克服上述缺陷，提供了如图2所示的交流电参量检测电路，包括电源转换电路、稳压电路1、稳压电路2、微处理器、电参量检测电路和信号抬升电路，稳压电路1为信号抬升电路提供高精度的抬升电平信号，稳压电路2为微处理器提供高精度的A/D转换基准电压信号，交流电参量经电参量检测电路将高压信号/大电流信号等降为低电压交流信号，再经信号抬升电路转换为直流信号输入微处理器，由微处理器进行A/D采样计算出交流电参量，该电路可实现交流电参量的高精度检测，但由于采用了两个高精度稳压电路，造成电路成本偏高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的电路成本偏高的问题，提供一种低成本高精度的交流电参量检测方法，以较低的实现成本即可实现交流电参量的高精度检测。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种低成本高精度的交流电参量检测方法，首先将待测交流电信号转换为低电压交流信号；然后以稳压电路输出的高精度的直流电压信号作为抬升电平，对所述低电压交流信号进行电平抬升，从而将其转换为直流信号；最后利用第一A/D转换器对所述直流信号进行A/D采样，并根据采样信号以及基准电压Uref计算出待测交流电信号的交流电参量，所述基准电压Uref根据以下公式计算得到：
式中，vB为利用第二A/D转换器对稳压电路所输出直流电压信号进行A/D采样所得到的采样值，n为第二A/D转换器的位数，VCC为系统工作电压的理论值。
优选地，在计算待测交流电信号的交流电参量时，利用以下公式计算电平抬升后所得到直流信号的实时电压值Ui：
式中，vi为对电平抬升后所得到直流信号进行A/D采样所得到的采样值，m为第一A/D转换器的位数。
优选地，所述第一A/D转换器与第二A/D转换器为同一个A/D转换器，即n与m相等。
优选地，所述稳压电路以系统工作电压作为自身的输入电压。
优选地，所述的抬升电平为
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种低成本高精度的交流电参量检测装置，包括：
电源转换电路，用于提供系统工作电压；
稳压电路，用于提供高精度的直流电压信号；
电参量检测电路，用于将待测交流电信号转换为低电压交流信号；
信号抬升电路，用于以稳压电路输出的直流电压信号作为抬升电平，对电参量检测电路输出的低电压交流信号进行电平抬升，从而将其转换为直流信号；
处理单元，其具有至少两个A/D转换通道，以及各自对应的第一、第二A/D转换器，第一、第二A/D转换器对信号抬升电路所输出的直流信号以及稳压电路所输出的直流电压信号分别进行A/D采样，并根据采样信号以及基准电压Uref计算出待测交流电信号的交流电参量，所述基准电压Uref根据以下公式计算得到：
其中，vB为处理单元对稳压电路所输出直流电压信号进行A/D采样所得到的采样值，n为对第二A/D转换器的位数，VCC为系统工作电压的理论值。
优选地，处理单元在计算待测交流电信号的交流电参量时，利用以下公式计算信号抬升电路所输出直流信号的实时电压值Ui：
式中，vi为处理单元对电平抬升后所得到直流信号进行A/D采样所得到的采样值，m为第一A/D转换器的位数。
优选地，所述第一A/D转换器与第二A/D转换器为同一个A/D转换器，即n与m相等。
优选地，所述稳压电路以系统工作电压作为自身的输入电压。
优选地，所述的抬升电平为所述的抬升电平为
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明通过用稳压电路所输出直流电压信号的A/D采样值所实时计算的A/D采样基准电压来跟随系统工作电压的变化，从而有效提高交流电参量的检测精度，避免电源转换电路输入电压高低、温度变化等导致输出电压变化而致微处理器基准电压Vref变化而导致的A/D采样精度降低问题，同时本发明只需要使用一个稳压电路，有效降低了整个系统的实现成本，也使得电源转换电路采用低精度电源成为可能。
附图说明
图1为一种现有技术的电路原理框图；
图2为另一种现有技术的电路原理框图；
图3为本发明的电路原理框图；
图4为具体实施例中电源转换电路的电路图；
图5为具体实施例中稳压电路的电路图；
图6为具体实施例中电参量检测电路的电路图。
具体实施方式
针对现有技术由于采用两个稳压电路以及高精度电源所导致的电路成本偏高的问题，本发明的解决思路是通过用稳压电路所输出直流电压信号的A/D采样值所实时计算的A/D采样基准电压来跟随系统工作电压的变化，从而有效提高交流电参量的检测精度，避免电源转换电路输入电压高低、温度变化等导致输出电压变化而致微处理器基准电压Vref变化而导致的A/D采样精度降低问题，在可获得高精度检测结果的同时，只需要使用一个稳压电路，并且不需要高精度的电源转换电路，从而有效降低了系统实现成本。
具体而言，本发明具体采用以下技术方案：
一种低成本高精度的交流电参量检测方法，首先将待测交流电信号转换为低电压交流信号；然后以稳压电路输出的高精度的直流电压信号作为抬升电平，对所述低电压交流信号进行电平抬升，从而将其转换为直流信号；最后利用第一A/D转换器对所述直流信号进行A/D采样，并根据采样信号以及基准电压Uref计算出待测交流电信号的交流电参量，所述基准电压Uref根据以下公式计算得到：
式中，vB为利用第二A/D转换器对稳压电路所输出直流电压信号进行A/D采样所得到的采样值，n为第二A/D转换器的位数，VCC为系统工作电压的理论值。
一种低成本高精度的交流电参量检测装置，包括：
电源转换电路，用于提供系统工作电压；
稳压电路，用于提供高精度的直流电压信号；
电参量检测电路，用于将待测交流电信号转换为低电压交流信号；
信号抬升电路，用于以稳压电路输出的直流电压信号作为抬升电平，对电参量检测电路输出的低电压交流信号进行电平抬升，从而将其转换为直流信号；
处理单元，其具有至少两个A/D转换通道，以及各自对应的第一、第二A/D转换器，第一、第二A/D转换器对信号抬升电路所输出的直流信号以及稳压电路所输出的直流电压信号分别进行A/D采样，并根据采样信号以及基准电压Uref计算出待测交流电信号的交流电参量，所述基准电压Uref根据以下公式计算得到：
其中，vB为处理单元对稳压电路所输出直流电压信号进行A/D采样所得到的采样值，n为对第二A/D转换器的位数，VCC为系统工作电压的理论值。
其中，所述电源转换电路可以从辅助电源获取电能，也可以待测交流电信号作为电源；所述稳压电路可以系统工作电压作为自身的输入电压，也可采用其他电源。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
本实施例中，第一A/D转换器与第二A/D转换器为同一个A/D转换器(即m＝n)，其具有两个A/D转换通道。
本实施例的交流电参量检测装置的基本结构原理如图3所示，其包括电源转换电路、稳压电路、微处理器、电参量检测电路和信号抬升电路，电源转换电路与辅助电源、微处理器和稳压电路连接，稳压电路与电源转换电路、微处理器和信号抬升电路连接，微处理器与电源转换电路、稳压电路、信号抬升电路连接，信号抬升电路与微处理器、稳压电路和电参量检测电路连接，电参量检测电路与信号抬升电路。
本实施例中的系统电源采用辅助电源，如图3所示，辅助电源经电源转换电路输出系统工作电压VCC(通常为5VDC，电压精度一般为±5％)，其为其它电路提供工作电源，系统工作电压VCC同时与微处理器的工作电源VCC引脚、A/D基准电源Vref引脚连接。稳压电路的输入端与VCC连接，稳压电路的输出电压UB(优选为2.5VDC)输出至微处理器的A/D转换通道AD0，同时，稳压电路的输出电压UB还输出至信号抬升电路作为其抬升电平，信号抬升电路通过电压UB抬升后将输入交流电参量信号转换为直流信号传输至微处理器的A/D转换通道AD1；假设微处理器的A/D转换通道AD0对应的第二A/D转换器为n位(一般为10位或12)，微处理器实时采样A/D转换通道AD0输入电压，假设其采样值为VB，则微处理器根据当前采样值VB计算出当前时刻的A/D基准电压Vref为其中VCC为系统工作电压的理论值5V(亦即电源转换电路的理论输出电压)，由此可见，此时的系统工作电压VCC已不再是理论值5V，而是Uref，而此时，若微处理器的A/D转换通道AD1的输入电压仍用理论值5V计算(Vi为第二A/D转换通道AD1的实时采样值)，显然是错误的，因为，此时的基准电压已不再是5V，而是Uref(例如n取10，vB采样值为512，则Uref为5V，若vB采样值为500，则Uref为4.88V)，因此，微处理器的A/D转换通道AD1的输入电压微处理器定期检测两个A/D转换通道的采样值(采样值为数字量)，假设一个周期内采样32个点，则交流输入的电压有效值类似地，可以根据采样结果以及上述计算出的基准电压Uref，得到交流输入的电压均值、电流瞬时值、电流有效值等参量，具体计算方法均为现有技术，此处不再赘述。
以上装置中的电源转换电路、稳压电路、微处理器、电参量检测电路和信号抬升电路等均可采用现有或将有技术。图4～图6分别显示了本实施例中电源转换电路、稳压电路、电参量检测电路的具体实现电路。
本实施例的电源转换电路如图4所示，辅助电源(L、N)经变压器T1降压后输出至整流桥B1，整流桥B1输出经滤波电容E1后输入稳压芯片U1的输入端，稳压芯片U1输出经滤波后给内部系统提供工作电压VCC。
本实施例的稳压电路如图5所示，系统工作电压VCC经高精度稳压芯片U2后输出抬升电平MEA-2.5V，并经运算放大器跟随后输出电压REF0作为电参量检测电路的抬升电平，将电参量检测电路输出的交流信号经抬升电路转换为直流信号，以便于微处理器的采集。
本实施例的电参量检测电路如图6所示，待测的交流电信号(交流电源A、N)经限流电阻R1输入至电压传感器T3，电压传感器T3的输出端连接有负载电阻R2，负载电源的一端与稳压电路的输出REF0连接，另一端即为被REF0抬升后的信号输入至微处理器，由微处理器实现对待测交流电的电参量的采集和计算。
图4～图6仅仅是其中一种具体实现电路，本领域技术人员完全可以采用各种等同的电路进行替换。

Claims (10)

1.一种低成本高精度的交流电参量检测方法，首先将待测交流电信号转换为低电压交流信号；然后以稳压电路输出的高精度的直流电压信号作为抬升电平，对所述低电压交流信号进行电平抬升，从而将其转换为直流信号；最后利用第一A/D转换器对所述直流信号进行A/D采样，并根据采样信号以及基准电压Uref计算出待测交流电信号的交流电参量，其特征在于，所述基准电压Uref根据以下公式计算得到：
式中，vB为利用第二A/D转换器对稳压电路所输出直流电压信号进行A/D采样所得到的采样值，n为第二A/D转换器的位数，VCC为系统工作电压的理论值。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，在计算待测交流电信号的交流电参量时，利用以下公式计算电平抬升后所得到直流信号的实时电压值Ui：
式中，vi为对电平抬升后所得到直流信号进行A/D采样所得到的采样值，m为第一A/D转换器的位数。
3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述第一A/D转换器与第二A/D转换器为同一个A/D转换器，即n与m相等。
4.权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述稳压电路以系统工作电压作为自身的输入电压。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述的抬升电平为
6.一种低成本高精度的交流电参量检测装置，其特征在于，包括：
电源转换电路，用于提供系统工作电压；
稳压电路，用于提供高精度的直流电压信号；
电参量检测电路，用于将待测交流电信号转换为低电压交流信号；
信号抬升电路，用于以稳压电路输出的直流电压信号作为抬升电平，对电参量检测电路输出的低电压交流信号进行电平抬升，从而将其转换为直流信号；
处理单元，其具有至少两个A/D转换通道，以及各自对应的第一、第二A/D转换器，第一、第二A/D转换器对信号抬升电路所输出的直流信号以及稳压电路所输出的直流电压信号分别进行A/D采样，并根据采样信号以及基准电压Uref计算出待测交流电信号的交流电参量，所述基准电压Uref根据以下公式计算得到：
其中，vB为处理单元对稳压电路所输出直流电压信号进行A/D采样所得到的采样值，n为对第二A/D转换器的位数，VCC为系统工作电压的理论值。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，处理单元在计算待测交流电信号的交流电参量时，利用以下公式计算信号抬升电路所输出直流信号的实时电压值Ui：
式中，vi为处理单元对电平抬升后所得到直流信号进行A/D采样所得到的采样值，m为第一A/D转换器的位数。
8.如权利要求6或7所述装置，其特征在于，所述第一A/D转换器与第二A/D转换器为同一个A/D转换器，即n与m相等。
9.如权利要求6或7所述装置，其特征在于，所述稳压电路以系统工作电压作为自身的输入电压。
10.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述的抬升电平为
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