CN109782054B - 一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置，包括顺次连接的光电换向开关、两个跟随器、两路电压抬升电路、差分驱动电路、滤波电路、A/D采样电路、FPGA时序控制电路和上位机及数据处理模块；上位机及数据处理模块储存光电换向开关换向前和换向后两次测量的差分信号，利用差分信号和交流量子电压重构被测交流电压，通过FFT运算获得两次重构交流电压信号的幅值，幅值的平均值为交流电压的电压幅值。大幅度衰减了测量系统的误差，提高了交流电压幅值测量准确度。
Description
技术领域
本发明属于计量领域，具体涉及一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置及方法。
背景技术
在交流电压基准建立中，国内外交流电压的测量均使用商业仪器作为采样器，如数字化电压表安捷伦3458A。但数字电压表由于计算能力和数据传输带宽的限制，很难做到功率测量的实时和连续。通常情况是计算机控制数字电压表采集一段时间的电压瞬时信号，再通过接口传递数据到计算机中，由计算机完成功率的最终计算。由于这种方法属于非实时和连续测量，为了得到较好的测量不确定度，需要对被测信号的稳定性提出很高的要求。如果被测信号的稳定性达不到要求，就只能通过延长测量时间，获取大量的测量数据进行平均来减小测量结果的A类不确定度，实现10-6量级的量值传递。
在实际应用中，交流量子电压具有10-8量级的电压幅值准确度，而由于测量系统受电子元器件的限制，无法达到10-8量级的测量准确度，因此，无法发挥交流量子电压高准确度的优势。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置及方法，为高精度交流电压的测量提供一种新的方案和方法，通过换向测量大幅度降低了系统增益误差的影响，提高了交流电压测量准确度。
根据本发明的一个方面，提出一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置，包括顺次连接的光电换向开关、两个跟随器、两路电压抬升电路、差分驱动电路、滤波电路、A/D采样电路、FPGA时序控制电路和上位机及数据处理模块；光电换向开关接入交流电压和交流量子电压，控制交流电压和交流量子电压的输出互换；跟随器与光电换向开关和电压抬升电路连接，用于提高差分采样时的输入阻抗；电压抬升电路，用于抬升输入信号的偏置电压，以使得输入到A/D采样电路中的信号全在零电位以上；差分驱动电路，用于将经过两路电压抬升电路输出的信号转换成差分信号，并将差分信号送到滤波电路；滤波电路，用于滤除差分信号中的共模和差模干扰信号；A/D采样电路，用于A/D采样电路在FPGA时序控制电路的控制下，将经过滤波电路的差分信号转换成数字信号，并将数字信号送到FPGA时序控制电路；FPGA时序控制电路为A/D采样电路提供逻辑时序，并输出数据到上位机及数据处理模块；FPGA时序控制电路还连接光电换向开关，控制光电换向开关的切换；上位机及数据处理模块储存光电换向开关换向前和换向后两次测量的差分信号，利用差分信号和交流量子电压重构被测交流电压，通过FFT运算获得两次重构的交流电压的幅值，幅值的平均值为交流电压的电压幅值。
优选的，跟随器为1:1跟随器。
优选的，滤波电路的截止频率为300kHz。
上述交流电压换向差分测量装置的使用方法包括以下步骤：
步骤1：将交流电压接到光电换向开关的同相端，交流量子电压接到光电换向开关的反相端，经过电压抬升电路将交流电压和交流量子电压转换成在零电位以上的两路信号，经过差分驱动电路得到两路幅值大小相等、相位相差180度的差分信号；差分信号经过滤波电路后送到A/D采样电路，A/D采样电路将模拟信号转换成数字信号；
步骤2：A/D采样电路输出的数字信号通过FPGA逻辑时序电路送到上位机及数据处理模块进行存储，上位机及数据处理模块利用交流量子信号和差分信号重构出交流电压，通过FFT分析计算出交流电压的电压幅值。
步骤3：FPGA逻辑时序电路控制光电换向开关，将交流量子电压切换到同相端，交流电压切换到反相端，重复步骤1和步骤2，计算光电换向开关换向后的交流电压的电压幅值。
步骤4：计算换向前后交流电压的电压幅值的平均值，得到最终的交流电压的电压幅值。
进一步的，步骤2中通过FFT分析计算出交流电压的电压幅值的计算公式为：
当交流电压加在同相端、交流量子电压加在反向端时，重构出交流电压Vs1(n)的计算公式为：
Vd1(n)＝[Vs(n)(1+Ea)-Vp(n)(1+Eb)](1+Ed)
Vs1(n)＝Vp(n)+Vd1(n)
对Vs1(n)进行FFT分析可以得到电压幅值V1
当交流电压加在反向端、交流量子电压加在同相端时，重构出的交流电压Vs2(n)的计算公式为：
Vd2(n)＝[Vp(n)(1+Ea)-Vs(n)(1+Eb)](1+Ed)
Vs2(n)＝Vp(n)-Vd2(n)
对Vs2(n)进行FFT分析可以得到电压幅值V2
Vp(n)为交流量子电压，Vd(n)为差分信号，电压抬升电路同相端增益误差为Ea，反向端增益误差为Eb，差分驱动电路和AD采样电路误差的增益误差为Ed；N表示一个周期的采样点数，n＝0,1…N-1。
本发明的有益效果：在测量过程中，将交流电压信号和交流量子电压信号互换位置进行两次测量，利用两次测量的结果计算平均值，可以大幅度衰减同相端、反向端的增益误差，实现了不采取任何修正的情况下，将测量系统的误差衰减到10-7量级。同时，基于量子电压的交流电压换向差分测量装置减小了对元器件精度的要求，在大幅度提高测量准确度的同时，使仪器系统的设计更简单。
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为根据本发明一个实施例的交流电压换向差分测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置及方法进行详细描述。然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
本发明提供了一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置及方法，用于实验室环境下，对交流电压幅值进行精密测量。通过换向差分测量方法，很容易实现了准确度小于1×10-6的电压幅值测量。
本发明的总体思路是首先将交流电压接到同相端，交流量子电压接到反向端，进行差分测量，再将交流量子电压接到反向端，交流电压接到同相端，进行差分信号的测量，利用基于量子技术的交流电压重构方法重构出两次测量结果，进行FFT运算得到两次测量结果的电压幅值，最后计算两次测量结果的平均值得到最终测量结果。
本发明的换向差分测量装置如图1所示，该装置主要包括顺次连接的光电换向开关、两个跟随器、两路电压抬升电路、差分驱动电路、滤波电路、A/D采样电路、FPGA时序控制电路和上位机及数据处理模块。
其中，光电换向开关接入交流电压和交流量子电压，控制交流电压和交流量子电压的输出互换；实现两次差分信号的测量。
跟随器与光电换向开关和电压抬升电路连接，用于提高差分采样时的输入阻抗。优选的，跟随器为1：1跟随器。
电压抬升电路与1:1跟随器和差分驱动电路连接，用于抬升输入信号的偏置电压，以使得输入到A/D采样电路中的信号全在零电位以上。
差分驱动电路与电压抬升和滤波电路连接，将经过两路电压抬升电路的信号转换成差分信号，再将差分信号送到滤波电路。
滤波电路与差分驱动电路和A/D采样连接，滤波电路的截止频率为300kHz，用于滤除差分信号中共模和差模干扰信号。
A/D采样与滤波电路和FPGA时序控制电路连接，A/D采样在FPGA时序控制电路的控制下，将经过滤波电路的差分信号转换成数字信号，并将数字信号送到FPGA时序控制电路。
FPGA时序控制电路分别连接上位机及数据处理模块、A/D采样和光电换向开关；FPGA时序控制电路控制光电换向开关的切换，FPGA时序控制电路为A/D采样提供逻辑时序，并将采集的数据传输到上位机及数据处理模块。
上位机及数据处理模块储存光电换向开关换向前和换向后两次测量的差分信号，利用差分信号和交流量子电压重构被测交流电压，通过FFT运算获得两次重构的交流电压信号的幅值，幅值的平均值为交流电压的电压幅值。
利用所述换向测量装置实现基于量子技术的交流信号测量的方法，主要包括如下四步：
步骤1：将交流电压接到同相端，交流量子电压接到反相端，经过电压抬升电路将交流电压和交流量子电压转换成在零电位以上的两路信号，经过差分驱动电路得到两路幅值大小相等，相位相差180度的差分信号；差分信号经过滤波电路后送到A/D采样，将模拟信号转换成数字信号。
步骤2：A/D采样数据通过FPGA逻辑时序电路送到上位机及数据处理模块进行数据的存储，同时进行数据处理，利用交流量子信号和差分信号重构出交流电压，通过FFT分析计算出幅值。
步骤3：FPGA逻辑时序电路控制光电换向开关，将交流量子电压切换导同相端，交流电压切换导反相端，重复步骤1和步骤2，计算换向后的幅值。
步骤4：计算换向前后电压幅值的平均值，得到最终电压幅值测量结果。
具体来说，光电换向开关接交流电压Vs(n)和交流量子电压Vp(n)，假设差分信号为Vd，电压抬升电路同相端增益误差为Ea，反向端增益误差为Eb。差分驱动电路和AD采样误差作为一个整体考虑，其增益误差为Ed，AD采样误差随采样率发生变化，因此Ed也是随采样率变化的量。
当交流电压加在同相端，交流量子电压加在反向端时，输出到上位机及数据处理模块的差分信号Vd1(n)的计算公式如式(1)所示；
Vd1(n)＝[Vs(n)(1+Ea)-Vp(n)(1+Eb)](1+Ed) (1)
当交流电压加在反向端，交流量子电压加在同相端时，输出到上位机及数据处理模块的差分信号Vd2(n)的计算公式如式(2)所示。
Vd2(n)＝[Vp(n)(1+Ea)-Vs(n)(1+Eb)](1+Ed) (2)
在上位机及数据处理模块中，分别重构这两种接法的交流电压Vs1(n)、Vs2(n)，公式如式(3)(4)表示。
Vs1(n)＝Vp(n)+Vd1(n) (3)
Vs2(n)＝Vp(n)-Vd2(n) (4)
对Vs1(n)进行FFT分析可以得到电压幅值V1
对Vs2(n)进行FFT分析可以得到电压幅值V2
因此，交流电压的测量值＝(V1+V2)/2，其准确度小于1×10-6。其中，N表示一个周期的采样点数，n＝0,1…N-1。
具体的准确度的验证方式如下：
由公式(3)(4)计算得到的交流电压误差Es1、Es2如式(5)(6)所示。
由于增益误差主要来源于电阻的自身误差，电路中均采用准确度为0.01％的电阻，因此通道误差基本在10-4量级，公式(5)(6)中的Ea﹒Eb为两个误差的乘积，其影响可以忽略不计；Ed前的系数为
交流电压和交流量子电压的差值为小量，Ed被大幅度衰减，因此，影响最后测量误差的主要因素为两通道之间的增益误差差值，为降低该误差的影响，本专利提出了换向差分测量方法，采用换向后求两次测量结果平均值作为测量结果，根据公式(5)(6)可以得到换向后的相对误差Er如式(7)所示。
公式(7)中可以看出，经过换向测量后的电压抬升电路误差乘以系数
后，整个测量系统的增益误差被大幅度衰减，获得了精确度小于1×10-6的电压幅值测量。
因此，通过本发明的测量装置和方法，大幅度衰减了测量系统的误差，提高了交流电压幅值测量准确度。
Claims (6)
1.一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置，其特征在于，包括顺次连接的光电换向开关、两个跟随器、两路电压抬升电路、差分驱动电路、滤波电路、A/D采样电路、FPGA时序控制电路和上位机及数据处理模块；
所述光电换向开关接入交流电压和交流量子电压，控制所述交流电压和交流量子电压的输出互换；
所述跟随器与光电换向开关和电压抬升电路连接，用于提高差分采样时的输入阻抗；
所述电压抬升电路，用于抬升输入信号的偏置电压，以使得输入到所述A/D采样电路中的信号全在零电位以上；
所述差分驱动电路，用于将经过所述两路电压抬升电路输出的信号转换成差分信号，并将所述差分信号送到所述滤波电路；
所述滤波电路，用于滤除所述差分信号中的共模和差模干扰信号；
所述A/D采样电路，用于在所述FPGA时序控制电路的控制下，将经过所述滤波电路的所述差分信号转换成数字信号，并将所述数字信号送到所述FPGA时序控制电路；
所述FPGA时序控制电路为所述A/D采样电路提供逻辑时序，并输出数据到所述上位机及数据处理模块；所述FPGA时序控制电路还连接所述光电换向开关，控制所述光电换向开关的切换；
所述上位机及数据处理模块储存所述光电换向开关换向前和换向后两次测量的差分信号，利用差分信号和交流量子电压重构被测交流电压，通过FFT运算获得两次差分信号的幅值，幅值的平均值为所述交流电压的电压幅值。
2.根据权利要求1所述的交流电压换向差分测量装置，其特征在于，所述跟随器为1:1跟随器。
3.根据权利要求1所述的交流电压换向差分测量装置，其特征在于，所述滤波电路的截止频率为300kHz。
4.一种使用权利要求1-3任一项所述的交流电压换向差分测量装置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将交流电压接到光电换向开关的同相端，交流量子电压接到光电换向开关的反相端，经过电压抬升电路将交流电压和交流量子电压转换成在零电位以上的两路信号，经过差分驱动电路得到两路幅值大小相等、相位相差180度的差分信号；差分信号经过滤波电路后送到A/D采样电路，A/D采样电路将模拟信号转换成数字信号；
步骤2：A/D采样电路输出的数字信号通过FPGA逻辑时序电路送到上位机及数据处理模块进行存储，上位机及数据处理模块利用交流量子信号和差分信号重构出交流电压，通过FFT分析计算出交流电压的电压幅值；
步骤3：FPGA逻辑时序电路控制光电换向开关，将交流量子电压切换到同相端，交流电压切换到反相端，重复步骤1和步骤2，计算光电换向开关换向后的交流电压的电压幅值；
步骤4：计算换向前后交流电压的电压幅值的平均值，得到最终的交流电压的电压幅值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2中重构出交流电压的计算公式为：
当交流电压加在同相端、交流量子电压加在反向端时，重构出交流电压Vs1(n)的计算公式为：
Vd1(n)＝[Vs(n)(1+Ea)-Vp(n)(1+Eb)](1+Ed)
Vs1(n)＝Vp(n)+Vd1(n)
当交流电压加在反向端、交流量子电压加在同相端时，重构出交流电压Vs2(n)的计算公式为：
Vd2(n)＝[Vp(n)(1+Ea)-Vs(n)(1+Eb)](1+Ed)
Vs2(n)＝Vp(n)-Vd2(n)
Vs(n)为交流电压，Vp(n)为交流量子电压，Vd1(n)为第一差分信号，Vd2(n)为第二差分信号，电压抬升电路同相端增益误差为Ea，反向端增益误差为Eb，差分驱动电路和AD采样电路误差的增益误差为Ed。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2中通过FFT分析计算出交流电压的电压幅值Vs的方法为：
其中，Vs(n)为交流电压，N表示一个周期的采样点数，n＝0,1...N-1。
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