CN109975598B - 一种周期信号有效值测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明在建立导通时间、信号频率、偏置电压和有效值之间的数学模型的基础上提供了一种周期信号有效值测量电路，包括信号调理电路、加法电路、整形电路、F/V(频率‑电压)转换电路、放大电路、三角波发生电路、PWM调制电路、定时器、右移寄存器和有效值计算电路。本发明电路工作原理为待测信号v(t)经过信号调理电路和加法电路实现高频干扰滤波、电压幅值调整功能，确保得到的信号vp(t)处于合理的范围。

Description

一种周期信号有效值测量电路
技术领域
本发明属于计量领域，具体涉及一种周期信号有效值测量电路，用于测量任意周期信号的有效值。
背景技术
周期信号有效值测量在仪器仪表、信号处理和测控领域具有重要的作用，是电学参数测量的重要组成部分。周期信号有效值测量主要有以下几种方案：⑴通过测量周期信号的最大值(或平均值)及波形系数进而求出周期信号的有效值。该方案仅适用于一些特定的标准交流周期信号，诸如标准正弦信号、对称三角波信号等。这是因为对于标准正弦交流信号满足：
Figure BDA0001968877220000011
对于对称三角波信号满足：
Figure BDA0001968877220000012
因而可以通过测量最大值的方法计算出有效值。但这种方法只适用于特定的标准交流周期信号。⑵数值积分方案：即依据
Figure BDA0001968877220000013
(其中：
Figure BDA0001968877220000014
fs为采样频率，Ts为采样周期，T为信号周期)。该方案必需采用高速高精度采样模块和进行浮点数的N次乘法运算、N次加法运算、1次除法运算和1次开方运算，因而会大量的占用CPU系统内存和运行时间，特别是实时性要求高的场合会存在问题。⑶采用傅里叶变换方法。由于任何周期信号都可以分解为直流量、基波及各次谐波分量的叠加，令其对应频率的有效值为Ai(i＝0,1,2,L,n)。其中，n为任意值，由计算精度及硬件实现能力约束。其对应的有效值计算公式为
Figure BDA0001968877220000021
由于对周期信号进行FFT运算占用大量的内存资源，对硬件要求和软件算法均很高，并且其精度受截断频率n的制约，会大量的占用CPU系统内存和运行时间，从而导致精度与计算时间开销要折中考虑。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种周期信号有效值测量电路。本发明可有效检测交流或直流周期信号的真有效值，而且具有结构简单、成本低、精度高、测量速度快、可靠性高、实用性强等特点。
本发明的技术方案：
一种周期信号有效值测量电路，包括信号调理电路、加法电路、整形电路、频率-电压转换电路、放大电路、三角波发生电路、PWM调制电路、定时器、右移寄存器和有效值计算电路；
所述的信号调理电路的输入端与待测信号v(t)相连，用于对v(t)进行高频干扰的滤波和信号放大或衰减系数A；
所述的加法电路，与信号调理电路相连，用于将进行了滤波和调理之后的信号进行直流偏置VDC得到信号vp(t)；
所述的整形电路的输入端与待测信号v(t)相连，用于将v(t)进行信号转换，得到频率相同的矩形波信号；
所述的频率-电压转换电路，与整形电路相连，用于将v(t)的频率转换为电压信号VF；
所述的放大电路，与频率-电压转换电路相连，用于将频率-电压转换电路转换后的电压信号VF放大得到电压VNF，满足：VNF＝N×VF，N为放大倍数；
三角波发生电路，与放大电路相连，用于将VNF产生频率为N×F，电压幅值VCC的对称三角波信号Vtri；
PWM调制电路，与加法电路和三角波发生电路相连，用于将加法电路的输出信号vp(t)与三角波发生电路的输出信号Vtri进行调制得到PWM信号VPWM(t)；
定时器，与PWM调制电路相连，定时器获取PWM调制电路输出信号VPWM(t)每个周期的导通时间，第K个PWM周期，在VPWM(t)的上升沿到来时刻，将定时器清零，并开始定时，直到VPWM(t)的下降沿时刻，停止定时，并将定时器的定时值
Figure BDA0001968877220000031
锁存到输出端Tout；
右移寄存器，与定时器和PWM调制电路相连，在VPWM(t)的下降沿时刻，右移寄存器内部所有数据依次向右移动更新数据，其最右边的数据丢弃，并将锁存到定时器输出端口的
Figure BDA0001968877220000032
移入寄存器的最左边；
有效值计算电路，与右移寄存器相连，读取右移寄存器N个数据和矩形波频率F，计算VRMS，公式为：
Figure BDA0001968877220000033
与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：
①本发明计算周期信号的有效值可以是交流周期信号，也可以是直流周期信号，当然也包括含直流分量和谐波分量的周期信号，所以本发明适用范围更广；
②本发明是真有效值测量，因而实用性更好；
③本发明无需对v(t)的幅值进行采样和傅里叶变换。
④本发明实现电路均为通用的原件，因而具有很高的成本优势。
本发明的电路具有结构简单、成本低、精度高、测量速度快，可靠性高，实用性强等特点；可有效检测交流或直流周期信号的真有效值，为仪器仪表、数字信号处理和测控领域提供了一种新的测量方案。
附图说明
图1为周期信号有效值测量硬件连接图；
图2为实施例1中x(t)+VDC与uc(t)的函数关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的限制。
实施例1：一种周期信号有效值测量电路，如附图1所示，包括信号调理电路、加法电路、整形电路、频率-电压转换电路、放大电路、三角波发生电路、PWM调制电路、定时器、右移寄存器和有效值计算电路；
所述的信号调理电路的输入端与待测信号v(t)相连，用于对v(t)进行高频干扰的滤波和信号放大或衰减系数A；
所述的加法电路，与信号调理电路相连，用于将进行了滤波和调理之后的信号进行直流偏置VDC得到信号vp(t)；
所述的整形电路的输入端与待测信号v(t)相连，用于将v(t)进行信号转换，得到频率相同的矩形波信号；
所述的频率-电压转换电路，与整形电路相连，用于将v(t)的频率转换为电压信号VF；
所述的放大电路，与频率-电压转换电路相连，用于将频率-电压转换电路转换后的电压信号VF放大得到电压VNF，满足：VNF＝N×VF，N为放大倍数；
三角波发生电路，与放大电路相连，用于将VNF产生频率为N×F，电压幅值VCC的对称三角波信号Vtri；
PWM调制电路，与加法电路和三角波发生电路相连，用于将加法电路的输出信号vp(t)与三角波发生电路的输出信号Vtri进行调制得到PWM信号VPWM(t)；
定时器，与PWM调制电路相连，定时器获取PWM调制电路输出信号VPWM(t)每个周期的导通时间，第K个PWM周期，在VPWM(t)的上升沿到来时刻，将定时器清零，并开始定时，直到VPWM(t)的下降沿时刻，停止定时，并将定时器的定时值
Figure BDA0001968877220000051
锁存到输出端Tout；
右移寄存器，与定时器和PWM调制电路相连，在VPWM(t)的下降沿时刻，右移寄存器内部所有数据依次向右移动更新数据，其最右边的数据丢弃，并将锁存到定时器输出端口的
Figure BDA0001968877220000052
移入寄存器的最左边；
有效值计算电路，与右移寄存器相连，读取右移寄存器N个数据和矩形波频率F，计算VRMS，公式为：
Figure BDA0001968877220000053
本发明的测量方法包括如下步骤：
(1)将v(t)进行放大或衰减A，并叠加VDC得到vp(t)，满足：VCC＞vp(t)＞0；
(2)对v(t)进行波形整形，得到同频的矩形波，并经过F/V(频率-电压)转换电路得到频率量VF；将该VF放大N倍得到VNF；
(3)将VNF连接到三角波发生电路的频率设置接口，产生幅值为VCC，频率为N×F的对称三角波信号Vtri；
(4)将vp(t)与Vtri进行PWM调制，得到PWM信号；
(5)定时器获取PWM信号的导通时间，并将其输出给右移寄存器；
(6)右移寄存器存储最近的N个导通时间，并将该数据输出给有效值计算电路；
(6)有效值计算电路通过获取右移寄存器的N和导通时间、待测信号的频率及放大或衰减系数A，计算v(t)的有效值，即：
Figure BDA0001968877220000061
假设任意周期信号x(t)，直流偏置电压VDC：0<VDC<VCC，使得x(t)+VDC满足：VCC＞(x(t)+VDC)＞0。uc(t)为非负对称三角波信号，其满足：
Figure BDA0001968877220000062
其中：周期为TC，频率为fC，幅值为VCC。x(t)+VDC与uc(t)关系如图2所示：
由于：
Figure BDA0001968877220000063
并且：
Figure BDA0001968877220000064
Figure BDA0001968877220000065
所以：
Figure BDA0001968877220000066
又因为：
Figure BDA0001968877220000071
所以有：
Figure BDA0001968877220000072
其中：
Figure BDA0001968877220000073
因为：
Figure BDA0001968877220000074
所以：
Figure BDA0001968877220000075
当TC很小时，有：
Figure BDA0001968877220000076
对于周期为T任意的周期信号x(t)，依据有效值Xrms的定义可知：
Figure BDA0001968877220000077
当TC较小时，有：
Figure BDA0001968877220000078
其中：k≥0。当T＝NTC(即fC＝Nf)，有：
Figure BDA0001968877220000079
联立公式(9)和(12)可得：
Figure BDA0001968877220000081
即：
Figure BDA0001968877220000082
如果固定参数VCC、倍数N、直流偏置电压VDC，则只需获取频率f、和PWM信号导通时间
Figure BDA0001968877220000083
按公式(14)即可求出有效值Xrms。

Claims (1)

1.一种周期信号有效值测量电路，其特征在于，包括信号调理电路、加法电路、整形电路、频率-电压转换电路、放大电路、三角波发生电路、PWM调制电路、定时器、右移寄存器和有效值计算电路；
所述的信号调理电路的输入端与待测信号v(t)相连，用于对v(t)进行高频干扰的滤波和信号放大或衰减系数A；
所述的加法电路，与信号调理电路相连，用于将进行了滤波和调理之后的信号进行直流偏置VDC得到信号vp(t)；
所述的整形电路的输入端与待测信号v(t)相连，用于将v(t)进行信号转换，得到频率相同的矩形波信号；
所述的频率-电压转换电路，与整形电路相连，用于将v(t)的频率转换为电压信号VF；
所述的放大电路，与频率-电压转换电路相连，用于将频率-电压转换电路转换后的电压信号VF放大得到电压VNF，满足：VNF＝N×VF，N为放大倍数；
三角波发生电路，与放大电路相连，用于将VNF产生频率为N×F，电压幅值VCC的对称三角波信号Vtri；
PWM调制电路，与加法电路和三角波发生电路相连，用于将加法电路的输出信号vp(t)与三角波发生电路的输出信号Vtri进行调制得到PWM信号VPWM(t)；
定时器，与PWM调制电路相连，定时器获取PWM调制电路输出信号VPWM(t)每个周期的导通时间，第K个PWM周期，在VPWM(t)的上升沿到来时刻，将定时器清零，并开始定时，直到VPWM(t)的下降沿时刻，停止定时，并将定时器的定时值
Figure FDA0001968877210000021
锁存到输出端Tout；
右移寄存器，与定时器和PWM调制电路相连，在VPWM(t)的下降沿时刻，右移寄存器内部所有数据依次向右移动更新数据，其最右边的数据丢弃，并将锁存到定时器输出端口的
Figure FDA0001968877210000022
移入寄存器的最左边；
有效值计算电路，与右移寄存器相连，读取右移寄存器N个数据和矩形波频率F，计算VRMS，公式为：
Figure FDA0001968877210000023
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