CN110597334B - 交流电流源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种交流电流源，包括信号处理电路、功率放大调节电路、输出电路及采样反馈电路，信号处理电路的输入端输入交流电源，信号处理电路的输出端与功率放大调节电路的输入端连接，功率放大调节电路的输出端与输出电路的输入端连接，采样反馈电路的采样端与输出电路的输出端连接，采样反馈电路的反馈端与信号处理电路的输入端连接；信号处理电路将输入的交流电源通过傅里叶变换分解为N路正弦控制信号；功率放大调节电路包括N路功率放大电路，每一功率放大电路输入一路正弦控制信号；采样反馈电路采样输出电路的输出电流信号反馈至信号处理电路。本发明技术方案提升了交流电流源输出电流的精度。
Description
技术领域
本发明涉及交流电流源检测技术领域，特别涉及一种交流电流源。
背景技术
随着科技的进步，电力电子技术的高速发展，许多先进的电子技术不断涌现，电子设备涉及的领域变得越来越宽泛，用电设备的种类也越来越多，与此同时对电气设备控制性能的要求及电源精度的要求也随之提高。稳压源和恒流源在仪器仪表、电子设备及高新技术产业中均占有重要地位，然而长期以来人们更多的致力对稳压源的研究，相比而言，人们对恒流源特别是交流电流源的研究、设计相对有限。随着电源高效率，高稳定性，高功率密度，模块化的发展，对电源的研究与开发越来越具有重要的意义。
目前的各种电流源在谐波、稳定度、准确度等指标上存在各自的缺陷，且一般采用的功率源输出模式单一，在各种环境下不能兼容。随着国内各种计量设备的发展，对于电流源的指标要求也越来越高，特别是在特殊应用领域，国内的技术已经远远达不到要求。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种交流电流源，旨在提升交流电流源输出电流的精度。
为实现上述目的，本发明提出的交流电流源，所述交流电流源包括信号处理电路、功率放大调节电路、输出电路及采样反馈电路，所述信号处理电路的输入端用于输入交流电源，所述信号处理电路的输出端与所述功率放大调节电路的输入端连接，所述功率放大调节电路的输出端与所述输出电路的输入端连接，所述采样反馈电路的采样端与所述输出电路的输出端连接，所述采样反馈电路的反馈端与所述信号处理电路的输入端连接；
所述信号处理电路，用于将输入的交流电源通过傅里叶变换分解为N路正弦控制信号，并将N路所述正弦控制信号下发至所述功率放大调节电路；
所述功率放大调节电路包括N路功率放大电路，每一所述功率放大电路一一对应输入所述信号处理电路分解的一路正弦控制信号；每一所述功率放大电路，用于根据输入的一路正弦控制信号产生标准模拟正弦信号，并进行功率放大处理，以将功率放大后的各路所述输出信号输出至输出电路进行矢量合成；
所述采样反馈电路，用于采样所述输出电路矢量合成后的输出电流信号，并将采样的输出电流信号反馈至所述信号处理电路经傅里叶变换后与N路所述正弦信号一一对比，以调节输出至所述功率放大调节电路中每一所述功率放大电路对应的正弦控制信号。
可选地，所述信号处理电路将交流电源通过傅里叶变换分解的N路正弦控制信号为一路基波和N-1路谐波。
可选地，N路所述功率放大电路中的一路为数字功率放大电路，其余N-1路为线性放大电路；
所述数字功率放大电路，用于对所述信号处理电路分解的基波进行功率放大处理；
每一所述线性放大电路，用于对所述信号处理电路分解的谐波进行放大处理。
可选地，每一所述功率放大电路包括信号控制电路和电流放大电路，所述信号控制电路的输入端为所述功率放大电路的输入端，所述信号控制电路的输出端连接所述电流放大电路的输入端，所述电流放大电路的输出端为所述功率放大电路的输出端；
所述信号控制电路，用于将所述信号处理电路对应输入的正弦控制信号转换为标准的正弦波信号，并输出至所述电流放大电路；
所述电流放大电路，用于将输入的标准正弦波信号进行电流放大处理，并输出。
可选地，每一所述功率放大电路还包括采样电路，所述采样电路的输入端连接所述电流放大电路的输出端，所述采样电路的输出端连接所述信号控制电路的输入端；
所述采样电路，用于采集所述电流放大电路输出的电流信号反馈至所述信号控制电路，以调节所述信号控制电路的输出电流。
可选地，所述信号处理电路将输入的交流电源通过傅里叶变换分解为N路正弦控制信号，以一一对应输出至所述功率放大调节电路中的N路所述功率放大电路。
可选地，所述输出电路的输出电流信号为每一所述功率放大电路分别输出至所述输出电路的输出信号进行矢量合成的矢量和。
本发明技术方案通过采用交流电流源包括信号处理电路、功率放大调节电路、输出电路及采样反馈电路，所述信号处理电路的输出端与所述功率放大调节电路的输入端连接，所述功率放大调节电路的输出端与所述输出电路的输入端连接，所述采样反馈电路的采样端与所述输出电路的输出端连接，所述采样反馈电路的反馈端与所述信号处理电路的输入端连接；信号处理电路将输入的交流电源分解为N路正弦控制信号，N路正弦控制信号一一对应输出到功率放大调节电路中的N路功率放大电路，即是每一正弦控制信号对应下发至一路功率放大电路进行功率放大处理，然后将每一放大后的电流信号均输出至输出电路进行矢量合成。在输出电路与信号处理电路之间具有采样反馈电路，可以采集输出电路矢量合成后的输出电流信号，然后反馈至信号处理电路进行傅里叶变换分解，再通过对采集输出电路的电流信号与N路所述正弦控制信号一一进行比较分析，以调节输出至所述功率放大调节电路中每一所述功率放大电路对应的正弦控制信号，即是与信号处理电路分解后的N路正弦控制信号中的每一正弦控制信号进行对比，调节输出至每一功率放大电路的正弦控制信号的幅度、频率。本发明技术方案提升了交流电源输出电流的精度。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明交流电流源一实施例的电路结构示意图；
图2为本发明图1中交流电流源的功率放大调节电路一实施例的电路结构示意图；
图3为本发明交流电流源分解的正弦控制信号一实施例的波形示意图；
图4为本发明图2中功率放大电路一实施例的电路结构示意图；
图5为本发明交流电流源输出电路的基波和谐波一实施例的波形示意图；
图6为本发明交流电流源输出电路矢量和一实施例的波形示意图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 100 | 信号处理电路 | 210 | 功率放大电路 |
| 200 | 功率放大调节电路 | 211 | 信号控制电路 |
| 300 | 输出电路 | 212 | 电流放大电路 |
| 400 | 采样反馈电路 | 213 | 采样电路 |
本发明目的的实现、功能特点及可点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种交流电流源。
在本发明一实施例中，如图1和如图2所示，该交流电流源包括信号处理电路100、功率放大调节电路200、输出电路300及采样反馈电路400，所述信号处理电路100的输入端用于输入交流电源，所述信号处理电路100的输出端与所述功率放大调节电路200的输入端连接，所述功率放大调节电路200的输出端与所述输出电路300的输入端连接，所述采样反馈电路400的采样端与所述输出电路300的输出端连接，所述采样反馈电路400的反馈端与所述信号处理电路100的输入端连接；
所述信号处理电路100，用于将输入的交流电源通过傅里叶变换分解为N路正弦控制信号，并将N路所述正弦控制信号下发至所述功率放大调节电路200；
所述功率放大调节电路200包括N路功率放大电路210，每一所述功率放大电路210输入所述信号处理电路100分解的一路正弦信号；每一所述功率放大电路210，用于根据输入的一路正弦控制信号产生标准模拟正弦信号，并进行功率放大处理，以将功率放大后的各路所述输出信号输出至输出电路300进行矢量合成；
所述采样反馈电路400，用于采样所述输出电路300矢量合成后的输出电流信号，并将采样的输出电流信号反馈至所述信号处理电路100经傅里叶变换后与N路所述正弦控制信号一一对比，以调节输出至所述功率放大调节电路200中每一所述功率放大电路210对应的正弦控制信号。
本实施例中，信号处理电路100将输入的交流电源分解为N路正弦控制信号，可以理解的是，信号处理电路100可以是高速的数字信号处理系统，及高速DSP处理系统，可以将复杂的交流电源通过傅里叶变换分解为多路正弦控制信号。也即是通过傅里叶变换将输入的交流电源分解成各种频率的正弦波，然后将分解的各路正弦控制信号分别输出至功率放大调节电路200中的每一所述功率放大电路210，以放大信号处理电路100输出的多路正弦控制信号。
上述实施例中的傅里叶变换，即是快速傅里叶变换，表示能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数(正弦和/或余弦函数)或者它们的积分的线性组合。在不同的研究领域，快速傅立叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅立叶变换和离散傅立叶变换。它是一种分析信号的方法，可以分析信号的成分，也可用这些成分合成信号。许多波形可作为信号的成分，比如正弦波、方波、锯齿波等，快速傅立叶变换用正弦波作为信号的成分。
在功率放大调节电路200中包括N路功率放大电路210，可以理解的是，N路功率放大电路210与信号处理电路100分解的N路正弦控制信号一一对应。在信号处理电路100中通过傅里叶变换将交流电源分解为N路正弦控制信号后，每一路正弦控制信号对应一路功率放大电路210，以实现对每一路正弦控制信号的独立放大。对每一路正弦控制信号放大后，再输出至输出电路300。此处的N路功率放大电路210可以是5路、10路、15路等，根据应用环境的实际情况设定，此处不做限定。
本实施例中，功率放大电路210可以采用变压器耦合功率放大电路210，此种功率放大电路210可以实现阻抗变换，但是体积大，效率低，且低频和高频特性较差；或者采用甲类的线性放大电路，此种放大器输出与输入信号间成正比例，在坐标上就是一条过原点的直线。也即是本方案中信号处理电路100输出的正弦控制信号与功率放大调节电路200输出的电流信号成正比，波形状态一致，只存在幅度不同；还可以采用丁类的数字功率放大电路，与DC-DC开关型逆变电路类似，对于本方案即是将信号处理电路100输出的每一正弦控制信号经过PWM电路调制处理，形成占空比同正弦控制信号成一定比例的脉冲链，经过开关电路放大后，由低通滤波器滤除高频成分，还原出已放大的正弦控制信号波形。
上述实施例中，采样反馈电路400通过采集输出电路300的输出电流信号，并反馈至信号处理电路100。可以理解的是，此处采集的输出电流信号是功率放大调节电路200中每一功率放大电路210进行功率放大后，输出放大后的电流至输出电路进行矢量合成的矢量和，也即是每一功率放大电路210都会有一个放大后的电流输出，对N路功率放大电路210的输出计算矢量和即为输出电路300的输出电流。信号处理电路100在接收到采样反馈电路400输出的反馈信号，就根据反馈的采样信号进行快速傅里叶分析，即是与信号处理电路100中的傅里叶变换后的每一正弦控制信号进行比较，以此达到调节信号处理电路100中傅里叶变换分解的N路正弦控制信号中每一正弦控制信号。本方案提升了输出电路300输出电流的精度。
需要说明的是，上述方案中提到输入的交流电源可以是复杂的待放大交流信号；信号处理电路100对反馈的采样信号进行傅里叶变换分解后与N路所述正弦控制信号一一对比，以调节信号处理电路100输出的每一正弦控制信号，即是调节每一正弦控制信号的幅度、频率。
本发明技术方案通过采用交流电流源包括信号处理电路100、功率放大调节电路200、输出电路300及采样反馈电路400，所述信号处理电路100的输出端与所述功率放大调节电路200的输入端连接，所述功率放大调节电路200的输出端与所述输出电路300的输入端连接，所述采样反馈电路400的采样端与所述输出电路300的输出端连接，所述采样反馈电路400的反馈端与所述信号处理电路100的输入端连接；信号处理电路100将输入的交流电源分解为N路正弦控制信号，N路正弦控制信号一一对应输出到功率放大调节电路200中的N路功率放大电路210，即是每一正弦控制信号对应下发至每一功率放大电路210进行功率放大处理，然后将每一放大后的电流信号均输出至输出电路300进行矢量合成。在输出电路300与信号处理电路100之间具有采样反馈电路400，可以采集输出电路300矢量合成后的输出电流信号，然后反馈至信号处理电路100进行傅里叶变换分解，再采集输出电路300的电流信号与N路所述正弦控制信号一一进行比较分析，以调节输出至所述功率放大调节电路200中每一所述功率放大电路210对应的正弦控制信号，即是与信号处理电路100分解后的N路正弦控制信号中的每一正弦控制信号进行对比，调节输出至每一功率放大电路210的正弦控制信号的幅度、频率。本发明技术方案提升了交流电源输出电流的精度。
基于上述实施例，所述信号处理电路100将交流电源通过傅里叶变换分解的N路正弦控制信号为一路基波和N-1路谐波。
本实施例中，N路所述功率放大电路210中的一路为数字功率放大电路，其余N-1路为线性放大电路；
所述数字功率放大电路，用于对所述信号处理电路100分解的基波进行功率放大处理；
每一所述线性放大电路，用于对所述信号处理电路100分解的谐波进行放大处理。
可以理解的是，上述方案中的一路基波和N-1路谐波是通过傅里叶变换对信号处理电路100输入的交流电源进行分解。进一步地，本方案中通过傅里叶变换分解出的基波为50HZ，N-1路谐波为多个频率不同的谐波信号组。如图3所示，是通过信号处理电路100中的傅里叶变换分解的50HZ基波波形、2次谐波波形、3次谐波波形及4次谐波波形。以此可以实现将基波和多个频率不同的谐波输出至功率放大调节电路200进行各正弦控制信号的独立放大。
需要说明的是，信号处理电路100分解出来的基波对应输入数字功率放大电路，N-1路谐波一一对应输入至N-1路线性放大电路。以此使得对信号处理电路100输出正弦控制信号的独立放大，在提高能效的同时，提升了功率放大调节电路200输出电流的精度。
本实施例中，在信号处理电路100输入交流电源时，傅里叶变换可以将一个周期的信号分解为直流分量C0和不同频率的正弦控制信号的线性叠加：
Cn表示n次谐波的幅值，nw0为角频率。
当n＝1时，C0+C1COSw0t即是基波分量，其角频率为w0，
为基波分量的频率，也即是本方案中基波频率为50HZ，而n次谐波的频率为为基波频率的整数倍。可以理解的是，此处基波分量的频率等于交流电源的频率。
上述实施例中，基波为在复杂的周期性振荡中，与该振荡最长周期相等的正弦波分量，相应于这个周期的频率称为基本频率。谐波是指周期函数或周期性的波形中能用常数、与原函数的最小正周期相同的正弦函数和余弦函数的线性组合表达的部分。
在一实施例中，如图4所示，每一所述功率放大电路210包括信号控制电路211和电流放大电路212，所述信号控制电路211的输入端为所述功率放大电路210的输入端，所述信号控制电路211的输出端连接所述电流放大电路212的输入端，所述电流放大电路212的输出端为所述功率放大电路210的输出端；
所述信号控制电路211，用于将所述信号处理电路100对应输入的正弦控制信号转换为标准的正弦波信号，并输出至所述电流放大电路212；
所述电流放大电路212，用于将输入的标准正弦波信号进行电流放大处理，并输出。
本实施例中，每一所述功率放大电路210还包括采样电路213，所述采样电路213的输入端连接所述电流放大电路212的输出端，所述采样电路213的输出端连接所述信号控制电路211的输入端；
所述采样电路213，用于采集所述电流放大电路212输出的电流信号反馈至所述信号控制电路211，以调节所述信号控制电路211的输出电流。
本实施例中，信号处理电路100通过傅里叶变换分解的N路正弦控制信号一一对应输入至N路功率放大电路210，再经每一功率放大电路210中的信号控制电路211将对应输入的正弦控制信号转换为标准正弦波信号输出至电流放大电路212，将信号控制电路211输出的标准正弦波信号进行放大，以此实现对信号处理电路100中输出的每一正弦控制信号的功率独立放大。在对信号处理电路100中输出的每一正弦控制信号转换为标准正弦波信号，并进行放大后，通过采样电路213对电流放大电路212输出的放大信号进行采样，并将采样的放大信号输出至信号控制电路211的输入端，信号控制电路211对电流放大电路212输出的放大信号进行比较分析，以此调节信号控制电路211输出的标准正弦波信号。本方案通过对每一功率放大电路210输入正弦控制信号的独立放大，并对每一功率放大电路210输出电流信号独立采样，实现了信号处理电路100分解的每一正弦控制信号的独立调整，提升了每一功率放大电路210输出电流信号的精度。
在一实施例中，所述输出电路300的输出电流信号为每一所述功率放大电路210分别输出至所述输出电路300的输出信号进行矢量合成的矢量和。
本实施例中，N路功率放大电路210中的每一功率放大电路210输出信号在输出电路300进行合成，矢量叠加之后的输出波形即为最终输出电流信号。本方案以正弦波为例：正弦波电流函数I＝Im sin(ωt+φ)＝Im sin(2π*f*t+φ)，其中I为时间t时刻的电流(A)、Im为电流最大值(A)、ω为角频率(rad/s)，Ф为初始相位偏移值，假设要求输出波形基波为50Hz，幅度为I，内含四次谐波幅度含量为40％，相位偏移30°，则信号处理电路100输入的交流电源通过傅里叶变换分解为基波和四次谐波。第一路输出基波的波形函数即为I＝Imsin(100π*t)，第二路输出四次谐波，电流波形频率为200Hz，幅度含量为40％，相对相位为30°，即波形函数为
则第一路与第二路输出波形即为如图5所示。在信号处理电路100通过傅里叶变换分解的N路正弦控制信号，经功率放大调节电路200中的N路功率放大电路210放大后输出高保真的电流，在输出电路300进行矢量叠加，以此经过实验获得的输出波形如图6所示。本方案提升了交流电流源输出电流的精度。
可以理解的是，通过傅里叶变换分解的正弦控制信号波形越多，即是经过功率放大电路210放大的正弦控制信号越多，交流电流源输出电流的精度就越高。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种交流电流源，其特征在于，所述交流电流源包括信号处理电路、功率放大调节电路、输出电路及采样反馈电路，所述信号处理电路的输入端用于输入交流电源，所述信号处理电路的输出端与所述功率放大调节电路的输入端连接，所述功率放大调节电路的输出端与所述输出电路的输入端连接，所述采样反馈电路的采样端与所述输出电路的输出端连接，所述采样反馈电路的反馈端与所述信号处理电路的输入端连接；
所述信号处理电路，用于将输入的交流电源通过傅里叶变换分解为N路正弦控制信号，并将N路所述正弦控制信号下发至所述功率放大调节电路；
所述功率放大调节电路包括N路功率放大电路，每一所述功率放大电路输入所述信号处理电路分解的一路正弦控制信号；每一所述功率放大电路，用于根据输入的一路正弦控制信号产生标准模拟正弦信号，并进行功率放大处理，以将功率放大后的各路输出信号输出至输出电路进行矢量合成；
所述采样反馈电路，用于采样所述输出电路矢量合成后的输出电流信号，并将采样的输出电流信号反馈至所述信号处理电路经傅里叶变换后与N路所述正弦控制信号一一对比，以调节输出至所述功率放大调节电路中每一所述功率放大电路对应的正弦控制信号；
每一所述功率放大电路包括信号控制电路和电流放大电路，所述信号控制电路的输入端为所述功率放大电路的输入端，所述信号控制电路的输出端连接所述电流放大电路的输入端，所述电流放大电路的输出端为所述功率放大电路的输出端；
所述信号控制电路，用于将所述信号处理电路对应输入的正弦控制信号转换为标准的正弦波信号，并输出至所述电流放大电路；
所述电流放大电路，用于将输入的标准正弦波信号进行电流放大处理，并输出；
每一所述功率放大电路还包括采样电路，所述采样电路的输入端连接所述电流放大电路的输出端，所述采样电路的输出端连接所述信号控制电路的输入端；
所述采样电路，用于采集所述电流放大电路输出的电流信号反馈至所述信号控制电路，以调节所述信号控制电路的输出电流。
2.如权利要求1所述的交流电流源，其特征在于，所述信号处理电路将交流电源通过傅里叶变换分解的N路正弦控制信号为一路基波和N-1路谐波。
3.如权利要求2所述的交流电流源，其特征在于，N路所述功率放大电路中的一路为数字功率放大电路，其余N-1路为线性放大电路；
所述数字功率放大电路，用于对所述信号处理电路分解的基波进行功率放大处理；
每一所述线性放大电路，用于对所述信号处理电路分解的谐波进行放大处理。
4.如权利要求1所述的交流电流源，其特征在于，所述信号处理电路将输入的交流电源通过傅里叶变换分解为N路正弦控制信号，以一一对应输出至所述功率放大调节电路中的N路所述功率放大电路。
5.如权利要求1所述的交流电流源，其特征在于，所述输出电路的输出电流信号为每一所述功率放大电路分别输出至所述输出电路的输出信号进行矢量合成的矢量和。
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