CN112230043A - 一种利用磁平衡原理分离交直流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，包括步骤S1：将直流测试调节电路、方波振荡器、积分低通滤波器LT1、带ADC模数转换和DAC数模转换的单片机U1和压控恒流源VI1组成闭环控制系统；步骤S2：在测试电流导线N1中通入直流电和交流电叠加的测试电流，并且单片机U1对输出波形监测点Vout1的输出电压进行采集处理。本发明公开的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，其利用磁平衡原理分离交直流，其振荡电路是磁通门电路中叠加了一个补偿绕组来进行磁平衡使中心点归零。
Description
技术领域
本发明属于分离交直流技术领域，具体涉及一种利用磁平衡原理分离交直流的方法。
背景技术
在正弦交流、直流、以及正弦交流叠加直流，低频调制高频正弦交流这些复合波形的剩余电流有效值测量中，由于交流和直流的平均值计算成有效值其计算的转换系数不一样，很难直接计算出有效值，通常需要进行傅里叶变化来分离直流和交流分量，再分别对交流分量和直流分量的平均值乘以相应系数转换成有效值，此方法不仅计算量大，并且复杂。本发明所要说明的是另外一种分离交流和直流的思路，采用硬件平衡达到交直流分离，再分别提取交流成分和直流成分，并计算出两者的有效值的一种方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，用一个振荡绕组N3、测试电流导线N1和闭环补偿绕组N2、积分低通滤波器LT1、压控恒流源VI1，以及带ADC模数转换和DAC数模转换的(ARM)单片机U1，通过正负号数据相互抵消获得的控制误差来逐次逼近控制DAC，使压控恒流源VI1输出与被测信号i1中叠加的直流电流大小相等方向相反构成闭环控制，最终使Vout1只输出交流分量，DAC只输出直流分量。
本发明的另一目的在于提供一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，其可以分离出交直流，又因为其振荡电路是磁通门电路中叠加了一个补偿绕组来进行磁平衡使中心点归零，因此其是利用磁平衡原理分离交直流。
为达到以上目的，本发明提供一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将直流测试调节电路、方波振荡器、积分低通滤波器LT1、带ADC模数转换和DAC数模转换的(ARM)单片机U1和压控恒流源VI1组成闭环控制系统；
步骤S2：在测试电流导线N1中通入直流电和交流电叠加的测试电流，并且单片机U1对输出波形监测点Vout1的输出电压进行采集处理；
步骤S3：单片机U1的ADC模数转换输出交流分量有效值并且DAC数模转换输出直流分量有效值。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：将被测电压源E1、电流表A1和可调电阻RT组成的直流测试调节电路调节出需求的测试电流i1；
步骤S1.2：将磁通门线圈T1和运算放大器组成的施密特方波振荡器S1组成方波振荡器，磁通门线圈T1设有测试电流导线N1、闭环补偿绕组N2和振荡绕组N3，并且闭环补偿绕组N2产生电流i2,使测试电流i1和电流i2产生的磁场方向相反并且磁场强度相同，使测试电流i1和电流i2相互抵消；
步骤S1.3：与振荡绕组N3连接的积分低通滤波器LT1对方波振荡器输出的方波信号进行滤波，将方波脉冲的占空比转换成电压输出，并且设置输出波形监测点Vout1。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1.2具体实施为以下步骤：
步骤S1.2.1：压控恒流源VI1驱动磁通门线圈T1的闭环补偿绕组N2，使闭环补偿绕组N2产生的电流i2形成的磁场方向与测试电流导线N1的磁场方向相反；
步骤S1.2.2：通过逐次逼近的方式使测试电流导线N1和闭环补偿绕组N2产生的磁场强度相等，使积分低通滤波器LT1输出0V电压。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S2具体实施为以下步骤：
步骤S2.1：单片机U1将采集的输出电压进行ADC模数转换，并且与中心点进行差值计算，以获得带正负符号的原始波形数据(即交流成分数据)；
步骤S2.2：单片机U1对原始波形数据进行处理并且分离交流电流成份和直流电流成份。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S2.2具体实施为以下步骤：
步骤S2.2.1：将获得的带正负符号的原始波形数据去除符号，取绝对值，并且将整个周期数据进行累加后获取平均值，以获取第一数据DATA1；
步骤S2.2.2：将获得的带正负符号的原始波形数据带符号数据相加，正负符号相互抵消后计算整数倍的完整周期数据并且获取平均值(该数据由于正数和负数的差值总和取平均数后刚好等于原始数据中的直流分量)，以形成第二数据DATA2。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S2.2.2后还设有
步骤S2.2.3：将第二数据DATA2取一定值与原始DAC数模转换的控制电压的控制量进行叠加(原理是二分法，进行逐次逼近)，经过(数十次)转换控制后DAC数模转换输出控制压控恒流源VI1的补偿电流；
步骤S2.2.4：DAC数模转换输出控制压控恒流源VI1的补偿电流与测试电流i1中叠加的直流电进行中和；
步骤S2.2.5：输出波形监测点Vout1分离出(纯)正弦信号波形(即交流分量，也可以在单片机U1内直接读取第一数据DATA1，作为交流分量，因为经过一定时间的转换后，直流分量已经被DAC数模转换控制下的电流i2抵消，只留下交流分量)；
步骤S2.2.6：读取DAC数模转换的控制量作为直流分量(因为它控制的压控恒流源VI1输出补偿电流刚好等于测试电流i1中的直流分量)。
附图说明
图1是本发明的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法的闭环控制系统结构示意图。
图2是本发明的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法的电流表A1测试电流i1波形图。
图3是本发明的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法的Vout1监测点电压图。
图4是本发明的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法的Vout6监测点电压图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
参见附图的图1，图1是本发明的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法的闭环控制系统结构示意图，图2是本发明的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法的电流表A1测试电流i1波形图，图3是本发明的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法的Vout1监测点电压图，图4是本发明的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法的Vout6监测点电压图。
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的积分低通滤波器LT1、压控恒流源VI1等可被视为现有技术。
优选实施例。
本发明公开了一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将直流测试调节电路、方波振荡器、积分低通滤波器LT1、带ADC模数转换和DAC数模转换的(ARM)单片机U1和压控恒流源VI1组成闭环控制系统；
步骤S2：在测试电流导线N1中通入直流电和交流电叠加的测试电流，并且单片机U1对输出波形监测点Vout1的输出电压进行采集处理；
步骤S3：单片机U1的ADC模数转换输出交流分量有效值并且DAC数模转换输出直流分量有效值(将提取的交流分量和直流分量进行积分计算，数据存储，定时逐次闭环控制输出)。
具体的是，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：将被测电压源E1、电流表A1和可调电阻RT组成的直流测试调节电路调节出需求的测试电流i1；
步骤S1.2：将磁通门线圈T1和运算放大器组成的施密特方波振荡器S1组成方波振荡器，磁通门线圈T1设有测试电流导线N1、闭环补偿绕组N2和振荡绕组N3，并且闭环补偿绕组N2产生电流i2,使测试电流i1和电流i2产生的磁场方向相反并且磁场强度相同，使测试电流i1和电流i2相互抵消；
步骤S1.3：与振荡绕组N3连接的积分低通滤波器LT1对方波振荡器输出的方波信号进行滤波，将方波脉冲的占空比转换成电压输出，并且设置输出波形监测点Vout1。
更具体的是，步骤S1.2具体实施为以下步骤：
步骤S1.2.1：压控恒流源VI1驱动磁通门线圈T1的闭环补偿绕组N2，使闭环补偿绕组N2产生的电流i2形成的磁场方向与测试电流导线N1的磁场方向相反；
步骤S1.2.2：通过逐次逼近的方式使测试电流导线N1和闭环补偿绕组N2产生的磁场强度相等，使积分低通滤波器LT1输出0V电压。
进一步的是，步骤S2具体实施为以下步骤：
步骤S2.1：单片机U1将采集的输出电压进行ADC模数转换，并且与中心点进行差值计算，以获得带正负符号的原始波形数据(即交流成分数据)；
步骤S2.2：单片机U1对原始波形数据进行处理并且分离交流电流成份和直流电流成份。
更进一步的是，步骤S2.2具体实施为以下步骤：
步骤S2.2.1：将获得的带正负符号的原始波形数据去除符号，取绝对值，并且将整个周期数据进行累加后获取平均值，以获取第一数据DATA1；
步骤S2.2.2：将获得的带正负符号的原始波形数据带符号数据相加，正负符号相互抵消后计算整数倍的完整周期数据并且获取平均值，以形成第二数据DATA2。优选地，步骤S2.2.2后还设有
步骤S2.2.3：将第二数据DATA2取一定值(优选为一半，但不一定是刚好一半，取第二数据DATA2乘以0.9以下的一个小数)与原始DAC数模转换的控制电压的控制量进行叠加(叠加方向为被测信号的反方向)(原理是二分法，进行逐次逼近)，经过(数十次)转换控制后DAC数模转换输出控制压控恒流源VI1的补偿电流；
步骤S2.2.4：DAC数模转换输出控制压控恒流源VI1的补偿电流与测试电流i1中叠加的直流电进行中和；
步骤S2.2.5：输出波形监测点Vout1分离出(纯)正弦信号波形(即交流分量，也可以在单片机U1内直接读取第一数据DATA1，作为交流分量，因为经过一定时间的转换后，直流分量已经被DAC数模转换控制下的电流i2抵消，只留下交流分量，乘以系数可以得到交流分量有效值)；
步骤S2.2.6：读取DAC数模转换的控制量作为直流分量(因为它控制的压控恒流源VI1输出补偿电流刚好等于测试电流i1中的直流分量，并且DAC控制量与基准值做差值运算后，取绝对值就是直流分量有效值)。
优选地，电路工作在5V单电源系统，电路由被测电压源E1、电流表A1、可调电阻RT，磁通门线圈T1、运算放大器组成的施密特方波振荡器S1，2KHZ积分低通滤波器LT1，带ADC模数转换和DAC数模转换的ARM单片机，压控恒流源VI1，组成整个闭环控制系统。
各电路功能如下：被测电压源E1、电流表A1、可调电阻RT用于调节出需要的测试电流i1；磁通门线圈T1、运算放大器组成的施密特方波振荡器S1组成受线圈电流i1和i2共同影响的方波振荡器，其测试电流导线N1和闭环补偿绕组N2穿线绕制方向必须使i1和i2产生的磁场方向相反，且磁场强度相同,使其对振荡器的电流作用相互抵消；LT1是一个中低频段积分低通滤波器，对振荡器输出的方波信号进行滤波，频谱范围是：0Hz～2KHz之间都可以有效通过，并将方波脉冲的占空比转换成电压输出，如占空比50％-->转换成2.5V，占空比70％-->转换成正4.5V，占空比30％-->转换成0.5V输出，Vout1是LT1的输出波形监测点。
单片机U1完成Vout1电压采集偏移基准量计算，交流分量提取，直流分量提取，积分计算，数据存储，定时逐次闭环控制输出等功能。
VI1是个电压等比例转换成电流的压控恒流源，用于驱动T1的N2补偿线圈，使N2的电流i2产生的磁场方向与N1的磁场方向相反，通过逐次逼近的方式使N1和N2产生的磁场强度相等，当N1与N2磁场强度相等，方向相反时，对T1与B1构成的振荡器就没有影响，使LT1输出0V的电压。
优选地，假设给测试电流导线N1通入一个DC(直流)10毫安和AC(交流)30毫安的叠加测试电流，如果上图A1源被测电流i1波形(图2)，从波形上可以看出，它是一个被直流10毫安向上平移了10毫安的30毫安正弦波，检测开始的时候输出波形监测点Vout1的输出也跟A1位置一样，也是一个被直流叠加后的正弦波。
单片机ADC模数转换(模块)将输出波形监测点Vout1电压进行采集，并于基准2.5V进行差值计算，得到带正负符号的原始波形数据，这些数据被按两种算法进行计算，一种是去除符号后的数据累加，得到交流和直流的叠加平均值称为第一数据DATA1。另一种是正负符号数据相互抵消，且计算整数倍的完整周期数据，该数据由于正数和负数的差值总和取平均数后刚好等于原始数据中的直流分量，称为第二数据DATA2。
将第二数据DATA2取一半与原始DAC控制电压的控制量进行叠加，(原理是二分法，进行逐次逼近)，经过数10次的转换控制后，发现DAC输出控制VI1的补偿电流输出刚好是负10毫安。
此时再去看输出波形监测点Vout1的波形，发现是如上图所示围绕2.5V中心点的正弦波(如图3)，而直流分量这里已经不见，只剩下交流分量，原因是DAC控制下的VI1恒流源输出的i2为负10毫安，它刚好中和掉了被测信号i1中叠加的10毫安直流电流。
也就是说，正弦电流叠加直流电流，在经过该系统的转换，一定时间后，可以从输出波形监测点Vout1这个点检测到分离出的纯正弦信号波形，也可以在单片机U1内直接读取第一数据DATA1，作为交流分量，因为经过一定时间的转换后，直流分量已经被DAC控制下的i2抵消，只留下交流分量；而直流分量可以直接读取DAC的控制量作为直流分量，因为它控制的VI1输出补偿电流刚好等于被测电流I1中的直流分量。
可以得出结论该系统可以分离出交直流，又因为其振荡电路是磁通门电路中叠加了一个补偿绕组来进行磁平衡使中心点归零，所以说它是是一种利用磁平衡原理分离交直流的方法。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的积分低通滤波器LT1、压控恒流源VI1等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将直流测试调节电路、方波振荡器、积分低通滤波器LT1、带ADC模数转换和DAC数模转换的单片机U1和压控恒流源VI1组成闭环控制系统；
步骤S2：在测试电流导线N1中通入直流电和交流电叠加的测试电流，并且单片机U1对输出波形监测点Vout1的输出电压进行采集处理；
步骤S3：单片机U1的ADC模数转换输出交流分量有效值并且DAC数模转换输出直流分量有效值。
2.根据权利要求1所述的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，其特征在于，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：将被测电压源E1、电流表A1和可调电阻RT组成的直流测试调节电路调节出需求的测试电流i1；
步骤S1.2：将磁通门线圈T1和运算放大器组成的施密特方波振荡器S1组成方波振荡器，磁通门线圈T1设有测试电流导线N1、闭环补偿绕组N2和振荡绕组N3，并且闭环补偿绕组N2产生电流i2,使测试电流i1和电流i2产生的磁场方向相反并且磁场强度相同，使测试电流i1和电流i2相互抵消；
步骤S1.3：与振荡绕组N3连接的积分低通滤波器LT1对方波振荡器输出的方波信号进行滤波，将方波脉冲的占空比转换成电压输出，并且设置输出波形监测点Vout1。
3.根据权利要求2所述的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，其特征在于，步骤S1.2具体实施为以下步骤：
步骤S1.2.1：压控恒流源VI1驱动磁通门线圈T1的闭环补偿绕组N2，使闭环补偿绕组N2产生的电流i2形成的磁场方向与测试电流导线N1的磁场方向相反；
步骤S1.2.2：通过逐次逼近的方式使测试电流导线N1和闭环补偿绕组N2产生的磁场强度相等，使积分低通滤波器LT1输出0V电压。
4.根据权利要求3所述的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，其特征在于，步骤S2具体实施为以下步骤：
步骤S2.1：单片机U1将采集的输出电压进行ADC模数转换，并且与中心点进行差值计算，以获得带正负符号的原始波形数据；
步骤S2.2：单片机U1对原始波形数据进行处理并且分离交流电流成份和直流电流成份。
5.根据权利要求4所述的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，其特征在于，步骤S2.2具体实施为以下步骤：
步骤S2.2.1：将获得的带正负符号的原始波形数据去除符号，取绝对值，并且将整个周期数据进行累加后获取平均值，以获取第一数据DATA1；
步骤S2.2.2：将获得的带正负符号的原始波形数据带符号数据相加，正负符号相互抵消后计算整数倍的完整周期数据并且获取平均值，以形成第二数据DATA2。
6.根据权利要求5所述的一种利用磁平衡原理分离交直流的方法，其特征在于，步骤S2.2.2后还设有
步骤S2.2.3：将第二数据DATA2取一定值与原始DAC数模转换的控制电压的控制量进行叠加，经过转换控制后DAC数模转换输出控制压控恒流源VI1的补偿电流；
步骤S2.2.4：DAC数模转换输出控制压控恒流源VI1的补偿电流与测试电流i1中叠加的直流电进行中和；
步骤S2.2.5：输出波形监测点Vout1分离出正弦信号波形；
步骤S2.2.6：读取DAC数模转换的控制量作为直流分量。
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