CN112782605A - 高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其包括被检信号输入端、电压检测模块、电流检测模块、被检信号输出端和微处理器，被检信号输入端用于连接待检测的电压电流信号，电压检测模块和电流检测模块连接被检信号输入端，用于检测电压电流信号，电压检测模块包括用于电压采样的电压互感器，电流检测模块包括用于电流采样的电流互感器，电压互感器和电流互感器的输出端连接有二极管、采样电阻和比较器，比较器输出相位信号，采样电阻上连接RC滤波电路，微处理器连接比较器输出端，用于测算电压电流相位差。本发明简单可靠，不受运放偏置电压和偏置电流影响，精度较高，可以快速获得电压与电流的相位差。

Description

高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路

技术领域

本发明涉及超声波电源领域，特别涉及一种高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路。

背景技术

超声波在清洗、焊接、探伤、辅助加工等领域获得广泛应用。超声波电源输出高频高压信号来驱动超声波换能器工作。检测超声波电源输出电压、电流的幅值和相位，是实现频率追踪、有功功率检测与控制的基础。超声波电源输出电压峰峰值通常为0-10000V，电流峰峰值通常为0-10A，电压与电流信号的相位差0-360°。现有幅值检测主要采用基于高频高精度运算放大器的全波整流电路，该方案电路复杂而且成本较高。现有相位检测则主要通过鉴相器电路将相位信号转化为电压信号后进行电压采样，检测速度慢，而且相位范围受限。

故需要提供一种高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路来解决上述技术问题。

发明内容

本发明提供一种高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，以解决现有技术中的幅值检测主要采用基于高频高精度运算放大器的全波整流电路，电路复杂而且成本较高的问题，以及现有相位检测则主要通过鉴相器电路将相位信号转化为电压信号后进行电压采样，检测速度慢，而且相位范围受限的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其包括：

被检信号输入端，用于连接待检测的电压电流信号，包括高频高压正极输入端和高频高压负极输入端；

电压检测模块，连接所述被检信号输入端，用于检测电压信号；

电流检测模块，连接所述被检信号输入端，用于检测电流信号；

被检信号输出端，包括正极输出接口和负极输出接口，所述正极输出接口连接所述高频高压正极输入端，所述负极输出接口连接在所述电压检测模块和所述电流检测模块之间；

微处理器，用于测算电压电流相位差，包括电压相位信号接口、电压半波平均值接口、电流相位信号接口和电流半波平均值接口，所述电压相位信号接口和所述电压半波平均值接口连接所述电压检测模块，所述电流相位信号接口和电流半波平均值接口连接所述电流检测模块；

其中，所述电压检测模块包括电压隔离耦合单元，所述电压隔离耦合单元包括电压互感器，所述电压互感器用于对电压信号采样，所述电流检测模块包括电流隔离耦合单元，所述电流隔离耦合单元包括电流互感器，所述电流互感器用于对电流信号进行采样。

本发明所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路中，所述电压隔离耦合单元还包括限流电阻，所述限流电阻一端连接所述高频高压正极输入端，另一端连接所述电压互感器的原边绕组的同名端。

本发明所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路中，所述电压检测模块还包括：

电压采样单元，连接所述电压互感器，用于输出电压信号；

电压相位输出单元，连接所述电压采样单元和所述微处理器，用于输出电压相位信号；

电压幅值滤波单元，连接所述电压采样单元和所述微处理器，用于输出电压半波平均值信号；

其中所述电压互感器的原边绕组的同名端连接所述限流电阻，原边绕组的异名端连接所述电流检测模块，副边绕组的异名端接地。

本发明所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路中，所述电压采样单元包括：

第一整流二极管，负极连接所述电压互感器的副边绕组的同名端；

第一采样电阻，一端接地，另一端连接所述第一整流二极管的正极；

第二整流二极管，正极连接所述电压互感器的副边绕组的同名端；

第二采样电阻，一端接地，另一端连接所述第二整流二极管的负极。

本发明所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路中，所述电压相位输出单元包括第一比较器，所述第一比较器的正极输入端连接所述电压互感器的副边绕组的同名端，负极输入端接地，输出端连接所述电压相位信号接口。当所述第一比较器的正极输入端接地，负极输入端连接所述电压互感器的副边绕组的同名端时，可以得到反相的输出信号。

本发明所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路中，所述电压幅值滤波单元包括：

第一滤波电阻，一端连接在所述第二整流二极管和所述第二采样电阻的连接点，另一端连接所述电压半波平均值接口；

第一滤波电容，一端接地，另一端连接所述电压半波平均值接口。

本发明所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路中，所述电流检测模块还包括：

电流采样单元，连接所述电流互感器，用于输出电流信号；

电流相位输出单元，连接所述电流采样单元和所述微处理器，用于输出电流相位信号；

电流幅值滤波单元，连接所述电流采样单元和所述微处理器，用于输出电流半波平均值信号；

其中所述电流互感器的包括穿线孔，所述穿线孔内接导线，所述导线一端连接所述高频高压负极输入端，另一端连接所述电压互感器的原边绕组的异名端，电流互感器的副边绕组的异名端接地。

本发明所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路中，所述电流采样单元包括：

第三整流二极管，负极连接所述电流互感器的副边绕组的同名端；

第三采样电阻，一端接地，另一端连接所述第三整流二极管的正极；

第四整流二极管，正极连接所述电压互感器的副边绕组的同名端；

第四采样电阻，一端接地，另一端连接所述第四整流二极管的负极。

本发明所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路中，所述电流相位输出单元包括第二比较器，所述第二比较器的正极输入端连接所述电流互感器的副边绕组的同名端，负极输入端接地，输出端连接所述电流相位信号接口。当所述第二比较器的正极输入端接地，负极输入端连接所述电流互感器的副边绕组的同名端时，可以得到反相的输出信号。

本发明所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路中，所述电流幅值滤波单元包括：

第二滤波电阻，一端连接在所述第四整流二极管和所述第四采样电阻的连接点，另一端连接所述电流半波平均值接口；

第二滤波电容，一端接地，另一端连接所述电流半波平均值接口。

本发明相较于现有技术，其有益效果为：本发明的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，在互感器与采样电阻之间连接了整流二极管，利用二级管的固有管压降ΔV，使电压/电流信号过零时产生±ΔV的电压阶跃，抑制小噪声对相位检测产生的干扰，防止信号过零时多次翻转，提高相位检测的精度和可靠性；利用互感器的恒流源特性，自动补偿二极管压降，从而消除整流管压降造成幅值检测的误差，提高了幅值检测的精度；仅通过RC滤波即获得了被测信号的半波均值，相比基于精密运算放大器整流电流，本方案简单可靠，且不受运放偏置电压和偏置电流影响，因此精度较高。

相位检测上不使用鉴相器电路，而是直接将比较器输出信号接入微处理器，通过微处理器采集电流、电压信号的边缘，直接求解相位差，不仅可以实现0-360度宽范围相位检测，而且避免了鉴相器滤波电路造成的延迟，可以快速获得相位差。

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，下面对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下面描述中的附图仅为本发明的部分实施例相应的附图。

图1为本发明的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路的电路示意图。

图2为本发明的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路的电路框图示意图。

图3为本发明的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路的V1/时间、V2/时间、Av/时间和Pv/时间示意图。

其中，2、电压检测模块，3、电流检测模块，21、电压隔离耦合单元，22、电压采样单元，23、电压幅值滤波单元，24、电压相位输出单元，31、电流隔离耦合单元，32、电流采样单元，33、电流幅值滤波单元，34、电流相位输出单元，S+、高频高压正极输入端，S-、高频高压负极输入端，Tv、电压互感器，Ti、电流互感器，R1、限流电阻，OUT+、正极输出接口，OUT-、负极输出接口，D1、第一整流二极管，D2、第二整流二极管，D3、第三整流二极管，D4、第四整流二极管，R2、第一采样电阻，R3、第二采样电阻，R4、第一滤波电阻，R5、第三采样电阻，R6、第四采样电阻，R7、第二滤波电阻，C1、第一滤波电容，C2、第二滤波电容，U1、第一比较器，U2、第二比较器，MCU、微处理器，Pv、电压信号的相位信号，Av、电压信号的半波平均值，Pi、电流信号的相位信号，Ai、电流信号的半波平均值，V1、电压互感器Tv的同名端信号，V2、第二整流二极管D2与第二采样电阻R3的连接点的信号。

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，本领域技术人员在没有做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。

本发明术语中的“第一”“第二”等词仅作为描述目的，而不能理解为指示或暗示相对的重要性，以及不作为对先后顺序的限制。

本发明术语中的“同名端”、“异名端”，仅为描述互感器的绕组的一端和另一端，而不能理解为指示或暗示相对的重要性，以及不作为对先后顺序的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有技术中的幅值检测主要采用基于高频高精度运算放大器的全波整流电路，该方案电路复杂而且成本较高，现有相位检测则主要通过鉴相器电路将相位信号转化为电压信号后进行电压采样，检测速度慢，而且相位范围受限。

如下为本发明提供的一种能解决以上技术问题的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路的优选实施例。

请参照图1、图2和图3，其中图1为本发明的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路的电路示意图，图2为本发明的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路的电路框图示意图，图3为本发明的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路的V1/时间、V2/时间、Av/时间和Pv/时间示意图。

本发明提供一种高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其包括被检信号输入端、电压检测模块2、电流检测模块3、被检信号输出端和微处理器MCU，被检信号输入端用于连接待检测的电压电流信号，包括高频高压正极输入端S+和高频高压负极输入端S-；电压检测模块2连接被检信号输入端，用于检测电压信号；电流检测模块3连接被检信号输入端，用于检测电流信号；被检信号输出端包括正极输出接口OUT+和负极输出接口OUT-，正极输出接口OUT+连接高频高压正极输入端S+，负极输出接口OUT-连接在电压检测模块2和电流检测模块3之间。

微处理器MCU用于测算电压电流相位差，包括电压相位信号接口、电压半波平均值接口、电流相位信号接口和电流半波平均值接口，电压相位信号接口和电压半波平均值接口连接电压检测模块2，电流相位信号接口和电流半波平均值接口连接电流检测模块3，电压相位信号接口接收电压信号的相位信号Pv，电压半波平均值接口接收电压信号的半波平均值Av，电流相位信号接口接收电流信号的相位信号Pi，电流半波平均值接口接收电流信号的半波平均值Ai。

电压检测模块2包括电压隔离耦合单元21、电压采样单元22、电压相位输出单元24和电压幅值滤波单元23，电压隔离耦合单元21包括限流电阻R1和电压互感器，限流电阻R1一端连接高频高压正极输入端S+，另一端连接电压互感器Tv的原边绕组的同名端，电压互感器Tv用于对电压信号采样，电压互感器Tv的原边绕组的同名端连接限流电阻R1，原边绕组的异名端连接电流检测模块3，副边绕组的异名端接地。电压采样单元22连接电压互感器Tv，用于输出电压信号；电压相位输出单元24连接电压采样单元和微处理器MCU，用于输出电压相位信号；电压幅值滤波单元23连接电压采样单元和微处理器MCU，用于输出电压半波平均值信号。

电压采样单元22包括第一整流二极管D1、第一采样电阻R2、第二整流二极管D2和第二采样电阻R3，第一整流二极管D1负极连接电压互感器Tv的副边绕组的同名端；第一采样电阻R2一端接地，另一端连接第一整流二极管D1的正极；第二整流二极管R3正极连接电压互感器Tv的副边绕组的同名端；第二采样电阻R3一端接地，另一端连接第二整流二极管D2的负极。

电压相位输出单元24包括第一比较器U1，第一比较器U1的正极输入端连接电压互感器Tv的副边绕组的同名端，负极输入端接地，输出端连接电压相位信号接口，输出电压信号的相位信号Pv。当第一比较器U1的正极输入端接地，负极输入端连接电压互感器Tv的副边绕组的同名端时，可以得到反相的输出信号。

电压幅值滤波单元23包括第一滤波电阻R4和第一滤波电容C1，第一滤波电阻R4一端连接在第二整流二极管D2和第二采样电阻R3的连接点(第一滤波电阻R4的一端还可以连接在第一整流二极管D1和第一采样电阻R2的连接点)，另一端与第一滤波电容C1连接，电压半波平均值接口连接在第一滤波电阻R4和第一滤波电容C1的连接点，用于接收电压信号的半波平均值Av，经微处理器MCU处理获取电压信号的幅值；第一滤波电容C1一端接地，另一端连接电压半波平均值接口。

电流检测模块3包括电流隔离耦合单元31、电流采样单元32、电流相位输出单元34和电流幅值滤波单元33，电流隔离耦合单元包括电流互感器Ti，电流互感器Ti用于对电流信号进行采样，电流互感器Ti的包括穿线孔，穿线孔内接导线，导线一端连接高频高压负极输入端S-，另一端连接电压互感器Tv的原边绕组的异名端，电流互感器Ti的副边绕组的异名端接地。电流采样单元32连接电流互感器Ti，用于输出电流信号；电流相位输出单元34连接电流采样单元和微处理器MCU，用于输出电流相位信号；电流幅值滤波单元33连接电流采样单元和微处理器MCU，用于输出电流半波平均值信号。

电流采样单元32包括第三整流二极管D3、第三采样电阻R5、第四整流二极管D4和第四采样电阻R6，第三整流二极管D3的负极连接电流互感器Ti的副边绕组的同名端；第三采样电阻R5一端接地，另一端连接第三整流二极管D3的正极；第四整流二极管D4的正极连接电压互感器Ti的副边绕组的同名端；第四采样电阻R6一端接地，另一端连接第四整流二极管D4的负极。

电流相位输出单元34包括第二比较器U2，第二比较器U2的正极输入端连接电流互感器Ti的副边绕组的同名端，负极输入端接地，输出端连接电流相位信号接口，输出电流信号的相位信号Pi。当第二比较器U2的正极输入端接地，负极输入端连接电流互感器Ti的副边绕组的同名端时，可以得到反相的输出信号。

电流幅值滤波单元33包括第二滤波电阻R7和第二滤波电容C2，第二滤波电阻R7一端连接在第四整流二极管D4和第四采样电阻R6的连接点(第二滤波电阻R7的一端还可以连接在第三整流二极管D3和第三采样电阻R5的连接点)，另一端与第二滤波电容C2连接，电流半波平均值接口连接在第二滤波电阻R7和第二滤波电容C2的连接点，用于接收电流信号的半波平均值Ai，经微处理器MCU处理获取电流信号的幅值；第二滤波电容C2一端接地，另一端连接电压半波平均值接口。

本发明的工作原理：参照图2，电压检测中，电压互感器Tv的同名端信号为V1是正弦电压信号在零点附近叠加了正负ΔV所得，ΔV是二极管的正向导通压降；第二整流二极管D2与第二采样电阻R3的连接点的信号为V2，是正弦电压信号的半波整流信号；RC滤波电路(电压幅值滤波单元23)输出信号Av，RC滤波电路的截止频率越低，则Av越平滑，但是低的滤波频率会导致幅值检测的速度降低；第一比较器U1输出信号为Pv(电压信号的相位信号)，V1>0时Pv为逻辑“1”，V1<0时Pv为逻辑“0”。

当被测信号为正弦波时，采用上述电路获得的半波平均值V_s与高频高压信号有效值V_e之间的关系为：

RC滤波电路的截止频率F设计为：

微处理器MCU测算电压与电流信号相位差的方法是，设当前频率为F，记录电压信号的上升沿时刻t₁，电流信号的上升沿时刻t₂，计算相位差为：

P＝360·F·(t₂-t₁)

电流检测的工作原理与电压检测的工作原理一致。

这样即完成了本优选实施例的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路的工作过程。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，包括：

被检信号输入端，用于连接待检测的电压电流信号，包括高频高压正极输入端和高频高压负极输入端；

电压检测模块，连接所述被检信号输入端，用于检测电压信号；

电流检测模块，连接所述被检信号输入端，用于检测电流信号；

被检信号输出端，包括正极输出接口和负极输出接口，所述正极输出接口连接所述高频高压正极输入端，所述负极输出接口连接在所述电压检测模块和所述电流检测模块之间；

微处理器，用于测算电压电流相位差，包括电压相位信号接口、电压半波平均值接口、电流相位信号接口和电流半波平均值接口，所述电压相位信号接口和所述电压半波平均值接口连接所述电压检测模块，所述电流相位信号接口和电流半波平均值接口连接所述电流检测模块；

其中，所述电压检测模块包括电压隔离耦合单元，所述电压隔离耦合单元包括电压互感器，所述电压互感器用于对电压信号采样，所述电流检测模块包括电流隔离耦合单元，所述电流隔离耦合单元包括电流互感器，所述电流互感器用于对电流信号进行采样。

2.根据权利要求1所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，所述电压隔离耦合单元还包括限流电阻，所述限流电阻一端连接所述高频高压正极输入端，另一端连接所述电压互感器的原边绕组的同名端。

3.根据权利要求1所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，所述电压检测模块还包括：

电压采样单元，连接所述电压互感器，用于输出电压信号；

电压相位输出单元，连接所述电压采样单元和所述微处理器，用于输出电压相位信号；

电压幅值滤波单元，连接所述电压采样单元和所述微处理器，用于输出电压半波平均值信号；

其中所述电压互感器的原边绕组的同名端连接所述限流电阻，原边绕组的异名端连接所述电流检测模块，副边绕组的异名端接地。

4.根据权利要求3所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，所述电压采样单元包括：

第一整流二极管，负极连接所述电压互感器的副边绕组的同名端；

第一采样电阻，一端接地，另一端连接所述第一整流二极管的正极；

第二整流二极管，正极连接所述电压互感器的副边绕组的同名端；

第二采样电阻，一端接地，另一端连接所述第二整流二极管的负极。

5.根据权利要求3所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，所述电压相位输出单元包括第一比较器，所述第一比较器的正极输入端连接所述电压互感器的副边绕组的同名端，负极输入端接地，输出端连接所述电压相位信号接口。

6.根据权利要求3所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，所述电压幅值滤波单元包括：

第一滤波电阻，一端连接在所述第二整流二极管和所述第二采样电阻的连接点，另一端连接所述电压半波平均值接口；

第一滤波电容，一端接地，另一端连接所述电压半波平均值接口。

7.根据权利要求3所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，所述电流检测模块还包括：

电流采样单元，连接所述电流互感器，用于输出电流信号；

电流相位输出单元，连接所述电流采样单元和所述微处理器，用于输出电流相位信号；

电流幅值滤波单元，连接所述电流采样单元和所述微处理器，用于输出电流半波平均值信号；

其中所述电流互感器的包括穿线孔，所述穿线孔内接导线，所述导线一端连接所述高频高压负极输入端，另一端连接所述电压互感器的原边绕组的异名端，电流互感器的副边绕组的异名端接地。

8.根据权利要求7所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，所述电流采样单元包括：

第三整流二极管，负极连接所述电流互感器的副边绕组的同名端；

第三采样电阻，一端接地，另一端连接所述第三整流二极管的正极；

第四整流二极管，正极连接所述电压互感器的副边绕组的同名端；

第四采样电阻，一端接地，另一端连接所述第四整流二极管的负极。

9.根据权利要求7所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，所述电流相位输出单元包括第二比较器，所述第二比较器的正极输入端连接所述电流互感器的副边绕组的同名端，负极输入端接地，输出端连接所述电流相位信号接口。

10.根据权利要求7所述的高频高压信号电压电流的幅值及相位隔离检测电路，其特征在于，所述电流幅值滤波单元包括：

第二滤波电阻，一端连接在所述第四整流二极管和所述第四采样电阻的连接点，另一端连接所述电流半波平均值接口；

第二滤波电容，一端接地，另一端连接所述电流半波平均值接口。

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