CN113740592B - 一种周期信号有效值最优测量电路 - Google Patents

一种周期信号有效值最优测量电路 Download PDF

Info

Publication number
CN113740592B
CN113740592B CN202111066922.9A CN202111066922A CN113740592B CN 113740592 B CN113740592 B CN 113740592B CN 202111066922 A CN202111066922 A CN 202111066922A CN 113740592 B CN113740592 B CN 113740592B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pwm
circuit
effective value
calculate
periodic signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111066922.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113740592A (zh
Inventor
余心舒
彭志辉
马光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wenzhou University
Original Assignee
Wenzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wenzhou University filed Critical Wenzhou University
Priority to CN202111066922.9A priority Critical patent/CN113740592B/zh
Publication of CN113740592A publication Critical patent/CN113740592A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113740592B publication Critical patent/CN113740592B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0007—Frequency selective voltage or current level measuring
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/02—Measuring effective values, i.e. root-mean-square values
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/15—Correlation function computation including computation of convolution operations

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种周期信号导数有效值测量电路，其特征在于：包括直流偏置电路、方波信号发生电路、移相电路、积分电路、比较电路和微处理器三路捕获单元，通过计算得到x(t)有效值的最优估计值本发明给出的周期信号有效值最优测量电路实现简单，能显著提高有效值测量精度，具有结构简单、成本低和抗干扰能力强的特点。

Description

一种周期信号有效值最优测量电路
技术领域
本发明涉及一种信号处理领域，特别是一种周期信号有效值最优测量电路。
背景技术
在仪器仪表及测控领域需要获得任意周期信号的有效值，为了获得最优的有效值测量精度，最主要的方法有两种：①提高AD的采样频率和有效位数；②AD实现同步采样。所以，在AD采样频率和有效位数一致的情况下，同步采样条件下的有效值其精度最高。同步采样就是AD在待测信号过零点开始采样，这就需要复杂的过零点检测电路，并且需要保证AD在零点以最小的延迟时间启动采样。上述两点的实现，会导致硬件电路和软件算法更复杂和成本更高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种周期信号有效值最优测量电路。本发明能具有结构简单、成本低和抗干扰能力强的特点。
本发明的技术方案：一种周期信号有效值最优测量电路，其特征在于：包括
直流偏置电路：将直流偏置值VDC和待测周期信号x(t)进行叠加，得到输出信号x1(t)＝x(t)+VDC，满足：Uc＞x1(t)＞0；
方波信号发生电路：微处理器的PWM端口产生方波uPWM；
移相电路：使用两个延迟线模块对方波uPWM分别进行延迟T1和T2，得到对应的PWM信号和/>满足：周期/>占空比并且/>
积分电路：对uPWM、和/>进行积分，得到三角波uc(t)、/>和/>
比较电路：将x1(t)分别与uc(t)、和/>进行比较，分别得到输出PWM信号vPWM、/>和/>
微处理器三路捕获单元：捕获vPWM、和/>的导通时间，分别记为：/>和/>
根据计算x1(t)与uc(t)、/>和/>进行PWM调制后有效值的估计值分别为/>和/>进而得到x(t)有效值的最优估计值/>
与现有技术相比，具有以下优势：
①无需高精度的过零点检测电路、AD采样模块和同步采样算法，降低的系统的成本，提高抗干扰能力；
②系统结构相对简单，实现难度低；
本发提供的有效值最优测量电路，为仪器仪表和测控领域提供了一种新的测量方案。
本发明给出的周期信号有效值最优测量电路实现简单，能显著提高有效值测量精度，为周期信号有效值高精度测量提供一种新的实现方案。
附图说明
图1是周期信号有效值最优测量电路原理图。
图2是uc(t)、和/>生成原理图。
图3是导数有效值计算程序流程图；
图4是uc(t)、和x1(t)之间的相互关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。本发明提供了一种周期信号有效值最优测量电路，应用了发明专利CN201910030796.8“一种周期信号有效值测量方法”给出的方法。假设待测信号x(t)和VDC进行直流偏置操作，得到：x1(t)＝x(t)+VDC，并且满足：Uc＞x1(t)＞0。其中：Uc为对称三角波uc(t)的峰值。中心对称的三角波uc(t)满足：通过将x1(t)与uc(t)进行PWM调制得到PWM信号vpwm，并依据公式
计算x1(t)有效值的估计值其中：/>为vpwm的导通时间，T为x(t)的周期，Tc为uc(t)的周期，T＝NTc。
由发明专利CN 201910030796.8“一种周期信号有效值测量方法”的推导过程可知，x1(t)与uc(t)满足相位同步关系。所以，公式(1)的有效值估计值为x1(t)的最优估计值/>然而，在实际工程中，我们很难保证x1(t)与三角波uc(t)同相位，进而不能依据公式(1)求解出有效值最优估计值/>即便能实现uc(t)与x1(t)同相位，也需要复杂的硬件电路和软件算法支撑，这大大增加了系统的难度和成本。由于实际工程中uc(t)与x1(t)不一定同相位，依据公式(1)求解得到的/>就不一定是/>在不增加复杂的硬件电路和软件算法支撑的条件下，需要另辟蹊径求解/>为此，本发明给出了一种基于移相的求解/>方案。
假设uc(t)与x1(t)同相位，则有： 又由于T＝NTC，所以x1(t)，uc(t)关于/>轴对称。令：/>由于uc(t)具有周期性，所以/>将uc(t)、/>与x1(t)调制，则uc(t)与x1(t)调制后得到的有效值的估计值为/> 与x1(t)调制后得到的有效值的估计值为
在T＞＞TC(即TC很小)时，在t∈[kTC,(k+1)TC]，x1(t)可视为一段直线。则：uc(t)、和x1(t)之间的相互关系如图4所示。
首先，过点c-k和ck的水平直线与/>在/>相交于e-k，三个顶点为c-k,b-k,e-k的三角形记为/>同理，过dk做一水平线与uc(t)在相交于ek，三个顶点为ck,dk,ek的三角形记为/>由对称性关系可知，∠b-kc-ke-k＝∠ckdkek，∠b-ke-kc-k＝∠ckekdk，/>所以三角形/>全等/>
其次，过点a-k和ak的水平直线与/>在/>相交于f-k，三个顶点为a-k，d-k，f-k的三角形记为/>同理，过bk做一水平线与uc(t)在相交于fk，三个顶点为ak,bk,fk的三角形记为/>由对称性关系可知，∠d-ka-kf-k＝∠akbkfk，∠a-kd-kf-k＝∠bkakfk，/>所以三角形/>全等
通过对上述示意图的几何关系进行分析可得：由于x1'(t)＝x'(t)，并且x'(t)是以T为周期的连续函数，令/>则：
由上述推导分析过程可知，uc(t)分别与x1(t)进行PWM调制，得到的有效值估计值/>满足公式(2)。/>是uc(t)进行超前移相/>得到的。然而，需要明确的是公式(2)中的uc(t)与x1(t)是同步相位关系。但在实际工程中，与x1(t)进行PWM调制的三角波uc(t)不能确保是同相位，进而不能依据公式(1)求解出有效值最优估计值/>为此，假设与x1(t)进行PWM调制的同相位三角波为/>那么x1(t)与/>调制之后依据公式(1)计算x1(t)的有效值即为最优估计值/>又假设uc(t)与/>的相位差为满足：/>令uc(t)与x1(t)进行PWM调制后，根据(1)计算的有效值估计值为/>则依据公式(2)可得：
同理，对uc(t)进行移相，分别得到移相角度为和/>的三角波/>和/>超前uc(t)相位φ1，/>超前uc(t)相位/>满足：/>将x1(t)与/>和/>进行PWM调制，分别得到PWM信号/>和/>并依据公式(1)再次计算x1(t)有效值估计值/>和/>有：
所以，联立(3)、(4)、(5)并整理可得：
求解(6)可得：
由(3)可得：
将(7)、(8)代入(9)，即可解得又由于/>是x1(t)有效值的最优估计值，而非x(t)有效值的最优估计值/>但由于x1(t)＝x(t)+VDC，所以x1(t)的有效值/>满足：
对(10)整理可得：
其中：又因为/>为x1(t)的平均值。所以有：
所以：
由于x1(t)＝x(t)+VDC与x(t)具有相同的相位关系，因而有：
由(14)可知，由于T、Vdc、Uc为已知参数，可通过捕获单元获得，并依据(9)解得的基础上，可以得到x(t)有效值的最优估计值/>
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
图1所示为周期信号有效值最优测量电路原理图，其包括：直流偏置电路、积分电路、比较电路、延迟线1、延迟线2和MCU。直流偏置电路将VDC和x(t)进行叠加，得到输出信号x1(t)＝x(t)+VDC；积分电路实现对PWM信号uPWM、和/>进行积分操作，得到对称的三角波uc(t)、/>和/>比较电路实现x1(t)与uc(t)、/>和/>进行比较得到PWM信号vPWM、/>和/>延迟线1和延迟线2对uPWM进行延迟，延迟时间分别为T1和T2，满足：和/>MCU的捕获单元Capture1、Capture2和Capture3分别连接vPWM、/>和/>用于获取vPWM、/>和/>的导通时间；MCU的PWM单元用于输出uPWM。MCU在捕获vPWM、和/>导通时间的基础上，执行x(t)有效值最优测量值计算，进而获得x(t)的有效值的最优值/>
图2为uc(t)、和/>生成原理图。MCU的PWM模块产生的uPWM，其周期和占空比分别为Tc和0.5。延迟线1和延迟线2分别对方波uPWM延迟T1和T2，满足：0＜T1≠T2＜Tc。其对应的相位为：/>和/>将uPWM、/>和/>接入积分电路得到对称的三角波uc(t)、/>和/>
图3为有效值最优值计算程序流程图，包括：
⑴初始化模块，用于初始化PWM模块和Capture模块。PWM模块初始化用于设定PWM产生uPWM的周期和占空比。Capture模块初始化将捕获单元Capture1、Capture2和Capture3设上升沿启动，下降沿停止。设置完之后，启动PWM模块和Capture模块；
⑵判断Tc内三个捕获单元是否捕获到三个PWM信号的时间，如果是，则进入步骤(3)；否则，等待；
⑶获取三个捕获单元寄存器的值，分别存入和/>进入步骤(4)；
⑷依据公式和计算/>和/>进入步骤(5)；
⑸根据计算/>进入步骤(6)；
⑹根据T1、T2，并依据和/>计算/>和/>进入步骤(7)；⑺依据计算出/>进入步骤(8)；
⑻依据
计算Yrms，进入步骤(9)；
⑼依据计算/>进入步骤(10)；⑽根据已知的Vdc，并依据/>计算x(t)有效值的最优测量值/>返回步骤(2)；
实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种周期信号有效值最优测量电路，其特征在于：包括
直流偏置电路：将直流偏置值VDC和待测周期信号x(t)进行叠加，得到输出信号x1(t)＝x(t)+VDC，满足：Uc＞x1(t)＞0；Uc为对称三角波uc(t)的峰值；
方波信号发生电路：微处理器的PWM端口产生方波uPWM；
移相电路：使用两个延迟线模块对方波uPWM分别进行延迟T1和T2，得到对应的PWM信号和/>满足：周期/>占空比并且/>Tc为uc(t)的周期；
积分电路：对uPWM、和/>进行积分，得到三角波uc(t)、/>和/>
比较电路：将x1(t)分别与uc(t)、和/>进行比较，分别得到输出PWM信号vPWM、和/>
微处理器三路捕获单元：捕获vPWM、和/>的导通时间，分别记为：/>和
根据计算x1(t)与uc(t)、/>和/>进行PWM调制后有效值的估计值分别为/>和/>依据公式/>和/>计算/>和/>根据/>计算/>根据T1、T2，并依据/>和/>计算/>和/>依据/>计算出/>依据/>计算Yrms；依据/>计算/>T为x(t)的周期，T＝NTC；根据已知的Vdc，并依据/>计算x(t)有效值的最优估计值/>
CN202111066922.9A 2021-09-13 2021-09-13 一种周期信号有效值最优测量电路 Active CN113740592B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111066922.9A CN113740592B (zh) 2021-09-13 2021-09-13 一种周期信号有效值最优测量电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111066922.9A CN113740592B (zh) 2021-09-13 2021-09-13 一种周期信号有效值最优测量电路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113740592A CN113740592A (zh) 2021-12-03
CN113740592B true CN113740592B (zh) 2023-10-13

Family

ID=78738229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111066922.9A Active CN113740592B (zh) 2021-09-13 2021-09-13 一种周期信号有效值最优测量电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113740592B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3643389A1 (de) * 1986-12-19 1988-07-07 Duerrwaechter E Dr Doduco Verfahren zum erzeugen eines elektrischen sinussignals mit veraenderlicher frequenz
JP2013200225A (ja) * 2012-03-26 2013-10-03 Sanken Electric Co Ltd 交流入力電圧検出回路
CN107085133A (zh) * 2016-02-15 2017-08-22 中车株洲电力机车研究所有限公司 用于计算单相有效值的方法及装置
CN109752584A (zh) * 2019-01-14 2019-05-14 彭志辉 一种周期信号有效值测量方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5389311B2 (ja) * 2005-04-21 2014-01-15 株式会社ダイヘン 信号処理装置
WO2020002223A1 (de) * 2018-06-29 2020-01-02 Brusa Elektronik Ag Primärmessvorrichtung zum messen einer aktuellen wirkleistung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3643389A1 (de) * 1986-12-19 1988-07-07 Duerrwaechter E Dr Doduco Verfahren zum erzeugen eines elektrischen sinussignals mit veraenderlicher frequenz
JP2013200225A (ja) * 2012-03-26 2013-10-03 Sanken Electric Co Ltd 交流入力電圧検出回路
CN107085133A (zh) * 2016-02-15 2017-08-22 中车株洲电力机车研究所有限公司 用于计算单相有效值的方法及装置
CN109752584A (zh) * 2019-01-14 2019-05-14 彭志辉 一种周期信号有效值测量方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Dmytro Yarymbash 等.Calculation of No-load Currents Using Hysteresis Loop.《2019 IEEE International Conference on Modern Electrical and Energy Systems (MEES)》.2019,122-125. *
李大斌 等.采样法测量有效值的一种改进方法.《现代电子技术》.2006,(第217期),134-135、138. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113740592A (zh) 2021-12-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101806832B (zh) 一种低频率信号的频率测量方法
CN103257271B (zh) 一种基于stm32f107vct6的微电网谐波与间谐波检测装置及检测方法
CN109752584B (zh) 一种周期信号有效值测量方法
CN105629060B (zh) 基于最优基带滤波的电网频率测量方法和装置
CN102236048B (zh) 一种电力系统相量频率测量方法
CN103018555B (zh) 一种高精度的电力参数软件同步采样方法
CN102809687A (zh) 一种交流电频率的数字化测量方法
CN101907656B (zh) 利用固定相移来测量同频信号相位差的方法
US10107842B2 (en) Low jitter pulse output for power meter
CN104181391A (zh) 数字功率计谐波检测的方法
JP5940389B2 (ja) 交流抵抗測定装置および交流抵抗測定方法
CN113740592B (zh) 一种周期信号有效值最优测量电路
CN103575979B (zh) 一种数字化测量交流电频率的方法
CN104330644B (zh) 检测电力系统中正弦波信号幅值的方法和系统
CN113740594B (zh) 一种交流电压有效值高精度测量电路
CN113740591B (zh) 一种周期信号有效值最优估计方法
CN105372471B (zh) 正弦信号的幅值检测方法和系统
CN103605904A (zh) 基于误差估算的自补偿电力系统幅值算法
CN102832931A (zh) 基于不完整周期电网电压信号的鉴相方法、装置及锁相环
CN102095936A (zh) 一种快速测量交流电信号相位差的方法
CN103592513B (zh) 电力信号谐波分析方法和装置
CN104808055A (zh) 一种电信号频率的数字化测量方法
CN108614147B (zh) 电压波动检测方法及其关口表
CN104849551B (zh) 一种谐相角分析方法
KR101444582B1 (ko) 주파수 검출 장치 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant