CN113740594B - 一种交流电压有效值高精度测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流电压有效值高精度测量电路，包括如下电路模块：(1)直流偏置电路：将适当的直流偏置值V_DC和待测周期信号x(t)进行叠加，得到输出信号x₁(t)＝x(t)+V_DC，满足：满足：U_c＞x₁(t)＞0；(2)移相电路：移相电路由2个低通滤波电路组成，分别对x₁(t)进行移相φ₁和φ₂；(3)三角波发生电路：微处理器I/O口输出周期为T_c的方波信号u_PWM，通过积分电路，将方波信号u_PWM进行处理，得到对称三角波u_c(t)；(4)比较电路：将u_c(t)分别于与x₁(t)、和进行比较，分别得到输出PWM信号v_PWM、和(5)微处理器三路捕获单元：捕获v_PWM、和的导通时间，分别记为：和(6)计算程序：计算x(t)有效值的高精度测量值

Description

一种交流电压有效值高精度测量电路

技术领域

本发明属于测控及仪器仪表领域，具体涉及一种交流电压有效值高精度测量电路。

背景技术

在电力系统和仪器仪表领域，需要高精度获取交流信号的有效值。例如，在电力系统领域，需要实时测量电网交流电压/电流的有效值。在仪器仪表领域，同样需要高精度测量各种交流信号的有效值。为了获得高精度的有效值测量精度，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交流电压有效值高精度测量电路。本发明给出的交流电压有效值高精度测量电路实现简单，能显著提高交流电压/电流有效值测量精度，为电力系统电能参数测量提供一种新的实现方案。

本发明提供的技术方案如下：

一种交流电压有效值高精度测量电路，包括如下电路模块：

(1)直流偏置电路：将适当的直流偏置值V_DC和待测周期信号x(t)进行叠加，得到输出信号x₁(t)＝x(t)+V_DC，满足：满足：U_c＞x₁(t)＞0；

(2)移相电路：移相电路由2个低通滤波电路组成，分别对x₁(t)进行移相φ₁和φ₂。由滤波器知识可知，通过对低通滤波器的幅频特性和相频特性进行合理的设计，使得通过该滤波器的信号，其幅值不变，相角进行移位，从而获得信号和其中：φ₁≠φ₂，φ₁，φ₂∈(0,2π/N)；

(3)三角波发生电路：微处理器I/O口输出周期为T_c的方波信号u_PWM，通过积分电路，将方波信号u_PWM进行处理，得到对称三角波u_c(t)；

(4)比较电路：将x₁(t)分别于与u_c(t)、和/>进行比较，分别得到输出PWM信号v_PWM、/>和/>

(5)微处理器三路捕获单元：捕获v_PWM、和/>的导通时间，分别记为：和/>

(6)计算程序：依据计算x₁(t)与u_c(t)、/>和/>进行PWM调制后有效值的估计值分别为/>和/>进而计算x(t)有效值的高精度测量值

本发明所述的一种交流电压有效值高精度测量电路具有以下优势：

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；

本发提供的交流电压有效值高精度测量方法，为电力系统、仪器仪表和测控领域提供了一种新的测量方案。

附图说明

图1为交流电压有效值高精度测量电路图。

图2（a）为移相电路1幅频特性的原理图；

图2（b）为移相电路1相频特性的原理图；

图3（a）为移相电路2幅频特性的原理图；

图3（b）为移相电路2相频特性的原理图；

图4为交流电压有效值高精度计算程序流程图；

图5是u_c(t)、和x₁(t)之间的相互关系示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种周期信号有效值最优估计方法，主要应用了发明专利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V_DC进行直流偏置操作，得到：x₁(t)＝x(t)+V_DC，并且满足：U_c＞x₁(t)＞0。其中：U_c为对称三角波u_c(t)的峰值。中心对称的三角波u_c(t)满足：通过将x₁(t)与u_c(t)进行PWM调制得到PWM信号v_pwm，并依据公式

计算x₁(t)有效值的估计值其中：/>为v_pwm的导通时间，T为x(t)的周期，T_c为u_c(t)的周期，T＝NT_c。

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u_c(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u_c(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u_c(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u_c(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u_c(t)与x₁(t)同相位，则有： 又由于T＝NT_C，所以x₁(t)，u_c(t)关于/>轴对称。令：/>由于u_c(t)具有周期性，所以/>将u_c(t)、/>与x₁(t)调制，则u_c(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＞＞T_C(即T_C很小)时，在t∈[kT_C,(k+1)T_C]，x₁(t)可视为一段直线。则：u_c(t)、和x₁(t)之间的相互关系如下附图5图所示。

首先，过点c_-k和c_k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d_k做一水平线与u_c(t)在相交于e_k，三个顶点为c_k,d_k,e_k的三角形记为/>由对称性关系可知，∠b_-kc_-ke_-k＝∠c_kd_ke_k，∠b_-ke_-kc_-k＝∠c_ke_kd_k，/>所以三角形/>全等/>

其次，过点a_-k和a_k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b_k做一水平线与u_c(t)在相交于f_k，三个顶点为a_k,b_k,f_k的三角形记为/>由对称性关系可知，∠d_-ka_-kf_-k＝∠a_kb_kf_k，∠a_-kd_-kf_-k＝∠b_ka_kf_k，/>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：

由公式(2)的理论推导分析可知，是/>与x₁(t)进行PWM调制，在获取PWM信号导通时间的基础上计算得到的。然而，/>是u_c(t)进行超前移相/>得到的，主要有两种实现方式：一、增加一个对称三角波发生芯片和移相电路，获得/>二、输出一个移相/>的方波并对其进行积分获得/>上述两种方案实现电路较复杂，成本较高。通过分析上面的推导过程发现，/>是x₁(t)相位不变，而对u_c(t)超前移相/>的/>进行PWM调制，计算得到的有效值。由于x₁(t)和u_c(t)均为周期信号，并且x₁(t)、u_c(t)周期T、T_c满足：T＝NT_c。所以，如果u_c(t)相位不变，而将x₁(t)相位滞后/>得到/>并将u_c(t)与/>进行PWM调制，其计算得到的有效值同样为/>而对周期信号x₁(t)进行移相就简单得多，只需通过低通滤波器就能实现移相并保证幅值不变，因而可以采用对x₁(t)进行移相操作。

现对x₁(t)进行移相，得到相位滞后分别为φ₁和φ₂的信号和即/>滞后x₁(t)相位φ₁，/>滞后x₁(t)相位φ₂。φ₁和φ₂满足：φ₁≠φ₂,φ₁,φ₂∈(0,2π/N)。x₁(t)移相电路可由两个幅频特性和相频特性满足要求的低通滤波器实现，即低通滤波器不改变x₁(t)的幅值，只是对x₁(t)的相位分别滞后φ₁和φ₂。

将x₁(t)、和/>与u_c(t)进行PWM调制，分别得到PWM信号v_PWM、/>和/>并依据公式(1)计算x₁(t)、/>和/>有效值估计值/>和/>有：

其中：和/>分别为v_PWM、/>和/>的导通时间。

然而，需要明确的是公式(2)中的u_c(t)与x₁(t)是同步相位关系。但在实际工程中，与三角波u_c(t)进行PWM调制的x₁(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u_c(t)进行PWM调制的同步相位周期信号为并且满足：那么/>与u_c(t)PWM调制之后依据公式(1)计算/>的有效值即为最优估计值/>这是因为/>的有效值与x₁(t)的有效值相同，/>的有效值最优估计值亦为x₁(t)的有效值最优估计值。则依据公式(2)可得：

同理，联立(2)、(4)、(5)可得：

所以，联立(6)、(7)、(8)，并整理可得：

求解(9)可得：

由(6)可得：

将(3)、(10)、(11)代入(12)，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)+V_DC，所以x₁(t)的有效值/>满足：

对(13)整理可得：

其中：又因为/>为x(t)的平均值。在电力系统中，需要测量交流电压/电流信号，其电压/电流的直流分量必须消除，否则会导致发电设备、输电线路及配电装置严重故障。那么当x(t)为交流电压/电流信号时，有：

所以：

由于x₁(t)＝x(t)+V_DC与x(t)具有相同的相位关系，因而有：

由(17)可知，由于V_dc为已知参数，依据(12)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所示为交流电压有效值高精度测量电路图，其包括：分压电路：用于将电网电压进行分压，得到合适的交流电压信号x(t)；直流偏置电路、移相电路1、移相电路2、积分电路、比较电路和MCU。直流偏置电路将V_DC和x(t)进行叠加，得到输出信号x₁(t)＝x(t)+V_DC；移相电路1和移相电路2实现对x₁(t)进行移相操作，得到和/>三角波发生电路是通过积分电路将MCU输出的方波信号u_PWM转换为三角波u_c(t)；比较电路实现x₁(t)分别与u_c(t)、/>和/>进行比较得到PWM信号v_PWM、/>和/>MCU的捕获单元Capture1、Capture2和Capture3分别连接v_PWM、/>和/>用于获取v_PWM、/>和/>的导通时间；MCU在捕获v_PWM、/>和/>导通时间的基础上，执行x(t)的有效值的高精度计算/>

图2（a）为移相电路1幅频特性的原理图；图2（b）为移相电路1相频特性的原理图。附图中所示的特性符合低通滤波器的幅频和相频特性，因而移相电路可以使用低通滤波器实现。如果x₁(t)的周期T满足当x₁(t)输入到移相电路1时，移相电路1对x₁(t)进行移相操作，即其输出/>满足：/>

同理，图3（a）为移相电路2幅频特性的原理图；图3（b）为移相电路2相频特性的原理图；当x₁(t)输入到图3（a）和图3（b）所示的移相电路2时，如果x₁(t)的周期T满足移相电路2对x₁(t)进行移相操作，即其输出/>满足：/>

图4为交流电压有效值高精度计算程序流程图，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u_PWM的周期和占空比。Capture模块初始化捕获单元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T_c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依据公式(10)、(11)，分别计算出φ和Y_rms；进入步骤(6)；

⑹依据公式(12)，计算进入步骤(7)；

⑺根据已知的V_dc及公式(17)，计算x(t)有效值的最优值返回步骤(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)

1.一种交流电压有效值高精度测量电路，其特征在于，包括如下电路：

(1)直流偏置电路：将适当的直流偏置值V_DC和待测周期信号x(t)进行叠加，得到输出信号x₁(t)＝x(t)+V_DC，满足：满足：U_c＞x₁(t)＞0；

(2)移相电路：移相电路由2个低通滤波电路组成，分别对x₁(t)进行移相φ₁和φ₂；由滤波器知识可知，通过对低通滤波器的幅频特性和相频特性进行合理的设计，使得通过该滤波器的信号，其幅值不变，相角进行移位，从而获得信号和/>其中：φ₁≠φ₂，φ₁，φ₂∈(0,2π/N)；

(3)三角波发生电路：微处理器I/O口输出周期为T_c的方波信号u_PWM，通过积分电路，将方波信号u_PWM进行处理，得到对称三角波u_c(t)；

(4)比较电路：将u_c(t)分别于与x₁(t)、和/>进行比较，分别得到输出PWM信号v_PWM、/>和/>

(5)微处理器三路捕获单元：捕获v_PWM、和/>的导通时间，分别记为：/>和

(6)计算程序：依据计算x₁(t)与u_c(t)、/>和/>进行PWM调制后有效值的估计值分别为/>和/>进而计算x(t)有效值的高精度测量值/>

具体是，依据公式和计算/>和/>上式中T为x(t)的周期，T_c为u_c(t)的周期，T＝NT_C；

依据

计算出φ₀，φ₁和φ₂为移相角度；依据

计算Y_rms；依据计算/>依据/>得到x(t)有效值的高精度测量值/>