CN117728784A - 用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，包括阶跃电压产生模块、信号调理模块、继电器阵列、采集模块、补偿电路模块和控制器，可通过阶跃电压产生模块产生阶跃信号作为自整定输入信号，并通过控制器控制补偿电路模块的配置参数进行频率平坦度补偿和进行校准，无需借助外部设备即可进行衰减比例电路的平坦度和增益自整定，达到降低了衰减比例电路的平坦度和增益校准的成本、缩短了衰减比例电路的平坦度和增益校准的周期，提高了衰减比例电路的平坦度和增益校准的便捷性。

Description

用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置

技术领域

本发明涉及交流电压采集技术领域，尤其涉及一种用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置。

背景技术

随着现代化社会不断向前推进，电力系统、医疗器械、计量仪器、微电子等方向都需要进行高精度的交流电压测量。交流电压测量前端的比例衰减电路是一个关键环节，分压电路增益的平坦性及稳定性直接影响后级采样。

目前大多用手动方法进行平坦度补偿与电路增益误差与偏置误差的校准，平坦度补偿时需要借助外部测试设备，存在校准补偿方法操作繁琐，对校准源要求高，且由于测试设备的测试电路和测试条件差异，需多次校正以保证效果，造成校准周期久等问题；同时平坦度补偿与误差校准所需测试设备及测试操作不同，增加比例衰减电路的平坦度补偿和校准的成本和操作周期，影响交流电压测量的效率。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置及自整定方法，无需借助外部设备，可实现交流电压比例电路的平坦度补充和自校准，提高了交流电压比例电路自整定的便捷性、降低了交流电压比例电路的平坦度补充和误差校正的成本和操作周期。

为实现上述发明目的，本发明提供的一种用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，包括：

阶跃电压产生模块，用于产生阶跃信号作为自整定输入信号；

信号调理模块，包括由若干衰减比例电路组成的衰减通道，若干所述衰减比例电路的衰减档位不同；

继电器阵列，包括若干与所述衰减比例电路一一对应的继电器；所述继电器的输入端与所述阶跃电压产生模块的输出端连接，用于将所述自整定输入信号输入其对应的所述衰减比例电路；

采集模块，与所述信号调理模块的输出端连接，用于所述采集所述信号调理模块的输出信号；

补偿电路模块，用于对所述衰减比例电路进行平坦度补偿；

控制器，用于控制所述阶跃电压产生模块产生所述自整定输入信号，并根据所述自整定输入信号控制所述继电器与所述衰减比例电路接通，并根据所述信号调理模块的输出信号对所述补偿电路模块进行参数配置以完成平坦度补偿，和根据所述信号调理模块的输出信号计算校正因子以完成行增益误差与偏置误差的校准。

根据本发明的一个技术方案，所述阶跃电压产生模块包括：

直流基准电压产生模块，包括串联的基准电压芯片和升压电路，用于产生基准电压；

幅值调整电路，包括串联的不同比例的精密电阻和精密运放，用于根据所述基准电压输出不同幅值的标准电压；

阶跃电压产生继电器，其输入端与所述幅值调整电路的输出端连接，其输出端与所述继电器阵列的输入端连接，用于输出阶跃电压。

根据本发明的一个技术方案，所述衰减比例电路包括：

信号输入端和信号输出端，所述信号输入端用于接收输入信号，所述信号输出端用于输出信号；

并联的第一电阻和第一电容，所述第一电阻和第一电容的两端分别与信号输入端与信号输出端连接；

第二电容，其一端与所述信号输出端连接，其另一端接地；

第二电阻，其一端与所述信号输出端连接，其另一端用于通过所述补偿电路模块接地。

根据本发明的一个技术方案，所述补偿电路模块包括DAC和运算放大器，所述DAC的基准电压端通过所述运算放大器与所述第二电阻连接；所述DAC与所述控制器电连接，通过所述控制器根据反馈信号调整所述DAC的配置参数，使所述DAC向所述第二电阻输出基准电压信号。

根据本发明的一个技术方案，所述信号调理模块还包括放大通道，设置在所述衰减通道的后端，所述衰减通道内所述衰减比例电路通过所述放大通道放大后，输出至所述采集模块。

根据本发明的一个技术方案，其自整定方法包括以下步骤：

S1、所述阶跃电压产生模块产生的阶跃电压信号通过继电器阵列进入信号调理模块的所述衰减比例电路，并通过所述采集模块将输出信号反馈给所述控制器；

S2、所述控制器通过对所述输出信号进行分析，对所述补偿电路模块进行参数配置，完成对所述衰减比例模块的平坦度补偿；

S3、所述阶跃电压产生模块输出不同幅值的校准电压信号，通过所述控制器根据所述校准电压信号对应的输出信号计算校正因子，进行误差校准。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明提出了一种用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，包括阶跃电压产生模块、信号调理模块、继电器阵列、采集模块、补偿电路模块和控制器，可通过阶跃电压产生模块产生阶跃信号作为自整定输入信号，并通过控制器控制补偿电路模块的配置参数进行频率平坦度补偿和进行校准，无需借助外部设备即可进行衰减比例电路的平坦度和增益自整定，达到降低了衰减比例电路的平坦度和增益校准的成本、缩短了衰减比例电路的平坦度和增益校准的周期，提高了衰减比例电路的平坦度和增益校准的便捷性；

(2)本发明中，阶跃电压产生模块中设计可产生多种标准阶跃信号，通过直流基准电压产生模块产生基准电压，通过幅值调整电路输出不同幅值的标准电压，并通过阶跃电压产生继电器的开闭，产生阶跃电压信号，作为对应分压通道的自整定输入信号，实现交流电压比例衰减电路平坦度自动补偿，替代了采用交流电压标准源的传统频率响应平坦度补偿方法，大幅减少操作步骤，提高了平坦度补偿效率，保证了电压后端采集的准确性；整个校准过程，外部无需连接任何标准电压源，且全部校正过程可以在软件中通过程序设计来自动进行，大大减小了校正的难度与时间周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性表示根据本发明一个实施例中提供的用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置流程图；

图2示意性表示根据本发明一种实施方式的频率响应平坦度补偿原理示意图；

图3示意性表示根据本发明一种实施方式的输出阶跃响应随时间变化图；

图4示意性表示根据本发明一种实施方式的频率平坦度补偿流程图；

图5示意性表示根据本发明一种实施方式的未加补偿模块时衰减率随频率变化图；

图6示意性表示根据本发明一种实施方式的加入补偿模块时衰减率随频率变化图。

1、阶跃电压产生模块；2、信号调理模块；3、继电器阵列；4、采集模块；5、补偿电路模块；6、控制器；21、衰减通道；22、放大通道；51、DAC；52、运算放大器。

具体实施方式

此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。

如图1所示，本发明的一种用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，包括：

阶跃电压产生模块1，用于产生阶跃信号作为自整定输入信号；

信号调理模块2，包括由若干衰减比例电路组成的衰减通道21，若干衰减比例电路的衰减档位不同；

继电器阵列3，包括若干与衰减比例电路一一对应的继电器；继电器的输入端与阶跃电压产生模块1的输出端连接，用于将自整定输入信号输入其对应的衰减比例电路；

采集模块4，与信号调理模块2的输出端连接，用于采集信号调理模块2的输出信号；

补偿电路模块5，用于对衰减比例电路进行平坦度补偿；

控制器6，用于控制阶跃电压产生模块1产生自整定输入信号，并根据自整定输入信号控制继电器与衰减比例电路接通，并根据信号调理模块2的输出信号对补偿电路模块5进行参数配置以完成平坦度补偿，和根据信号调理模块2的输出信号计算校正因子以完成行增益误差与偏置误差的校准。控制器为STM32微控制器。

根据本发明的一个实施例，优选的，阶跃电压产生模块1包括：

直流基准电压产生模块，包括串联的基准电压芯片和升压电路，用于产生基准电压；在本实施例中，基准电压为10V直流电压。

幅值调整电路，包括串联的不同比例的精密电阻和精密运放，用于根据基准电压输出不同幅值的标准电压，如0.1V、1V、10V、100V；

阶跃电压产生继电器，其输入端与幅值调整电路的输出端连接，其输出端与继电器阵列的输入端连接，用于输出阶跃电压；通过阶跃电压产生继电器的开闭，实现阶跃电压的产生。

根据本发明的一个实施例，优选的，衰减比例电路包括：

信号输入端和信号输出端，信号输入端用于接收输入信号，信号输出端用于输出信号；

并联的第一电阻和第一电容，第一电阻和第一电容的两端分别与信号输入端与信号输出端连接；

第二电容，其一端与信号输出端连接，其另一端接地；

第二电阻，其一端与信号输出端连接，其另一端用于通过补偿电路模块5接地。

根据本发明的一个实施例，优选的，补偿电路模块5包括DAC 51和运算放大器52，DAC 51的基准电压端通过运算放大器52与第二电阻连接；DAC 51与控制器6电连接，通过控制器6根据平坦度反馈信号调整DAC的配置参数，向第二电阻输出基准电压信号。

根据本发明的一个实施例，优选的，信号调理模块2还包括放大通道22，设置在衰减通道21的后端，衰减通道21内衰减比例电路通过放大通道22放大后，输出至采集模块。

根据本发明的一个实施例，优选的，其自整定方法包括以下步骤：

S1、阶跃电压产生模块1产生的阶跃电压信号通过继电器阵列3进入信号调理模块2的衰减比例电路，并通过采集模块4将输出信号反馈给控制器6；

S2、控制器6通过对输出信号进行分析，对补偿电路模块5进行参数配置，完成对衰减比例模块的平坦度补偿；

S3、阶跃电压产生模块1输出不同幅值的校准电压信号，通过控制器6根据校准电压信号对应的输出信号计算校正因子，进行误差校准。

本发明主要由阶跃电压产生模块1、信号调理模块2、继电器阵列3、采集模块4、补偿电路模块5和控制器6构成。在进行信号测量前，需要进行补偿电路模块参数配置及整体电路误差补偿校准。

如图1中箭头方向所示，阶跃电压产生模块1产生的阶跃电压信号通过由控制器6控制的继电器阵列3，进入信号调理模块2，控制器6通过获取信号调理模块2输出的信号，并对输出信号进行分析，为补偿电路进行正确的参数配置，达到频率平坦度补偿的目的。

具体的，补偿电路模块5的原理图如图2所示，本发明中采用阻容分压作为基本分压方式，通过补偿电路模5块对衰减比例电路的频率响应进行平坦度补偿。

衰减比例电路包括信号输入端、信号输出端、第一电阻R₁、第一电容C₁、第二电容C₂和第二电阻R₂，补偿电路模块包括DAC 51和运算放大器52。

输出电压U_OUT接在DAC 51的基准电压端(V_ref)，通过运算放大器52将DAC的输出电压施加在第二电阻R₂右端，来改变第二电阻R₂支路的等效电阻。其具体原理如下：

当第二电阻R₂右端直接接地时，该电路的传递函数为：

式中，τ₁表示电路左半部分时间常数，τ₁＝R₁C₁；τ₃表示电路等效时间常数，

由于元件固有的寄生参数等原因，实际工作中很难令τ₁＝τ₃。故本发明中将第二电阻R₂右端改接DAC 51的输出端，此时DAC 51通过运算放大器52施加在第二电阻R₂右端的电压为aU_OUT，第二电阻R₂支路的等效电阻计算式为：

式中，R'₂表示第二电阻R₂的对地等效电阻，

通过改变控制器6输入DAC51的数字量可以调节a，从而调节R'₂，达到平坦度补偿的目的。

本发明采用阶跃电压信号作为自整定的输入信号，如图1所示，采用串联的基准电压芯片和升压电路输出高稳定度的10V基准电压至幅值调整电路，通过幅值调整电路中不同比例的精密电阻和精密运放，对基准电压进行调值，产生不同幅值的标准电压；幅值调整电路的输出端与阶跃电压产生继电器连接，通过阶跃电压产生继电器的开闭，输出不同幅值的阶跃电压，用于不同量程的平坦度补偿与误差校准。

如图4所示，在进行频率平坦度补偿时，可将信号调理模块2中的电路看作线性电路。根据傅里叶变换可知，若一个线性电路的输入是理想的阶跃信号，同时该电路的输出也是理想的阶跃信号，那么该电路的传输函数可近似看成不随频率变化的定值。假设衰减通道的传输函数为图3中R₂右端直接接地的传输函数，当输入信号为理想的阶跃信号时，输出信号的频域响应和时域响应如下表达式：

式中τ₃'为加入补偿电路模块后对应电路的等效时间常数。

该电路的输出阶跃响应随时间变化的图像如图3所示，图3中的①～⑦曲线表示在τ₃'不同的情况下，该电路的阶跃响应随时间变化的情况，且曲线①～⑦对应的τ₃'逐渐增大。如图3所示，补偿模块参数变化引起τ₃'的变化会让信号调理模块对阶跃输入信号产生不同的响应。当且仅当τ₃'＝τ₁时，输出的阶跃响应仍为理想的阶跃信号，如曲线④所示。设置某频率段下允许误差范围E_G和两次采样时间t₁、t₂，其中t₂尽量足够大来保证阶跃响应稳定。记t₁、t₂时刻采样数据为V₁、V₂。若t₁、t₂时刻的采样差值比(绝对值)小于设置的允许误差范围E_G，则可认定此时信号调理电路的平坦度补偿最优，否则控制器6根据采样差值比的正负来不断调整补偿电路模块5的输入参数，从而达到调节τ₃′，完成平坦度补偿的目的，其他比例档位通道类似。

当系统完成频率平坦度补偿之后，进行电路增益误差与偏置误差的校准补偿，通过阶跃电压产生模块1产生的不同幅值电压作为输入信号，完成对不同分压比通道的校准补偿，最终完成整个模块的误差校准补偿。

当输入信号进入继电器阵列时，控制器6根据阶跃电压产生模块1产生的输入信号的幅值大小控制继电器阵列3中与该幅值相对应的继电器的开通与关断，使输入信号进入信号调理模块2的对应衰减比例电路，使衰减通道21打开，通过采集模块4获得信号调理模块2输出的信号并反馈给控制器6，控制器6根据输入信号与输出信号的大小计算校正因子，实现电路增益误差与偏置误差的校准。

通过对阶跃电压产生模块1中输出继电器与档位的控制，来实现交流电压测量系统对地和不同基准直流电压的测量，进而实现对比例衰减电路及后级采集模块整体的偏置误差及增益误差自动校正。经过校正后采集的交流电压有效值，消除信号通路中由于器件性能及环境因素所带来的偏置误差与增益误差对测量系统精度的影响。在进行系统校正时，由于基准直流电压内置在测量系统中，因此外部无需连接任何标准电压源，且全部校正过程可以在软件中通过程序设计来自动进行，大大减小了校正的难度与时间周期。

实验测试

在待测信号有效值为1V，选取的衰减通道为1V档位的情况下，采用Fluke5700A作为本次测试的输入源输入继电器阵列3，并通过控制器6打开对应衰减通道21，Keysight3458A对电路的输入与输出进行测量测试结果如图5所示。

如图5所示，未加入补偿电路模块5时，由于元件本身的寄生参数导致衰减率在不同频率下相差较大；加入补偿电路模块5后，由测试结果可以计算得出衰减率误差为0.0045％。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (6)

1.一种用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，其特征在于，包括：

阶跃电压产生模块(1)，用于产生阶跃信号作为自整定输入信号；

信号调理模块(2)，包括由若干衰减比例电路组成的衰减通道(21)，若干所述衰减比例电路的衰减档位不同；

继电器阵列(3)，包括若干与所述衰减比例电路一一对应的继电器；所述继电器的输入端与所述阶跃电压产生模块(1)的输出端连接，用于将所述自整定输入信号输入其对应的所述衰减比例电路；

采集模块(4)，与所述信号调理模块(2)的输出端连接，用于所述采集所述信号调理模块(2)的输出信号；

补偿电路模块(5)，用于对所述衰减比例电路进行平坦度补偿；

控制器(6)，用于控制所述阶跃电压产生模块(1)产生所述自整定输入信号，并根据所述自整定输入信号控制所述继电器与所述衰减比例电路接通，并根据所述信号调理模块(2)的输出信号对所述补偿电路模块(5)进行参数配置以完成平坦度补偿，和根据所述信号调理模块(2)的输出信号计算校正因子以完成行增益误差与偏置误差的校准。

2.根据权利要求1所述的用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，其特征在于，所述阶跃电压产生模块(1)包括：

直流基准电压产生模块，包括串联的基准电压芯片和升压电路，用于产生基准电压；

幅值调整电路，包括串联的不同比例的精密电阻和精密运放，用于根据所述基准电压输出不同幅值的标准电压；

阶跃电压产生继电器，其输入端与所述幅值调整电路的输出端连接，其输出端与所述继电器阵列的输入端连接，用于输出阶跃电压。

3.根据权利要求2所述的用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，其特征在于，所述衰减比例电路包括：

信号输入端和信号输出端，所述信号输入端用于接收输入信号，所述信号输出端用于输出信号；

并联的第一电阻和第一电容，所述第一电阻和第一电容的两端分别与信号输入端与信号输出端连接；

第二电容，其一端与所述信号输出端连接，其另一端接地；

第二电阻，其一端与所述信号输出端连接，其另一端用于通过所述补偿电路模块(5)接地。

4.根据权利要求3所述的用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，其特征在于，所述补偿电路模块(5)包括DAC(51)和运算放大器(52)，所述DAC(51)的基准电压端通过所述运算放大器(52)与所述第二电阻连接；所述DAC(51)与所述控制器(6)电连接，通过所述控制器(6)根据反馈信号调整所述DAC(51)的配置参数，使所述DAC(51)向所述第二电阻输出基准电压信号。

5.根据权利要求4所述的用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，其特征在于，所述信号调理模块(2)还包括放大通道(22)，设置在所述衰减通道(21)的后端，所述衰减通道(21)内所述衰减比例电路通过所述放大通道(22)放大后，输出至所述采集模块。

6.根据权利要求1至5任一项权利要求所述的用于交流电压比例电路的平坦度和增益自整定装置，其特征在于，其自整定方法包括以下步骤：

S1、所述阶跃电压产生模块(1)产生的阶跃电压信号通过继电器阵列(3)进入信号调理模块(2)的所述衰减比例电路，并通过所述采集模块(4)将输出信号反馈给所述控制器(6)；

S2、所述控制器(6)通过对所述输出信号进行分析，对所述补偿电路模块(5)进行参数配置，完成对所述衰减比例模块的平坦度补偿；

S3、所述阶跃电压产生模块(1)输出不同幅值的校准电压信号，通过所述控制器(6)根据所述校准电压信号对应的输出信号计算校正因子，进行误差校准。