CN202757999U - 一种交流电源的频率和相位检测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种交流电源的频率和相位检测器，它包括用于判断交流电源的过零点的单片机、用于采集交流电源的电压信号的交流电压采样电路、用于输出交流电源的频率信号的频率输出电路、用于输出交流电源的相位信号的相位输出电路，所述单片机具有用于输入交流电源的电压采样信号的采样信号输入端、用于输出交流电源的频率方波信号的频率输出端和用于输出交流电源的相位脉冲信号的相位输出端，所述采样信号输入端与交流电压采样电路连接，所述频率输出端和相位输出端对应连接频率输出电路和相位输出电路。本实用新型可在各种畸变严重的交流电压环境下将交流电源的频率和相位准确地提取出来，并且避免出现多次过零翻转情况发生。
Description
技术领域
本实用新型涉及交流电源的检测技术，具体涉及一种交流电源的频率和相位检测器。
背景技术
一般的电力电子应用中，经常需要测量交流电源的频率和相位。如图1所示，传统的测量电路一般使用一个过零比较器来产生一个占空比为50％的方波信号，将交流电源与方波信号0V比较，电压高于0V的部分输出“1”，电压小于0V的部分输出“0”，方波信号的正跳变沿对应交流电源的0度点，测量2次正跳变沿之间的时间间隔可以得到交流电源的周期值，进而获得频率。如需要得到交流电源的相位也是从方波信号的正跳变沿开始计时，延时若干时间后得到。
使用上述检测方法，虽然实现简单，但是它要求交流电源在过零处的失真小，否则过零比较器会在交流电源的过零处发生多次翻转，这样将导致后面的测量电路出现误差，如图2所示。传统的检测电路很难避免这种情况发生。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种交流电源的频率和相位检测器，可在各种畸变严重的交流电压环境下将交流电源的频率和相位准确地提取出来。
为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案如下：
一种交流电源的频率和相位检测器，其特征在于：它包括用于判断交流电源的过零点的单片机、用于采集交流电源的电压信号的交流电压采样电路、用于输出交流电源的频率信号的频率输出电路、用于输出交流电源的相位信号的相位输出电路，所述单片机具有用于输入交流电源的电压采样信号的采样信号输入端、用于输出交流电源的频率方波信号的频率输出端和用于输出交流电源的相位脉冲信号的相位输出端，所述采样信号输入端与交流电压采样电路连接，所述频率输出端和相位输出端对应连接频率输出电路和相位输出电路，通过交流电压采样电路采样获得交流电源的电压信号，并输入单片机中运算判断出该电压信号的实际过零点，由频率输出端输出与交流电源的电压实际过零点对应的频率方波信号，或由相位输出端输出与交流电源的电压相对应的相位脉冲信号，所述频率方波信号和相位脉冲信号依次分别经频率输出电路、相位输出电路驱动输出。
本实用新型所述交流电压采样电路包括依次相连的电压互感器、第一滤波电路、电压跟随器、放大电路和第二滤波电路。
本实用新型所述单片机还具有用于数据交换的异步串行通讯接口，所述交流电源的频率和相位检测器还包括通讯接口电路，单片机依次经异步串行通讯接口、通讯接口电路对外交换数据。
本实用新型相比于现有技术的有益效果：
本实用新型可通过单片机自动判断交流电源电压的实际过零点，避免出现多次过零翻转情况发生，适用于在各种畸变严重的交流电压环境下将交流电源的频率和相位准确地提取出来，测量误差小。
附图说明
图1为现有测量交流电源的频率和相位方法下方波信号和交流电源电压信号的波形图；
图2为现有测量交流电源的频率和相位方法下过零点发生多次翻转的方波信号和交流电源电压信号的波形图；
图3为本实用新型交流电源的频率和相位检测器的连接示意框图；
图4为本实用新型正确判断过零点的方波信号和交流电源电压信号的波形图；
图5为本实用新型单片机的引脚示意图；
图6为本实用新型交流电压采样电路的电路图。
具体实施方式
如图3所示的一种交流电源的频率和相位检测器，它包括用于判断交流电源的过零点的单片机、用于采集交流电源的电压信号的交流电压采样电路、用于输出交流电源的频率信号的频率输出电路、用于输出交流电源的相位信号的相位输出电路、用于对外交换数据的通讯接口电路，单片机具有用于数据交换的异步串行通讯接口、用于输入交流电源的电压采样信号的采样信号输入端、用于输出交流电源的频率方波信号的频率输出端和用于输出交流电源的相位脉冲信号的相位输出端，采样信号输入端与交流电压采样电路连接，频率输出端和相位输出端对应连接频率输出电路和相位输出电路，通过交流电压采样电路采样获得交流电源的电压信号，并输入单片机中运算判断出该电压信号的实际过零点，由频率输出端输出与交流电源的电压实际过零点对应的频率方波信号，或由相位输出端输出与交流电源的电压相对应的相位脉冲信号，频率方波信号和相位脉冲信号依次分别经频率输出电路、相位输出电路驱动输出。
单片机通过异步串行通讯接口，由通讯电路与外部其他主控CPU通信交换数据，进行数据交换。单片机通过采样信号输入端，实时扫描交流采样电路送出的电压信号，通过内部的高速运算，判断出交流电源的真正过零点，同时给出对应的方波信号，通过频率输出电路驱动作频率输出，给其他电路提供参考；同时，单片机将一个完整的交流电压周期划分成360等分，对应每一等份发出一频率方波信号作为其他电路的相位判断基准，如图4所示。
本实施例的单片机如图5所示，采用型号为MC9S08AW16的芯片，AC-input-sampling是交流电压采样电路采样出来的交流电源信号，输入到单片机的采样信号输入端，单片机内部程序高速定时对其进行采样并按照数学算法进行运算，判断交流电压的实际过零点；Fac-out是单片机按照计算结果送出的与交流电源交流电压实际过零点相对应的方波输出，这个信号Fac-out提供给其他电路作为测量或控制基准；Pac-out是与交流电源交流电压相对应的相位输出信号，交流电压信号每过0.5度就发一个脉冲，这个信号提供给其他电路作为相位定位基准。QD_RX脚和QD_TX脚为异步串行通讯接口，用于与外部其他CPU进行数据交换。
本实用新型由外部提供两组稳定的直流电压，一组给整个主电路供电，5V直流电；另一组作为交流电压采样电路的直流偏置电压，2.5V直流电。
交流电压采样电路包括依次相连的电压互感器、第一滤波电路、电压跟随器、放大电路和第二滤波电路。如图6所示，第一滤波电路包括电容C52，交流采样电路中AC-input是交流电压互感器输出的交流信号，将高压的交流电转换成低压的交流电压，经电阻R91、电阻R105分压，经电容C52滤波，滤除交流电源中的高频杂波；经电阻R90送给主要由运算放大器U13A组成的电压跟随器，转换成低阻抗的交流信号；然后通过电阻R89，电阻R88将交流信号提升2.5V经主要由放大器U13B组成的放大电路输出，将交流信号的零点提升到2.5V，0V为交流信号的最大负半周峰值，5V为交流信号的最大正半周峰值，电阻R87为反馈电阻和电阻R120决定输出信号的放大倍数，即放大电路的放大倍数；输出再通过两级RC滤波电路(R119、C59和R117、C168)消除电路的杂散电感引起的干扰信号，两级RC滤波电路为第二滤波电路，电阻R118为信号的阻尼电阻，消除线路振荡；二极管D13为钳位二极管，防止过高的尖峰电压加到单片机的采样信号输入端上损坏单片机。
频率输出电路和相位输出电路主要采用通信驱动芯片来驱动输出，单片机输出的频率输出信号和相位输出信号经过驱动芯片驱动后输出，驱动芯片的芯片型号分别为MC14050BCL。
通讯接口电路也采用通信驱动芯片来驱动输出，该驱动芯片的芯片型号为MC14050BCL。单片机的异步串行通讯接口QD_RX经过通信驱动芯片驱动后送到外部其他CPU的异步串行通讯的输入脚；外部其他CPU的异步串行通讯的输出脚经过通信驱动芯片后接到单片机的异步串行通讯接口QD_TX引脚上。
上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的变化与变型，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (3)
1.一种交流电源的频率和相位检测器，其特征在于：它包括用于判断交流电源的过零点的单片机、用于采集交流电源的电压信号的交流电压采样电路、用于输出交流电源的频率信号的频率输出电路、用于输出交流电源的相位信号的相位输出电路，所述单片机具有用于输入交流电源的电压采样信号的采样信号输入端、用于输出交流电源的频率方波信号的频率输出端和用于输出交流电源的相位脉冲信号的相位输出端，所述采样信号输入端与交流电压采样电路连接，所述频率输出端和相位输出端对应连接频率输出电路和相位输出电路，通过交流电压采样电路采样获得交流电源的电压信号，并输入单片机中运算判断出该电压信号的实际过零点，由频率输出端输出与交流电源的电压实际过零点对应的频率方波信号，或由相位输出端输出与交流电源的电压相对应的相位脉冲信号，所述频率方波信号和相位脉冲信号依次分别经频率输出电路、相位输出电路驱动输出。
2.根据权利要求1所述的交流电源的频率和相位检测器，其特征在于：所述交流电压采样电路包括依次相连的电压互感器、第一滤波电路、电压跟随器、放大电路和第二滤波电路。
3.根据权利要求2所述的交流电源的频率和相位检测器，其特征在于：所述单片机还具有用于数据交换的异步串行通讯接口，所述交流电源的频率和相位检测器还包括通讯接口电路，单片机依次经异步串行通讯接口、通讯接口电路对外交换数据。
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