CN203054093U - 利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，包括交流干扰信号相位采集电路，用于采集交流干扰信号的过零信号，此信号为控制器的启动信号；以及连接于交流干扰信号相位采集电路输出端的控制器，该控制器在交流干扰信号相位采集信号到来时，电路开始按照干扰信号的周期、以一定时序控制后继的积分式采样电路；以及与整周期采样开关输出端连接的积分电路；以及一端与积分电路输出端连接的采样保持开关；以及与采样保持开关另一端连接的采样保持器。本实用新型对交流干扰的起始相位进行采集，采集的信号作为积分的起始相位信号，达到积分相位与交流干扰信号相位同步，避免对测试精度造成影响。

Description

利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置。

背景技术

绝缘电阻测试是让一个直流电压连接到被测元件两端，通过元件两端的电流和电压来计算元件绝缘电阻。测试时，被测件基本处于高阻状接近开路。通过实际电路的测量发现，干扰信号对电路的测试存在很大影响。早期采用多级滤波电路对干扰信号进行处理，但多级滤波电路存在以下问题：

多级滤波存在响应速度大于500毫秒，因此，采用多级滤波电路的去除干扰信号，时延很大，使测试速度慢和数据稳定性形成对立关系，无法实现快速响应和高稳定测量。另外，由于测试信号极弱，上述电路放大比率很高，在放大测试信号的同时，干扰信号被同时放大，以至阻塞AD采样电路的工作。然而，随着科技的进步，出现了以整周期采样的电路，用以去除干扰信号获得直流信号。通过具体的分析得知，从输入采样信号波形可知，见图1，测试信号主要分三部分：1、被测电流相关的直流电压，0.1-10mVDC。（以下命名为Vx）；2、交流的环境干扰信号（简称交流干扰），约20mVp（以下命名为A*sin（ωt），A为信号幅值）；3、高频的白噪声，约5mVp。干扰来源主要是交流干扰，输入采样信号波形中高频干扰频率比较高幅值也小采用低通滤波。其余信号放大100倍后，波形非常规整频率单一，就是交流辐射正弦波。用整周期滤波电路（见图2）即可获得去除交流以后的测试值。下面说明整周期滤波工作原理，用数学推导计算如下：

交流干扰周期：T；交流干扰角速度：ω＝T/(2*π)；交流干扰幅值：A交流干扰信号为：A*sin（ωt）；积分起始相位角：r；积分交流信号为：A*sin（ωt+r）；积分周期和干扰周期的偏差：Kt；实际积分周期为：T(1+Kt)；算式如下

$\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{Vi}}=\frac{1}{\mathrm{RC}}*{\∫}_0^{T(1+\mathrm{Kt})}(\mathrm{Vx}+A*\sin (\mathrm{\ωt}+r))\mathrm{dt}$

$=\frac{T}{\mathrm{RC}}*(1+\mathrm{Kt})*\mathrm{Vx}+\frac{T}{\mathrm{RC}}*\frac{A}{2*\mathrm{\π}}*(\cos \left(r\right)-\cos (2*\mathrm{\π*Kt+r})$

因为电路实际实现时：Kt近视为零

$\cos \left(r\right)-\cos (2*\mathrm{\π}*\mathrm{Kt}+r)$ 可以认为是波形在cos（r）处的微增量。上式可写为

$=\frac{T}{\mathrm{RC}}*(1+\mathrm{Kt})*\mathrm{Vx}-\frac{T}{\mathrm{RC}}*\frac{A}{2*\mathrm{\π}}*\sin \left(r\right)*(2*\mathrm{\π}*\mathrm{Kt})$

$=\frac{T}{\mathrm{RC}}*((1+\mathrm{Kt})*\mathrm{Vx}-A*\sin \left(r\right)*\mathrm{Kt})$

由上式可知：

T/RC可以认为是采样比例系数，在电路确定后为固定常数，可以通过计量系数轻松补偿过来。

输出的纹波大小为：Kt直接确定了纹波幅值。如果需要60DB的衰减（1000倍），Kt<0.1％即可，而仪器控制系统时基为几十纳秒，如果不考虑交流电源的稳定性，仪器的时序误差一般可以达到小于0.01％。

而中：Kt<0.1％时引入偏差小于0.1％，对1％测量精度已经没有影响。

在整周期采样中,

干扰在积分时的残余值已经很小，能够大为缩短响应速度。但是分析参数可知，它随着积分相位变化而波动，对测试的影响已经不大，但是，实际数据尾数还是会随着积分起始相位变化，见图3阴影部分：起始相位不定，引起测试数据在一定范围跳动，对测试精度造成影响。因此，如果将起始相位固定下来，那么就不会有数据跳动问题了。

发明内容

针对上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，本实用新型对交流干扰的起始相位进行采集，采集的信号作为积分的起始相位信号，达到积分相位与交流干扰信号相位同步，避免对测试精度造成影响。

实现本实用新型的技术方案如下：

一种利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，包括交流干扰信号相位采集电路，用于交流干扰信号在过零时输出高电平脉冲信号；以及

连接于交流干扰信号相位采集电路输出端的波形整形电路，该波形整形电路加快交流干扰信号相位采集电路输出脉冲的边沿，输出信号提供给控制器，作为积分电路的积分起始相位同步信号；以及

连接于波形整形电路输出端的控制器，根据波形整形电路提供的积分起始相位同步信号，发出高电平同步信号指令；以及

与控制器连接的整周期采样开关，根据控制器输出的高电平同步信号指令进行闭合，该整周期采样开关的闭合时间等于交流干扰信号的周期；以及

与整周期采样开关输出端连接的积分电路，在整周期采样开关闭合期间，该积分电路在输入信号进行积分取样；以及

一端与积分电路输出端连接的采样保持开关；以及

与采样保持开关另一端连接的采样保持器，在积分周期为交流干扰信号的整周期时，控制器断开整周期采样开关，同时使采样保持开关闭合，将所述积分电容上的电压转移到采样保持器上保存下来。

进一步地，还包括一个与控制器连接的放电开关，该放电开关的两端与积分电路的积分电容并联，在控制器的控制时序下，使采样保持开关断开，放电开关闭合，在下一次积分周期之前，保证所述积分电容上的电荷为零。

进一步地，所述波形整形电路为电压比较器。

进一步地，所述交流干扰信号相位采集电路由第一光电耦合器和第二光电耦合器组成，第一光电耦合器和第二光电耦合器并联。

进一步地，所述控制器为CPU或时序逻辑电路。

进一步地，所述采样保持器包括采样电容以及运算放大器，采样电容的一端与运算放大器的同相输入端连接，采样电容的另一端接地，运算放大器的反相输入端与该运算放大器的输出端连接。

进一步地，所述运算放大器为高输入阻抗、低输出阻抗的运算放大器。

采用了上述方案，通过交流干扰信号相位采集电路对交流干扰信号的采集，在交流干扰信号在过零时输出高电平脉冲信号；波形整形电路加快交流干扰信号相位采集电路输出脉冲的边沿，输出信号提供给控制器，作为积分电路的积分起始相位同步信号；当控制器接收到波形整形电路输出的积分起始相位同步信号时，控制器输出一个高电平同步信号时作为积分电路的积分起始相位信号，使整周期采样开关闭合，整周期采样开关的闭合时间等于干扰信号的周期，在整周期采样开关闭合期间，积分电路上的积分电容对输入的输入信号进行取样。由于整周期采样开关的闭合时间等于干扰信号的周期，因此，当积分取样的时间为交流干扰信号的一个整周期时，控制器使整周期采样保持开关断开，同时使采样保持开关闭合，将积分电容上的电压转移到采样保持器上保存后再输出。本实用新型通过对交流干扰信号进行采样，将积分的起始相位固定下来，克服了现有技术中数据跳动问题，从而提高了测试精度。

通过电压比较器对交流干扰信号相位采集电路输出的信号进行整形，利于提高交流干扰信号相位采集电路输出信号的准确度。

附图说明

图1为现有技术中绝缘电阻测试仪测试时的采样、放大高频滤波信号比较图；

图2为现有技术中的整周期滤波电路的电路结构图；

图3为图2中整周期滤波电路的开关时序图；

图4为本实用新型的利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置的电路结构示意图；

图5为本实用新型中交流干扰信号相位采集电路的结构示意图；

图6为本实用新型中的交流干扰信号相位采集电路的时序图；

图7为控制器的控制各个开关的时序图；

具体实施方式

参照图4至图7，本实用新型的利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，包括交流干扰信号相位采集电路，用于交流干扰信号（见图6中的AC_IN信号）在过零时输出高电平脉冲信号（见图6中的AC_CLK信号）。所述交流干扰信号相位采集电路由第一光电耦合器和第二光电耦合器组成，第一光电耦合器和第二光电耦合器并联（见图5）。当交流干扰信号过零时第一光电耦合器和第二光电耦合器同时断开而产生高电平过零脉冲。以及

连接于交流干扰信号相位采集电路输出端的波形整形电路，该波形整形电路加快交流干扰信号相位采集电路输出脉冲的边沿（整形后的信号见图6中的CLK信号），输出信号提供给控制器，作为积分电路的积分起始相位同步信号。波形整形电路为电压比较器。以及

连接于波形整形电路输出端的控制器，根据波形整形电路提供的积分起始相位同步信号，发出高电平同步信号指令。该控制器为CPU或时序逻辑电路。以及

与控制器连接的整周期采样开关K1，根据控制器输出的高电平同步信号进行闭合，该整周期采样开关的闭合时间等于交流干扰信号的周期。以及

与整周期采样开关输出端连接的积分电路，在整周期采样开关闭合期间，该积分电路对在除去输入信号中的交流干扰信号同时，积分电路上的积分电容对输入的输入信号进行积分取样；积分电路由运算放大器UA、积分电容C1以及电阻R组成，电阻R的一端与整周期采样开关K1连接，电阻R的另一端连接于运算放大器UA的反相输入端，运算放大器UA的同相输入端接地，电容C1的两端分别与运算放大器UA的反相输入端和输出端连接。以及

一端与积分电路输出端连接的采样保持开关K3；以及

与采样保持开关K3另一端连接的采样保持器，与采样保持开关另一端连接的采样保持器，在积分周期为交流干扰信号的整周期时，控制器断开整周期采样开关K1，同时使采样保持开关K3闭合，将所述积分电容上的电压转移到采样保持器上保存下来。采样保持器包括采样电容C2以及运算放大器UB，采样电容C2的一端与运算放大器UB的同相输入端连接，采样电容C2的另一端接地，运算放大器UB的反相输入端与该运算放大器的输出端连接。运算放大器UB为高输入阻抗、低输出阻抗的运算放大器，运算放大器能有效地将送进该运算放大器中的进行有效放大。以及

与控制器连接的放电开关K2，该放电开关K2的两端与积分电路的积分电容C1并联，在控制器的控制下，使采样保持开关K3断开，放电开关闭合，在下一次积分周期之前，保证所述积分电容上的电荷为零。

参照图4至图6，步骤1，通过交流干扰信号相位采集电路对交流干扰信号的采集，在交流干扰信号在过零时输出高电平脉冲信号，通过波形整形电路加快交流干扰信号相位采集电路输出脉冲的边沿，输出信号提供给控制器，作为积分电路的积分起始相位同步信号；

步骤2，控制器接收到波形整形电路提供的积分起始相位同步信号时，输出一个高电平同步信号指令，使整周期采样开关闭合，整周期采样开关的闭合时间等于干扰信号的周期，在整周期采样开关闭合期间，积分电路上的积分电容对输入的输入信号进行取样；

步骤3，积分电容采样完毕后，控制器控制整周期采样开关断开，同时控制采样保持开关闭合，将积分电容上的电压转移到采样保持器上保存后再输出。

步骤4，在控制器的控制时序下，积分电容上的电压转移到采样保持器完成后，控制器使采样保持开关断开，并联于积分电容两端的放电开关闭合，使积分电容放电，在下一次积分周期之前，保证所述积分电容上的电荷为零。

步骤2完成后，从采样保持器的输出电压通过以下算式计算：

正弦角速度：ω＝2*π*f

考虑积分开始相位角：r，输入干扰变成：A*sin（ωt+r）

考虑积分时间的准确度，加入积分周期偏差：Kt,实际积分周期为：T(1+Kt)，T为采样周期。

算式如下

$\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{Vi}}=\frac{1}{\mathrm{RC}}*{\&Integral;}_0^{T(1+\mathrm{Kt})}(\mathrm{Vx}+A*\sin (\mathrm{\&omega;t}+r))\mathrm{dt}$

$=\frac{T}{\mathrm{RC}}*(1+\mathrm{Kt})*\mathrm{Vx}+\frac{1}{\mathrm{RC}}*\frac{A}{\mathrm{\&omega;}}*(\cos \left(r\right)-\cos (2*\mathrm{\&pi;}*\mathrm{Kt}+r+T)$

1．同步整周期采集。和整周期差不多只是起始相位r为定值，T为干扰周期。那么

$\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{Vi}}=\frac{1}{\mathrm{RC}}*{\&Integral;}_0^{T(1+\mathrm{Kt})}(\mathrm{Vx}+A*\sin (\mathrm{\&omega;t}+r))\mathrm{dt}$

$=\frac{T}{\mathrm{RC}}*((1+\mathrm{Kt})*\mathrm{Vx}-A*\sin \left(r\right)*\mathrm{Kt})$

其中

为常数，不会像非同步积分每次都不同形成数据漂移。

作为一个不变的小底数，实际使用时可以偏差扣除，从而提高了测试精度。而且尽量使相位r接近零，相对而言尾数稳定可以上升一个数量级。

2．小于整周期采集。加快采集速度，但是采集速度不会超过一个周期一次。

采用清零工作：将测试元件时采样信号的采样值，减去没有元件测试时采样信号的采样值，将没有测试产品的输入信号采样值作为底数：

被测值作为参数：

相减得到算式如下：

在清零模式下，可以在不采用整周期的情况下，可以得到和整周期采集相同的采集结果。尾数不会因为起始相位漂移而出现波动。此方法不能使用在绝缘场合，因为干扰幅度会受测试元件参数影响。但是可以使用在类似的，有一定的正弦信号存在，需要将直流小信号取出的场合。

Claims (7)

1.一种利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，其特征在于，包括交流干扰信号相位采集电路，用于交流干扰信号在过零时输出高电平脉冲信号；以及 

连接于交流干扰信号相位采集电路输出端的波形整形电路，该波形整形电路加快交流干扰信号相位采集电路输出脉冲的边沿，输出信号提供给控制器，作为积分电路的积分起始相位同步信号；以及 

连接于波形整形电路输出端的控制器，根据波形整形电路提供的积分起始相位同步信号，发出高电平同步信号指令；以及 

与控制器连接的整周期采样开关，根据控制器输出的高电平同步信号指令进行闭合，该整周期采样开关的闭合时间等于交流干扰信号的周期；以及 

与整周期采样开关输出端连接的积分电路，在整周期采样开关闭合期间，该积分电路在输入信号进行积分取样；以及 

一端与积分电路输出端连接的采样保持开关；以及 

与采样保持开关另一端连接的采样保持器，在积分周期为交流干扰信号的整周期时，控制器断开整周期采样开关，同时使采样保持开关闭合，将所述积分电容上的电压转移到采样保持器上保存下来。 

2.根据权利要求1所述的利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，其特征在于，还包括一个与控制器连接的放电开关，该放电开关的两端与积分电路的积分电容并联，在控制器的控制时序下，使采样保持开关断开，放电开关闭合，在下一次积分周期之前，保证所述积分电容上的电荷为零。 

3.根据权利要求1或2所述的利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，其特征在于，所述波形整形电路为电压比较器。 

4.根据权利要求1或2所述的利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，其特征在于，所述交流干扰信号相位采集电路由第一光电耦合器和第二光电耦合器组成，第一光电耦合器和第二光电耦合器并联。 

5.根据权利要求1或2所述的利用同步采样在混合信号中提取直流信号的 装置，其特征在于，所述控制器为CPU或时序逻辑电路。 

6.根据权利要求1或2所述的利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，其特征在于，所述采样保持器包括采样电容以及运算放大器，采样电容的一端与运算放大器的同相输入端连接，采样电容的另一端接地，运算放大器的反相输入端与该运算放大器的输出端连接。 

7.根据权利要求6所述的利用同步采样在混合信号中提取直流信号的装置，其特征在于，所述运算放大器为高输入阻抗、低输出阻抗的运算放大器。 

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