CN205484523U - 一种交流信号有效值测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种交流信号有效值测量装置，包括绝对值变换电路、高频三角波发生电路、PWM信号调制电路、前端积分电路、后端积分电路、复位电路、采样保持电路、除法电路、开方电路和定时电路。本实用新型通过将被测信号v(t)的绝对值|v(t)|与单极性对称高频三角波信号v_c(t)进行调制得到远高于v(t)频率的高频PWM信号。由于v(t)为连续信号并且v_c(t)频率远高于v(t)，因而每个周期PWM信号的面积与对应PWM信号周期内的|v(t)|所形成的面积相等。与此同时，v(t)²也是连续函数，因而可以通过计算v(t)的周期T内PWM信号的平方和开方来求取v(t)的有效值。本实用新型计算有效值的交流信号v(t)为所有交流周期信号，即包括含直流分量和谐波分量的交流周期信号，能有效解决待测信号含直流分量和谐波问题，适用范围更广。

Description

一种交流信号有效值测量装置

技术领域

本实用新型属于仪器仪表、信号处理和测控领域，具体涉及一种交流信号有效值测量装置，用于测量任意交流周期信号的有效值。

背景技术

交流周期信号有效值测量在仪器仪表、信号处理和测控领域具有重要的作用，是电学参数测量的重要组成部分。目前，常用的交流周期信号有效值测量主要分为硬件测量和软件测量两种方案。硬件方案测量交流周期信号有效值是基于通过测量|v(t)|的平均值求取交流周期信号v(t)的有效值这是因为对于正弦交流信号满足：因而可以通过测量平均值的方法计算出有效值。但这种方法存在以下几点的不足：①该方法适用面窄，只适用于正弦信号；②该正弦信号不能存在直流分量；③该正弦信号不能存在谐波。软件测量是通过高速处理器对周期交流信号v(t)的绝对值信号|v(t)|进行高速采样，然后按照有效值定义公式(其中：f_s为采样频率，T_s为采样周期，T为信号周期)求取信号的有效值。通过该方法可以测量任意周期信号的有效值，但存在以下不足：①为保证精度，必需采用高速处理器实现高速采样和高速计算，因而对处理器要求高；②在计算有效值V_rms需要进行浮点数的N次乘法运算、N次加法运算、1次除法运算和1次开方运算，因而会大量的占用CPU系统内存和运行时间，特别是实时性要求高的场合会存在问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述不足之处，提供一种交流信号有效值测量装置。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种交流信号有效值测量装置，其特征在于，包括绝对值变换电路、高频三角波发生电路、PWM信号调制电路、前端积分电路、后端积分电路、复位电路、采样保持电路、除法电路、开方电路和定时电路；

绝对值变换电路的输入端与待测信号相连，绝对值变换电路的输出端与PWM信号调制电路的输入端相连；绝对值变换电路用于将待测信号v(t)进行绝对值变换得到|v(t)|；高频三角波发生电路的输出端与PWM信号调制电路的输入端相连；高频三角波发生电路用于产生高频三角载波v_c(t)；

PWM信号调制电路用于将输入的|v(t)|和v_c(t)进行PWM调制得到信号PWM信号调制电路、前端积分电路、后端积分电路与采样保持电路依次串联；

前端积分电路将信号作为输入信号，对进行积分得到信号满足其中α₁为前端积分电路的积分系数；后端积分电路将前端积分电路的输出信号作为输入信号，对进行积分得到信号满足其中α₂为后端积分电路的积分系数；为后端积分电路在第K个信号周期的初始值；后端积分电路的输出信号作为后端的采样保持电路的输入信号；

复位电路与前端积分电路和后端积分电路均相连，用于使前端积分电路和后端积分电路恢复到初始状态；

定时电路包括零电压比较电路、脉冲信号发生电路和带锁存功能的定时器；零电压比较电路用于将待测信号v(t)和基准正电压δ分别接到比较器的正向输入端和反向输入端，得到比较信号v_q(t)；零电压比较电路的输出端与脉冲信号发生电路相连，v_q(t)触发脉冲信号发生电路得到脉冲信号v_p(t)；v_P(t)触发带锁存功能的定时器输出定时周期v_T，连接到除法电路的除数输入端；v_P(t)还与采样保持电路相连，用于触发采样保持电路；

采样保持电路将后端积分电路的输出信号作为输入信号，将脉冲信号发生电路的输出信号v_p(t)的上升沿触发锁存；采样保持电路的输出信号v_H(NT)作为后面除法电路的被除数输入信号；

除法电路用于实现v_H(NT)除以v_T，得到并作为开方电路的输入；开方电路用于实现对输入的信号进行开方运算，得到

本实用新型所述的一种交流信号有效值测量装置与现有技术中的硬件测量方案相比，具有以下优势：

①本实用新型通过将被测交流信号v(t)的绝对值|v(t)|与单极性对称高频三角波信号v_c(t)进行调制得到远高于v(t)频率的高频PWM信号。由于v(t)为连续信号并且v_c(t)频率远高于v(t)，因而每个周期PWM信号的面积与对应PWM信号周期内的|v(t)|所形成的面积相等。与此同时，v(t)²也是连续函数，因而可以通过计算v(t)的周期T内PWM信号的平方和开方来求取v(t)的有效值。由于本实用新型计算有效值的交流信号v(t)为所有交流周期信号，当然也包括含直流分量和谐波分量的交流周期信号，所以本实用新型能有效解决待测信号含直流分量和谐波问题，因而适用范围更广；

②本实用新型是直接测量信号有效值因而精度更高；

③本实用新型无需对v(t)的幅值进行采样和浮点数运算。

④本实用新型无需乘法电路；

⑤本实用新型实现时只需单电源供电，并且电路涉及的原件均为通用的低成本原件，因而该实用新型具有很高的性价比和适用互换性。

⑥本实用新型的电路具有结构简单、成本低、精度高、测量速度快，可靠性高，实用性强等特点；可有效检测交流周期信号的有效值，为仪器仪表、数字信号处理和测控领域提供了一种新的测量方案，特别是应用于交流电压和电流有效值的测量。

附图说明

图1为PWM面积等效原理图；

图2为交流信号有效值测量装置原理图；

图3为交流信号有效值测量装置对应的一种硬件电路图；

具体实施方式

本实用新型提供了一种交流信号有效值测量装置，主要应用了PWM面积等效原理。PWM面积等效原理图如图1所示，根据《机电传动控制》(邓星钟等，华中科技大学出版社，第五版)第八章冲量等效原理可知，当两个冲量相等而形状不同的窄脉冲加载具有惯性环节上，效果相同。可得，在[0，T_S](T_S很小)时间内，如果v(t)＞0则存在：

${\∫}_0^{T_s}v\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{VCC}\×T_{\mathrm{on}}^1---\left(1\right)$

其中：VCC为供电电压；v(t)为待测周期信号；为第1个开关周期内为VCC的时间；为v(t)与单极性对称三角波信号v_c(t)比较后在[0，T_S]内得到的PWM信号。

同理，在[T_s，2T_s]，[2T_s，3T_S]，[3T_s，4T_S]，[4T_S，5T_S]依次存在公式(2)～(5)：

${\∫}_{T_s}^{{2T}_s}v\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{VCC}\×T_{\mathrm{on}}^2---\left(2\right)$

${\∫}_{2T_s}^{3T_s}v\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{VCC}\×T_{\mathrm{on}}^3---\left(3\right)$

${\∫}_{3T_s}^{4T_s}v\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{VCC}\×T_{\mathrm{on}}^4---\left(4\right)$

${\∫}_{4T_s}^{5T_s}v\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{VCC}\×T_{\mathrm{on}}^5---\left(5\right)$

其中，分别为第2、3、4、5个开关周期内为VCC的时间(i＝2，3，4，…)；为v(t)与单极性对称三角波信号v_c(t)比较后在[iT_s，(i+1)T_s]内得到的PWM信号。可认为在[(K-1)T_s，KT_S](1≤K≤N)中，v(t)的值保持不变，即：

v(t)＝V(KT_S) (N≥K≥1) (6)

其中，V(KT_S)为v(t)在t＝KT_s时刻的值，即

所以有：

又因为冲量面积等效原理，所以有：

${\∫}_{K{T}_s}^{(K+1)T_s}v\left(t\right)\mathrm{dt}=V\left(K{T}_s\right)\×T_s=\mathrm{VCC}\×T_{\mathrm{on}}^K---\left(8\right)$

如果存在v(t)≥0，t∈[0，T]，则有：

${\∫}_0^{T}v\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{K{T}_s}^{(K+1)T_s}v\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}V\left(K{T}_s\right)T_s=\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{VCC}\×T_{\mathrm{on}}^K---\left(9\right)$

根据周期信号有效值定义可知：其中：V_rms为交流周期信号v(t)的有效值。联立公式(8)和(9)可得：

${\∫}_0^{T}v{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}=\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{K{T}_s}^{(K+1)T_s}v{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}=\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}V{\left(K{T}_s\right)}^2{T}_s=\frac{1}{T_s}\underset{K=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{VCC}\×T_{\mathrm{on}}^K)}^2---\left(10\right)$

因而有：

$V_{\mathrm{rms}}=\mathrm{VCC}\sqrt{\frac{1}{T\×T_s}\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(T_{\mathrm{on}}^K\right)}^2}---\left(11\right)$

如果将作为积分电路1的输入信号，则得到的第K个开关周期内积分电路1输出信号为：

$v_{o1}^K\left(\mathrm{\τ}\right)=V_{o1}^K\left(0\right)+{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\α}}_1\×V_{\mathrm{PWM}}^K\mathrm{d\υ},\mathrm{\τ}\∈\[0,T_s\]---\left(12\right)$

其中，为第K个开关周期内积分电路1的输出信号，为第K个开关周期内积分电路1开始积分时电路输出的初始值，α₁为积分电路1的积分系数，为的时间。由于积分电路1在每个开关周期内积分时，初始值均要复位为0，所以确整理(12)可得：

$v_{o1}^K\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\α}}_1\×V_{\mathrm{PWM}}^K\mathrm{d\υ},\mathrm{\τ}\∈\[0,T_s\]---\left(13\right)$

再将作为积分电路2的输入信号，则得到的第K个开关周期内积分电路2输出信号为：

$v_{o2}^K\left(t\right)=V_{o2}^K\left(0\right)+{\∫}_0^t({\mathrm{\α}}_2\×{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\α}}_1\×V_{\mathrm{PWM}}^K\mathrm{d\υ})\mathrm{d\τ},t\∈\[0,T_s\]---\left(14\right)$

其中，为第二个积分电路在第K个信号周期的初始值，α₂为积分电路2的积分系数。当第K个信号周期的初始值为第K-1个信号周期的输出值即则在第K个信号周期结束时，则有：

$v_{02}^K\left(K{T}_s\right)=V_{o2}^K\left(0\right)+{\∫}_0^t({\mathrm{\α}}_2\×{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\α}}_1\×V_{\mathrm{PWM}}^K\mathrm{d\υ})\mathrm{d\τ}=V_{o2}^K\left(0\right)+\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\mathrm{VCC}{\left(T_{\mathrm{on}}^K\right)}^2---\left(15\right)$

所以有：

$\begin{array}{c}{v}_{02}^K\left(K{T}_s\right)=V_{o2}^K\left(0\right)+\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\mathrm{VCC}{\left(T_{\mathrm{on}}^K\right)}^2\\ =V_{02}^{K-1}\left(\right(K-1\left)T_s\right)+\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\mathrm{VCC}{\left(T_{\mathrm{on}}^K\right)}^2\\ =V_{02}^{K-1}\left(0\right)+\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\mathrm{VCC}{\left(T_{\mathrm{on}}^{K-1}\right)}^2+\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\mathrm{VCC}{\left(T_{\mathrm{on}}^K\right)}^2\\ .\\ .\\ .\\ =V_{02}^1\left(0\right)+\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\mathrm{VCC}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left(T_{\mathrm{on}}^i\right)}^2\end{array}---\left(16\right)$

当则：

$v_{02}^K\left(K{T}_s\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\mathrm{VCC}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left(T_{\mathrm{on}}^i\right)}^2---\left(16\right)$

如果将作为采样保持电路输入端，则采样保持电路的输出端信号v_H在t＝NT_s时为：

$v_H\left(N{T}_s\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\mathrm{VCC}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(T_{\mathrm{on}}^i\right)}^2---\left(17\right)$

联立公式(11)和(17)可得：

$V_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\mathrm{VCC}}{T\×T_s}\×\frac{2v_H\left(N{T}_s\right)}{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2}}---\left(18\right)$

当时，则：

$V_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{v_H\left(N{T}_s\right)}{T}}---\left(18\right)$

因而可以通过采集积分电路的输出电压v_o(NT_s)和v(t)的周期T即可求出有效值V_rms。当应用定时电路测量信号v(t)的周期时，则定时器的输出信号v_T即为周期T，所以公式(18)为：

$V_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{v_H\left(N{T}_s\right)}{v_T}}---\left(19\right)$

基于以上原理，本实用新型提供了一种交流信号有效值测量装置，如图2所示，包括绝对值变换电路、高频三角波发生电路、PWM信号调制电路、前端积分电路、后端积分电路、复位电路、采样保持电路、除法电路、开方电路和定时电路。

绝对值变换电路的输入端与待测信号相连，绝对值变换电路的输出端与PWM信号调制电路的输入端相连；绝对值变换电路用于将待测信号v(t)进行绝对值变换得到|v(t)|，绝对值变换电路的其中一种实现方式是用四个二极管组成全波整流电路。

高频三角波发生电路的输出端与PWM信号调制电路的输入端相连；高频三角波发生电路用于产生高频三角载波v_c(t)。

PWM信号调制电路用于将输入的|v(t)|和v_c(t)进行PWM调制得到信号PWM信号调制电路的其中一种实现方式是用一个比较器组成比较电路实现PWM信号调制。

PWM信号调制电路、前端积分电路、后端积分电路与采样保持电路依次串联。

前端积分电路将信号作为输入信号，当时，前端积分电路通过R2、C1、R3、C2和运算放大器1组成的正向积分电路对进行积分得到信号满足其中VCC为开关电源；为的时间；α₁为前端积分电路的积分系数，由R2、C1、R3、C2决定；前端积分电路的输出信号作为后端积分电路的输入信号。

后端积分电路将前端积分电路的输出信号作为输入信号，当时，后端积分电路通过R5、C3、R6、C4和运算放大器2组成的正向积分电路对进行积分得到信号满足其中α₂为后端积分电路的积分系数，由R5、C3、R6、C4决定；为后端积分电路在第K个信号周期的初始值；后端积分电路的输出信号作为后端的采样保持电路的输入信号。

复位电路与前端积分电路和后端积分电路均相连，用于使前端积分电路和后端积分电路恢复到初始状态。复位电路的一种典型实现方式是：由电阻R1、三极管Q1、电阻R4、场效应管M1、场效应管M2和场效应管M3组成。当时，三极管Q1截止，N沟道场效应管M1、M2和M3上的栅源极上的电压v_gs＝0，所以场效应管M1、M2和M3截止；当时，三极管Q1导通，N沟道场效应管M1、M2和M3上的栅源极上的电压v_gs≈VCC，所以场效应管M1、M2和M3导通，将电容C1、C2、C3上存储的电荷快速释放，使得电容C1、C2、C3两端的电压为零和而电容C4两端的电压则保持不变；

定时电路包括零电压比较电路、脉冲信号发生电路和带锁存功能的定时器；零电压比较电路用于将待测信号v(t)和基准正电压δ(比如δ＝0.01V或δ＝0.001V，由用户根据实际情况设定)分别接到比较器的正向输入端和反向输入端，得到比较信号v_q(t)，其周期和v(t)相同为T。零电压比较电路的输出端与脉冲信号发生电路相连，v_q(t)触发脉冲信号发生电路得到脉冲信号v_p(t)。v_p(t)触发带锁存功能的定时器输出定时周期v_T，连接到除法电路的除数输入端。与此同时，v_P(t)还与采样保持电路相连，用于触发采样保持电路，使得确保在第N+1个周期开始时，的初始值为零。

采样保持电路将后端积分电路的输出信号作为输入信号，将脉冲信号发生电路的输出信号v_p(t)的上升沿触发锁存。由于v_p(t)的周期与信号v(t)的周期一致为T，所以在t＝NT时(N为大于0的正整数)，采样保持电路将输入信号锁存到输出端，即采样保持电路的输出信号由于在每个周期积分开始时，即v_p(t)脉冲上升沿时刻，场效应管M4和M5导通，确保在每个周期T开始时，的初始值为零。所以，(其中T＝KT_s)；采样保持电路的输出信号v_H(NT)作为后面除法电路的被除数输入信号。

除法电路用于实现v_H(NT)除以v_T，得到并作为开方电路的输入。开方电路用于实现对输入的信号进行开方运算，得到

本实用新型所述交流信号有效值测量装置的工作原理和过程为：

高频三角波发生电路产生周期为T_s的三角波v_c(t)作为载波，与绝对值变换电路的输出信号|v(t)|输入PWM信号调制电路进行PWM信号调制得到对应的信号前端积分电路和后端积分电路将输入的进行积分得到采样保持电路对进行采样保持得到v_H。

定时电路将交流信号v(t)整形为矩形波v_q(t)，并将v_q(t)的上升沿作为脉冲信号发生电路的触发信号得到脉冲信号v_p(t)；带锁存功能的定时器电路用于获取交流信号v(t)的周期T，其输出量为v_T；除法电路及开方电路用于对输入的信号v_H和v_T进行除法和开方运算得到有效值

本实用新型所述交流信号有效值测量装置的一种实现方式如图3所示，主要包括三角波信号发生器、绝对值电路、比较器1、比较器2、脉冲信号发生电路、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电容C1、C2、C3、C4，三极管Q1、MOS管M1、M2、M3、M4、M5、乘法器、运放1、运放2、延时单元delay、采样保持电路、带输出锁存的定时器、除法电路和开方电路。该电路的工作原理为：

①待测交流周期信号v(t)经过绝对值电路得到|v(t)|，并与三角波发生器产生的高频三角波信号v_c(t)经过比较器2进行比较得到PWM调制信号

②电阻R2、电容C1、电阻R3、电容C2和运放1组成前端积分电路，对信号在第K个开关周期进行积分，得到电阻R1、三极管Q1、电阻R4、N沟道MOS管M1、M2组成复位电路，实现为低电平时，M1和M2导通将电容C1和C2放电，实现的初始值为零；

③电阻R5、电阻R6、电容C3、电容C4和运放2组成后端积分电路，实现对进行正向积分得到N沟道MOS管M3、M4组成复位电路实现当v_p(t)出现脉冲并经过延时单元delay进行很短时间的延时后，将电容C3和C4放电复位。由于v_p(t)脉冲周期与信号v(t)周期相同，因而可以保证在一个周期T内的有效值计算时，

④比较器1实现将交流周期信号v(t)整形为矩形波信号v_q(t)，其中δ为任意小的正电压，由用户设定(比如δ＝0.01V或δ＝0.001V等)。v_q(t)的上升沿用于触发脉冲信号发生电路，产生脉冲信号v_p(t)，该脉冲信号的周期和交流周期信号v(t)的周期相同。v_p(t)主要用于以下几个方面：一、触发采样保持电路，实现在时间为t＝nT时，对积分电路的输出信号进行采样保持，得到v_H；二、经过极短时间的延时即信号进行采样保持之后，触发N沟道MOS管M3、M4和M5导通，复位电容C3和C4；

三、触发带锁存功能的定时器，得到交流周期信号v(t)的周期值即v_T；

除法电路对输入信号v_H和v_T进行运算得到再经过开方电路得到有效值

本实用新型可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本实用新型的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (1)

1.一种交流信号有效值测量装置，其特征在于，包括绝对值变换电路、高频三角波发生电路、PWM信号调制电路、前端积分电路、后端积分电路、复位电路、采样保持电路、除法电路、开方电路和定时电路；

绝对值变换电路的输入端与待测信号相连，绝对值变换电路的输出端与PWM信号调制电路的输入端相连；绝对值变换电路用于将待测信号v(t)进行绝对值变换得到|v(t)|；高频三角波发生电路的输出端与PWM信号调制电路的输入端相连；高频三角波发生电路用于产生高频三角载波v_c(t)；

PWM信号调制电路用于将输入的|v(t)|和v_c(t)进行PWM调制得到信号PWM信号调制电路、前端积分电路、后端积分电路与采样保持电路依次串联；

复位电路与前端积分电路和后端积分电路均相连，用于使前端积分电路和后端积分电路恢复到初始状态；

定时电路包括零电压比较电路、脉冲信号发生电路和带锁存功能的定时器；采样保持电路将后端积分电路的输出信号作为输入信号，将脉冲信号发生电路的输出信号v_p(t)的上升沿触发锁存；采样保持电路的输出信号v_H(NT)作为后面除法电路的被除数输入信号。