CN208399591U - 一种用于功率计的同步源自动选择电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于功率计的同步源自动选择电路，包括电源、外接电压输入信号、外接电流输入信号、通道选择电路、输入信号频率调理电路、锁相环倍频电路、输入信号检测电路以及通道切换控制电路。本实用新型通过选频网络的输出电平信号判断输入通道信号的有无，并利用此输出电平信号与逻辑门电路相运算实现对通道选择模拟开关的快速、准确、实时控制，从而以硬件方式实现对电压通道与电流通道的自动切换与检测，解决了传统以软件方式实现对电压通道与电流通道的控制所带来的软件运行不稳定、ADC采样触发不及时等缺陷，同时可以实现自动优选失真小、波形稳定的通道信号作为PLL锁相环的输入信号，一定程度上提高了数字功率计测量的效率与准确度。

Description

一种用于功率计的同步源自动选择电路

技术领域

本实用新型涉及电子测量领域，尤其是一种用于功率计的同步源自动选择电路。

背景技术

随着现代电力电子行业的飞速发展,电源类、负载类产品越来越多，大部分电力电子系统都离不开电源、负载，由于电源的转换效率、负载功耗等相关问题直接影响相关产品的性能，这就需要用专用的测量仪器检测这些系统的能耗使用情况，因此对于家电制造厂商使用数字功率计对电源产品、家电产品的检测的需求加大；对数字功率计检测产品速度要求也进一步提高。

数字功率计需要同时采样整周期内输入电压、电流信号的瞬时值，利用数值计算公式通过整周期的采样瞬时值计算输入电压、电流的有效值、峰值、功率及功率因数等其它数值，最终通过计算值定性分析被测件的性能指标。

为了完整准确的采样到整周期内输入电压、电流信号的瞬时值，数字功率计主要采用以下两种方式：第一种基于定时器的软件控制方式，专利CN201621367496.7“一种减小功率计算误差的装置”，采用了双A/D的单片机对电压与电流信号进行同步采样，该专利实际操作中，采样方式为定时器采样，必须根据所采样信号的频率及对一个采样周期所需求的采样点的个数来确定定时器的定时周期，通过定时器触发ADC采样完成整周期瞬时值采样；第二种基于PLL锁相环硬件电路的软件控制方法，此方式首先需通过频率检测电路检测电压通道输入信号频率值，若存在电压信号则将电压通道的频率信号作为PLL锁相环的同步源，若不存在则切换频率检测电路到电流通道，若存在电流信号则将电流通道的频率信号作为PLL锁相环的同步源，若不存在则默认将电压通道的频率信号作为PLL锁相环的同步源，PLL锁相环通过倍频电路将同步源的倍频后信号作为ADC的采样触发同步信号。

但是由于软件程序存在运行的不稳定性，并且对于频率较高的输入信号，定时器的定时时间较短，存在定时时延、定时精度降低的不足，同时此定时器采样方式受限于输入信号频率的限制，必须根据输入信号频率准确配置定时周期，取样点数；PLL锁相环硬件电路方法同样需要软件计算方式测量输入信号频率，从而判断输入信号有无；这些不足一方面影响ADC采样及时性与准确性，另一方面测量频率信号额外花费测量时间，影响仪器测试速度，有违客户生产线上对于测试速度的需求。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种用于功率计的同步源自动选择电路，主要用于数字功率计及其它需要利用锁相环进行输入信号同步送入ADC精确采样的领域。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于功率计的同步源自动选择电路，包括电源、外接电压输入信号、外接电流输入信号、通道选择电路、输入信号频率调理电路、锁相环倍频电路、输入信号检测电路以及通道切换控制电路；所述的外接电压输入信号、外接电流输入信号连接通道选择电路的输入端；所述通道选择电路的输出端连接输入信号频率调理电路的输入端；输入信号频率调理电路的输出端连接锁相环倍频电路、输入信号检测电路的输入端；所述输入信号检测电路的输出端连接通道切换控制电路的输入端；通道切换控制电路的输出端连接通道选择电路的控制端；所述的锁相环倍频电路的输出作为ADC采样的触发信号。

进一步的说，本实用新型所述的电源为通道选择电路、输入信号频率调理电路、锁相环倍频电路以及输入信号检测电路供电。

再进一步的说，本实用新型所述的通道选择电路包括第一模拟开关，第一模拟开关的两个输入端分别连接外接电压输入信号、外接电流输入信号。

再进一步的说，本实用新型所述的输入信号频率调理电路将输入的周期信号调理为同频率的方波信号；输入信号频率调理电路包括电源+5V，第一电阻，第一电容，第一对二极管，第二电阻，第三电阻，第二电容，第一运算放大器，第一稳压管，第二稳压管，第四电阻，第三电容，第二对二级管，第五电阻，第二运算放大器，第六电阻，第七电阻，第四电容；第一电阻的一端连接第一模拟开关的输出端，第一电阻的另一端连接第一电容、第一对二级管、第二电容、第三电阻的一端、第一稳压管的阳极，第一电阻的另一端同时连接第一运算放大器的反向端，第一对二级管的另一端连接第二电阻的一端，第一对二级管的另一端同时连接第一运算放大器的同向端，第二电阻的另一端连接数字信号地GND，第一稳压管的阴极连接第二稳压管阳极，第一运算放大器的输出端连接第二电容、第三电阻的另一端、第二稳压管的阳极，第一运算放大器的输出端同时连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接第三电容、第二对二级管的一端，第四电阻的另一端同时连接第二运算放大器的同向端，第三电容的另一端连接数字信号地GND，第二对二级管的另一端连接第五电阻的一端，第二对二级管的另一端同时连接第二运算放大器的反向端，第五电阻的另一端连接数字信号地GND，第二运算放大器的输出端连接第六电阻、第七电阻的一端，第六电阻的另一端连接电源+5V，第七电阻的另一端连接第四电容的一端，第四电容的另一端连接数字信号地GND。

再进一步的说，本实用新型所述的输入信号检测电路包括LM567音频解码器，输入信号检测电路检测是否存在指定带宽内的输入信号；包括电源+5V，第五电容，第八电阻，第三稳压管，第四稳压管，第九电阻，第十电阻，第十一电阻，第三运算放大器，第十二电阻，第十三电阻，第六电容，第七电容，第八电容，第九电容，第一音频解码器，第十四电阻，第十五电阻，第十电容；第五电容的一端连接第四电容的一端，第五电容的另一端连接第八电阻的一端，第八电阻的另一端连接第三稳压管的阴极、第四稳压管的阳极、第九电阻的一端，第八电阻的另一端同时连接第三运算放大器的反向端，第三稳压管的阳极连接数字信号地GND，第四稳压管的阴极连接数字信号地GND，第九电阻的另一端连接数字信号地GND，第十电阻的一端连接数字信号地GND，第十电阻的另一端连接第十一电阻的一端，第十电阻的另一端同时连接第三运算放大器的同向端，第三运算放大器的输出端连接第十一电阻的另一端，第三运算放大器的输出端同时连接第十二电阻的一端，第十二电阻的另一端连接第六电容的一端，第六电容的另一端连接第一音频解码器的3脚端，第八电容的一端连接数字信号地GND，第八电容的另一端连接第一音频解码器的2脚端，第九电容的一端连接数字信号地GND，第九电容的另一端连接第一音频解码器的1脚端，第十三电阻的一端连接电源+5V，第十三电阻的另一端连接第一音频解码器的4脚端，第十三电阻的另一端同时连接第七电容的一端，第七电容的另一端连接数字信号地GND，第十四电阻的一端连接电源+5V，第十四电阻的另一端连接第一音频解码器的8脚端，第一音频解码器的7脚端连接数字信号地GND，第十五电阻的一端连接第一音频解码器的5脚端，第十五电阻的另一端连接第一音频解码器的6脚端，第十五电阻的另一端同时连接第十电容的一端，第十电容的另一端连接数字信号地GND。

再进一步的说，本实用新型所述的通道切换控制电路包括异或门电路，所述异或门电路的一个输入端连接音频解码器的输出端，异或门电路的另一输入端连接异或门的输出端；通道切换控制电路根据输入信号检测电路输出的信号与当前第一模拟开关的控制信号进行逻辑运算，产生的输出信号继续用于控制通道选择电路的模拟开关的切换。

再进一步的说，本实用新型所述的锁相环倍频电路部分负责将输入信号频率调理电路所获得的频率信号调理为指定倍数的频率信号作为ADC采样的触发信号，包括电源+5V，第一计数器，第十一电容，第一锁相环，第十六电阻，第十七电阻，第十八电阻，第十九电阻，第十二电容；第一计数器的16脚端连接电源+5V，第一计数器的8脚端、11脚端连接数字信号地GND，第一计数器的13脚端连接第一锁相环的3脚端，第一计数器的10脚端连接第一锁相环的4脚端，第一锁相环的5脚端、8脚端连接数字信号地GND，第十一电容的一端连接第一锁相环的6脚端，第十一电容的另一端连接第一锁相环的7脚端，第一锁相环的16脚端连接电压+5V，第十六电阻的一端连接第一锁相环的13脚端，第十六电阻的另一端连接第一锁相环的9脚端，第十六电阻的另一端同时连接第十九电阻的一端，第十七电阻的一端连接第一锁相环的12脚端，第十七电阻的另一端连接第十八电阻的一端，第十七电阻的另一端同时连接数字信号地GND，第十八电阻的另一端连接第一锁相环的11脚端，第十九电阻的另一端连接第十二电容的一端，第十二电容的另一端连接数字信号地GND。

电压输入信号或者电流输入信号通过第一模拟开关进行选择，第一电阻与第一电容组成RC低通滤波电路，第一对二级管对第一运算放大器的同向端与反向端进行保护，第二电阻、第三电阻、第二电容、第一稳压管、第二稳压管、第一运算放大器组成放大电路，放大与稳压后产生输出信号Vsg1；第四电阻、第三电容组成RC滤波电路，第一运算放大器的输出信号经过RC滤波以后送入第二运算放大器的同向端，第二对二级管、第五电阻、第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第四电容搭建成过零比较电路，比较电路输出信号Vsg2；比较器输出的信号Vsg2一方面送入输入信号检测电路部分，经第五电容、第八电阻送入第三运算放大器反向端，第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第三运算放大器组成反向放大电路，放大后产生输出信号Vsg3；第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第一音频解码器组成输入信号检测电路对Vsg3信号进行检测，检测结束产生输出信号Vsg4；第一异或门芯片构成通道切换控制电路对输出信号Vsg4与第一模拟开关控制信号进行逻辑运算，运算结果产生输出信号Vsg5，同时输出信号Vsg5又作为第一异或门的一个输入信号，此输出信号Vsg5送入通道选择电路实现对第一模拟开关的控制；比较器输出的信号Vsg2另一方面送入锁相环倍频电路部分，第一计数器、第一锁相环、第十一电容、第十二电容、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻共同组成锁相环倍频电路，对输入信号Vsg2进行倍频输出Vsg6信号，作为ADC采样触发信号。

再进一步的说，本实用新型所述的第一模拟开关首先选择电压输入信号经过第一运算放大器组成的放大电路产生输出信号Vsg1，信号Vsg1经过第二运算放大器组成的过零比较电路产生输出信号Vsg2；

若电压输入信号存在，则信号Vsg2为同频率的方波信号，输出信号Vsg2经第三运算放大器组成的放大电路输出与输入信号Vsg2同频不同幅的输出信号Vsg3送入第一音频解码器电路；输出信号Vsg3通过第一音频解码器电路输出低电平信号Vsg4，低电平信号Vsg4与低电平信号Vsg5逻辑运算输出低电平信号Vsg5控制第一模拟开关继续选择电压通道信号；若电压输入信号不存在，则信号Vsg2为固定电平输出信号，信号Vsg2经第三运算放大器组成的放大电路输出与输入信号Vsg2不同幅的固定电平输出信号Vsg3，信号Vsg3通过第一音频解码器电路输出高电平信号Vsg4，高电平信号Vsg4与低电平信号Vsg5逻辑运算输出高电平信号Vsg5控制第一模拟开关切换选择电流通道信号。

再进一步的说，若电流输入信号存在，则信号Vsg2为同频率的方波信号，信号Vsg2经第三运算放大器组成的放大电路输出与输入信号Vsg2同频不同幅的输出信号Vsg3，信号Vsg3通过第一音频解码器电路输出低电平信号Vsg4，低电平信号Vsg4与高电平信号Vsg5逻辑运算输出高电平信号Vsg5控制第一模拟开关继续选择电流通道信号；若电流输入信号不存在，则信号Vsg2为固定电平输出信号，信号Vsg2经第三运算放大器组成的放大电路输出与输入信号Vsg2不同幅的固定电平输出信号Vsg3，信号Vsg3通过第一音频解码器电路输出高电平信号Vsg4，高电平信号Vsg4与高电平信号Vsg5逻辑运算输出低电平信号Vsg5控制第一模拟开关切换选择电压通道信号。

本实用新型的工作原理是：通过选用一种音调解码器芯片LM567，搭配外围器件组建一种选频网络，当其接收到一个位于所选频率带内的输入信号时，内部开关接通，输出固定电平；通过选频网络的输出电平信号判断输入通道信号的有无，并利用此输出电平信号与逻辑门电路相运算实现对通道选择模拟开关的快速、准确、实时控制，从而以硬件方式实现对电压通道与电流通道的自动切换与检测，解决了传统以软件方式实现对电压通道与电流通道的控制所带来的软件运行不稳定、ADC采样触发不及时等缺陷，同时可以实现自动优选失真小、波形稳定的通道信号作为PLL锁相环的输入信号，一定程度上提高了数字功率计测量的效率与准确度。

本实用新型的有益效果是：无需软件编程参与，可以以硬件方式实现同步源的自动选择切换，使锁相倍频速度更快，提高ADC采样触发信号的准确性与实时性，避免了软件方式所存在的程序运行不稳定，程序运行的时延导致触发采样不准确等问题，提高了仪器的测量效率与准确度。

附图说明

图1是本实用新型的电路结构原理框图；

图2是本实用新型的电路原理图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示为一种用于功率计的同步源自动选择电路，包括电源，外接电压输入信号，外接电流输入信号，通道选择电路，输入信号频率调理电路，锁相环倍频电路，输入信号检测电路，通道切换控制电路。外接电压输入信号、外接电流输入信号连接通道选择电路的输入端；通道选择电路的输出端连接输入信号频率调理电路的输入端；输入信号频率调理电路的输出端连接锁相环倍频电路、输入信号检测电路的输入端；输入信号检测电路的输出端连接通道切换控制电路的输入端；通道切换控制电路的输出端连接通道选择电路的控制端；锁相环倍频电路的输出作为ADC采样的触发信号。

电路图如图2所示：

通道选择电路基于一个模拟开关对电压输入通道与电流输入通道选择，将模拟开关输出的信号送入输入信号频率调理电路部分；输入信号频率调理电路主要基于一个运算放大器电路与过零比较器电路构建，若输入周期信号存在，则转换成同频率的方波信号输出，若输入周期信号不存在，则稳定电平输出，一方面将输出信号送入输入信号检测电路部分的输入端，另一方面将输出信号送入锁相环倍频电路部分的输入端；输入信号检测电路主要由运算放大器与音频解码器构建，检测输入信号检测电路部分送入的信号存在与否，并将输出检测结果信号送入通道切换控制电路部分的输入端；通道切换控制电路基于一个异或门电路实现，实现输入信号检测电路部分的输出信号与通道选择电路部分的控制信号逻辑运算作为输出信号，输出信号送入通道选择电路作为模拟开关的最新控制信号；锁相环倍频电路主要基于计数器与锁相环电路搭建，将输入信号频率调理电路的输出信号倍频输出，作为ADC采样的触发信号。

如附图2所示，U1是四选一模拟开关型号为74HCT4052，U2是集成运算放大器芯片型号为LF353，U3是比较器芯片型号为LM311，U4是集成运算放大器芯片型号为AD8512，U5是音频解码器型号为LM567，U6是与或门逻辑芯片型号为74HC86，U7是计数器芯片型号为74HC4040D，U8是锁相环芯片型号为74HC4046，R1至R19是电阻，C1至C12是电容，D1至D2是保护二极管对型号是BAV99，W1至W4是稳压管型号为LM385-1.2V。

工作过程：

U1模拟开关根据控制信号选择电压或电流输入信号V1，假设首先选择电压通道信号，因此模拟开关控制信号为低电平，R1、C1、D1、R2、W1、W2、C2、R3、U2组成反向比例运算放大器，输出信号与输入信号的运算关系为：

若电压通道存在周期电压信号，由于稳压管W1、W2的作用，放大电路U2的输出被钳位在±1.2V，所以放大电路U2的输出为同相周期幅值为1.2V的方波信号；R4、C3、D2、R5、U3、R6、R7、C4组成过零比较电路，运算放大器U3的输出为与输入信号相同周期幅值为0-5V的方波信号；C5为滤波电容，起到隔直通交的作用；R8、W3、W4、R9、R10、R11、U4组成反向比例运算放大器，输出信号与输入信号的运算关系为：

所以运算放大器U4的输出为与输入信号相同周期幅值为200mV的方波信号；C6、C7、C8、C9、C10、R12、R13、R14、R15、U5组成音频解码器电路，通过外围电阻、电容的组合可以检测窄带内信号的存在与否，音频解码器设定检测输入信号中心频率的公式如下：

振荡器中心频率为

f0＝1.1/(R15×C12) (3)

根据公式(1)可得电容C12的值为

C12＝1.1/(f0×R15) (4)

这里电阻的单位(KΩ)，电容的单位(uF)，f0的单位(KHz)，电阻R15的值应在2至20KΩ范围内，然后再由(4)确定电容C10的值；C9主要用于确定音频解码器的检测带宽，增加C9的值可以减小带宽，减小C9的值可以增加带宽，C10主要用于确定输出开关延时，一般C10大致为C9的2倍，C9一般为C12的2倍，在此根据电路阻容元器件值可以确定振荡器中心频率：

f0＝1.1/(R15×C12)＝1.1/(4.7KΩ×4.7uF)≈0.05KHz＝50Hz

如果输入周期信号存在则输出稳定低电平信号，输入周期信号不存在则输出固定高电平信号，在此由于电压通道信号存在则音频解码器U5输出低电平；U6逻辑芯片将音频解码器的输出信号与模拟开关U1的控制信号相异或运算，作为模拟开关U1的最新控制信号，逻辑运算真值表如下所示：

A	B	C
			0	0	0
0	1	1
			1	0	1
1	1	0

A：逻辑运算前模拟开关控制信号

B：音频解码器输出信号

C：逻辑运算后模拟开关控制信号

由于逻辑运算前模拟开关U1的控制信号为低电平，且音频解码器U5的输出信号为低，则U6输出信号为低，模拟开关U1不发生动作，继续选择电压通道；U7与U8组成的锁相环倍频电路以U3输出的方波信号为输入信号进行倍频输出作为ADC采样触发信号。

若电压通道不存在周期电压信号，放大电路U2的输出为稳定直流电平信号；运算放大器U3的输出为稳定直流电平信号；由于运算放大器U4的输出同样为稳定直流电平信号，因此C6、C7、C8、C9、C10、R12、R13、R14、R15、U5组成音频解码器电路无法检测到指定窄带内的信号，所以音频解码器U5输出高电平；由于逻辑运算前模拟开关的控制信号为低电平，且音频解码器的输出信号为高电平，则U6输出电平信号，模拟开关U1发生动作，切换通道选择电流信号。

若电流通道存在周期电流信号，由于稳压管W1、W2的作用，放大电路U2的输出被钳位在±1.2V，所以放大电路U2的输出为同相周期幅值为1.2V的方波信号；运算放大器U3的输出为与输入信号相同周期幅值为0-5V的方波信号；运算放大器U4的输出为与输入信号相同周期且幅值为200mV的方波信号；在此由于电流通道信号存在则音频解码器U5输出低电平，由于逻辑运算前模拟开关U1的控制信号为高电平，且音频解码器的输出信号为低电平，则U6输出高电平信号，模拟开关U1不发生动作，继续选择电流通道；U7与U8组成的锁相环倍频电路以U3输出的方波信号为输入信号进行倍频输出作为ADC采样触发信号。

若电流通道不存在周期电流信号，放大电路U2的输出为稳定直流电平信号；运算放大器U3的输出为稳定直流电平信号；由于运算放大器U4的输出同样为稳定直流电平信号，因此C6、C7、C8、C9、C10、R12、R13、R14、R15、U5组成音频解码器电路无法检测到指定窄带内的信号，所以音频解码器电路输出高电平；由于逻辑运算前模拟开关U1的控制信号为高电平，且音频解码器的输出信号为高电平，则U6输出低电平信号，模拟开关U1发生动作，切换通道选择电压信号。

于是通过音频解码器电路检测输入通道是否存在输入信号，利用异或门逻辑芯片的逻辑运算结果实现对电压或电流通道的硬件电路自动选择功能，达到实时、快速、精准的测量效果。

以上说明书中描述的只是本实用新型的具体实施方式，各种举例说明不对本实用新型的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离实用新型的实质和范围。

Claims (7)

1.一种用于功率计的同步源自动选择电路，其特征在于：包括电源、外接电压输入信号、外接电流输入信号、通道选择电路、输入信号频率调理电路、锁相环倍频电路、输入信号检测电路以及通道切换控制电路；所述的外接电压输入信号、外接电流输入信号连接通道选择电路的输入端；所述通道选择电路的输出端连接输入信号频率调理电路的输入端；输入信号频率调理电路的输出端连接锁相环倍频电路、输入信号检测电路的输入端；所述输入信号检测电路的输出端连接通道切换控制电路的输入端；所述通道切换控制电路的输出端连接通道选择电路的控制端；所述的锁相环倍频电路的输出作为ADC采样的触发信号。

2.如权利要求1所述的一种用于功率计的同步源自动选择电路，其特征在于：所述的电源为通道选择电路、输入信号频率调理电路、锁相环倍频电路以及输入信号检测电路供电。

3.如权利要求1所述的一种用于功率计的同步源自动选择电路，其特征在于：所述的通道选择电路包括第一模拟开关，第一模拟开关的两个输入端分别连接外接电压输入信号、外接电流输入信号。

4.如权利要求1所述的一种用于功率计的同步源自动选择电路，其特征在于：所述的输入信号频率调理电路将输入的周期信号调理为同频率的方波信号。

5.如权利要求1所述的一种用于功率计的同步源自动选择电路，其特征在于：输入信号检测电路包括LM567音频解码器，输入信号检测电路检测是否存在指定带宽内的输入信号。

6.如权利要求1所述的一种用于功率计的同步源自动选择电路，其特征在于：所述的通道切换控制电路包括异或门电路，所述异或门电路的一个输入端连接音频解码器的输出端，异或门电路的另一输入端连接异或门的输出端；通道切换控制电路根据输入信号检测电路输出的信号与当前第一模拟开关的控制信号进行逻辑运算，产生的输出信号继续用于控制通道选择电路的模拟开关的切换。

7.如权利要求1所述的一种用于功率计的同步源自动选择电路，其特征在于：所述的锁相环倍频电路将输入信号频率调理电路所获得的频率信号调理为指定倍数的频率信号，并作为ADC采样的触发信号。