CN209296808U - 一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，包括：信号输入端子、第一运算放大单元、第二运算放大单元、第三运算放大单元、第一AD采样单元、第二AD采样单元、DA转换单元、加法运算单元和CPU；本实用新型采用波形抵消的加法运算单元进行选频测量，实现了在强干扰环境下准确测量微弱的异频信号，且达到了电路设计难度和复杂度低，信号处理程序简单，设备功耗低的效果。

Description

一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置

技术领域

本实用新型涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置。

背景技术

异频电压和电流测量技术在电力系统建设和测试中有重要作用，比如在电力设备接地性能测量中，通过测量使用人工注入的异频电流得到接地网的参数。但在大多数异频信号测量过程中，不可避免地存在50Hz工频干扰，并且这一干扰强度往往远大于待测异频信号，为了克服50Hz工频信号干扰，研究者已经开发了多种算法或者电路，包括最早期基于开关电容滤波技术的测试设备、基于软件滤波算法的测试电路，基于锁相放大器的测量电路等。这些设备或者算法的基本原理是通过极窄带滤波其或者极窄带陷波器滤除50Hz工频干扰，而仅仅留下待测异频信号，然后通过信号的幅度相位测量实现干扰条件下的异频信号精确测量。

除此之外，还有另一类测量系统，基于数字信号滤波或者频谱分解，得到各个频率成分的幅度和相位，其中就包含了待测的异频信号幅度相位数据。其中使用傅立叶变换的算法本质上等价于使用冲激响应为sinc函数的数字滤波算法，因此他们可以看成是同一类算法。

为了能够在50Hz工频强干扰信号中，精确测量弱异频信号，上述第一类测量电路需要实现高Q值并且高稳定的滤波器，从而增加了电路设计难度和复杂度。第二种方案直接测量带有干扰的信号，硬件简单，但由于干扰通常远高于被测信号，需要极窄带的高阶数字滤波器，并且对于实时测量需要大量运算，要求测量运算设备配备高速DSP，信号处理程序复杂，设备功耗大。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，达到了电路设计难度和复杂度低，信号处理程序简单，设备功耗低的效果。

本实用新型提供了一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，包括：

信号输入端子、第一运算放大单元、第二运算放大单元、第三运算放大单元、第一AD采样单元、第二AD采样单元、DA转换单元、加法运算单元和CPU；

所述信号输入端子的输出端分别与所述第一运算放大单元的输入端和所述第二运算放大单元的输入端连接；

所述第一运算放大单元的输出端与所述第一AD采样单元的输入端连接；

所述第一AD采样单元的输出端与所述CPU的第一输入端连接；

所述第二运算放大单元的输出端与所述加法运算单元的第一输入端连接；

所述加法运算单元的输出端与所述第二AD采样单元的输入端连接；

所述第二AD采样单元的输出端与所述CPU的第二输入端连接；

所述CPU的输出端与所述DA转换单元的输入端连接；

所述DA转换单元的输出端与所述第三运算放大单元的输入端连接；

所述第三运算放大单元的输出端与所述加法运算单元的第二输入端连接；

所述CPU用于对所述第一AD采样单元输入的第一信号进行运算，得到所述第一信号的第一波形，并输出与工频信号反向，与所述第一信号同向波形的第二信号并输出至所述DA转换单元；

所述DA转换单元用于将所述第二信号通过所述第三运算放大器输出至所述加法运算单元中，由所述加法运算单元将所述第二信号和通过所述第二运算放大器输出的第三信号相加抵消工频干扰信号。

可选地，还包括滤波单元；

所述滤波单元的输入端与所述信号输入端子的输出端连接；

所述滤波单元的输出端分别与所述第一运算放大单元的输入端连接和所述第二运算放大单元的输入端连接。

可选地，还包括量程自动切换单元；

所述量程自动切换单元的输入端与所述滤波单元的输出端连接；

所述量程自动切换单元的输出端分别与所述第一运算放大单元的输入端连接和所述第二运算放大单元的输入端连接；

所述量程自动切换单元的受控端与所述CPU的控制端连接。

可选地，所述量程自动切换单元包括：

至少两个电阻，至少两个所述电阻之间串联；

和至少一个设置于每两个所述电阻之间的继电器；

所述继电器的受控端与所述CPU的控制端连接。

可选地，还包括缓冲放大单元；

所述缓冲放大单元的输入端与所述量程自动切换单元的输出端连接；

所述缓冲放大单元的输出端分别与所述第一运算放大单元的输入端连接和所述第二运算放大单元的输入端连接。

从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：

本实用新型通过信号输入端子将待测异频信号分别输入至第一运算放大单元和第二运算放大单元中，第一运算放大单元对待测异频信号进行放大后输出至第一AD采样单元中，变成第一数字信号后输出至CPU进行运算，通过CPU得到待测异频信号的波形，由CPU输出一个与工频信号反向，与第一数字信号同向波形的第二数字信号至DA转换单元，通过DA转换单元将第二数字信号转换为实际波形信号后，输出至第三运算放大单元中，第三运算放大单元将实际波形信号进行放大，使得放大后的实际波形信号与通过第二运算放大单元放大后的待测异频信号大小一致，最后通过加法运算单元将放大后的实际波形信号与通过第二运算放大单元放大后的待测异频信号相加，使得被测信号中的工频干扰信号被抵消，同时异频信号放大一倍，最终通过第二AD采样单元和CPU得到被测信号的幅值和相位。本实用新型的采用波形抵消的加法运算单元进行选频测量，实现了在强干扰环境下准确测量微弱的异频信号，且达到了电路设计难度和复杂度低，信号处理程序简单，设备功耗低的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型提供的一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置的一个实施例的结构示意图；

图2为40～60Hz内，允许使用的待测异频信号频率和延迟时间的关系图；

其中，附图标记为：

1、信号输入端子；2、第一运算放大单元；3、第二运算放大单元；4、第三运算放大单元；5、第一AD采样单元；6、第二AD采样单元；7、DA转换单元；8、加法运算单元；9、CPU；10、滤波单元；11、量程自动切换单元；12、缓冲放大单元。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，达到了电路设计难度和复杂度低，信号处理程序简单，设备功耗低的效果。

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型提供了一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置的一个实施例，包括：

信号输入端子1、第一运算放大单元2、第二运算放大单元3、第三运算放大单元4、第一AD采样单元5、第二AD采样单元6、DA转换单元7、加法运算单元8和CPU9；

信号输入端子1的输出端分别与第一运算放大单元2的输入端和第二运算放大单元3的输入端连接；

第一运算放大单元2的输出端与第一AD采样单元5的输入端连接；

第一AD采样单元5的输出端与CPU9的第一输入端连接；

第二运算放大单元3的输出端与加法运算单元8的第一输入端连接；

加法运算单元8的输出端与第二AD采样单元6的输入端连接；

第二AD采样单元6的输出端与CPU9的第二输入端连接；

CPU9的输出端与DA转换单元7的输入端连接；

DA转换单元7的输出端与第三运算放大单元4的输入端连接；

第三运算放大单元4的输出端与加法运算单元8的第二输入端连接；

CPU9用于对第一AD采样单元5输入的第一信号进行运算，得到第一信号的第一波形，并输出与工频信号反向，与第一信号同向波形的第二信号并输出至DA转换单元7；

DA转换单元7用于将第二信号通过第三运算放大器输出至加法运算单元8中，由加法运算单元8将第二信号和通过第二运算放大器输出的第三信号相加抵消工频干扰信号；

需要说明的是，为了满足工频干扰抵消和异频信号无损保留，要求异频信号的周期和工频信号的周期满足一定的关系，这样要CPU输出的信号要满足一定的的要求，具体推算关系如下：

将待测异频信号和工频干扰信号分别记作：x_f(t)和x₅₀(t)。信号测量过程中，得到的输出记作x(t)，即：

x(t)＝x_f(t)+x₅₀(t) (1)

为了能够在50Hz工频信号x₅₀(t)干扰下，实现异频信号x_f(t)的精确测量，首先需要消除50Hz干扰信号。

50Hz工频信号的周期为20ms，波形每隔20ms重复一次，即：

x₅₀(t)＝x₅₀(t+kT₅₀) (2)

其中k是正整数，T₅₀＝20ms是50Hz工频信号的周期。使用下面的简单算法就能够实现工频干扰的抵消：

y(t)＝x(t)-x(t+kT₅₀) (3)

将式(1)带入上式，并应用式(3)可以得到，

y(t)＝x_f(t)-x_f(t+kT₅₀) (4)

从表达式可见，50Hz工频干扰信号已经被抵消，但为了测量异频信号x_f(t)，需要确保它不受抵消算法的影响，通过设定异频信号的周期，使得它满足：

kT₅₀＝(m+0.5)T_f (5)

其中T_f是异频信号的周期、T₅₀是50Hz工频信号的周期，k和m都是正整数。当式(5)得到满足时，有：

kT₅₀＝(m+0.5)T_f (6)

根据式(6)和(4)得到：

y(t)＝2x_f(t) (7)

带有50Hz工频干扰的输入信号，经过前面给出的减法干扰消除运算，同时将待测异频信号放大一倍。上述简单的延迟相减运算，能够快速消除50Hz公平干扰，而被测信号非但没有损失，还被放大。

为了满足上述工频干扰抵消和异频信号无损保留的算法特性，要求异频信号的周期和工频信号的周期关系满足式(5)，经过简单转换得到：

其中F_f是待测异频信号频率，F₅₀＝50Hz是工频干扰信号频率。下面给出了满足式(8)要求的异频信号频率的部分列表：

表1异频信号频率和(k，m)的关系

需要待测异频信号和工频信号频率接近(为了测量的阻抗特性尽量接近50Hz频率)，所选的整数比例因子(k，m)需要尽可能大，使得

然而选择较大的(k，m)对带来的代价是算法需要的延迟：

t_d＝kT₅₀ (10)

而延迟增加需要更多的存储元。图2给出了40～60Hz内，满足要求的异频信号频率和所需要的最短延迟时间的关系。

比如对于采样率10KSPS的16-bit ADC硬件，采样点存储区能够容纳4KB采样点的话，通过计算可以发现系统能够实现的最大延迟为204.8ms，可选的异频信号频率对应k最大为10，从图中可见对应的最接近50Hz的频率有52.5Hz和47.5Hz。

上面给出了通过简单的波形抵消实现异频信号测量方案，在实际应用中，除了50Hz工频信号干扰外，还经常会遇到工频信号的谐波，根据算法原理，50Hz工频信号的谐波不会带来额外的影响。因为对于N次谐波，由于其谐波的周期T_50N满足T_50N＝T₅₀/N，对延迟量为t_d＝kT₅₀时，有：

x_50N(t+kT₅₀)＝x_50N(t+NkT_50N)

＝x_50N(t) (11)

这表明，对于式(4)给出的算法，可以同时抵消工频信号的高次谐波。

本实用新型通过信号输入端子1将待测异频信号分别输入至第一运算放大单元2和第二运算放大单元3中，第一运算放大单元2对待测异频信号进行放大后输出至第一AD采样单元5中，变成第一数字信号后输出至CPU9进行运算，通过CPU9得到待测异频信号的波形，由CPU9输出一个与工频信号反向，与第一数字信号同向波形的第二数字信号至DA转换单元7，通过DA转换单元7将第二数字信号转换为实际波形信号后，输出至第三运算放大单元4中，第三运算放大单元将实际波形信号进行放大，使得放大后的实际波形信号与通过第二运算放大单元3放大后的待测异频信号大小一致，最后通过加法运算单元8将放大后的实际波形信号与通过第二运算放大单元3放大后的待测异频信号相加，使得被测信号中的工频干扰信号被抵消，同时异频信号放大一倍，最终通过第二AD采样单元6和CPU9得到被测信号的幅值和相位。本实用新型的采用波形抵消的加法运算单元8进行选频测量，实现了在强干扰环境下准确测量微弱的异频信号，且达到了电路设计难度和复杂度低，信号处理程序简单，设备功耗低的效果。

进一步地，还包括滤波单元10；

滤波单元10的输入端与信号输入端子1的输出端连接；

滤波单元10的输出端分别与第一运算放大单元2的输入端连接和第二运算放大单元3的输入端连接；

需要说明的是，待测异频信号通过信号输入端子1进入基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，信号输入端子1将待测异频信号送入滤波单元10，滤波单元10由电容电感组成滤波电路，可以将高频干扰信号滤除。

进一步地，还包括量程自动切换单元11；

量程自动切换单元11的输入端与滤波单元10的输出端连接；

量程自动切换单元11的输出端分别与第一运算放大单元2的输入端连接和第二运算放大单元3的输入端连接；

量程自动切换单元11的受控端与CPU9的控制端连接。

进一步地，量程自动切换单元11包括：

至少两个电阻，至少两个电阻之间串联；

和至少一个设置于每两个电阻之间的继电器；

继电器的受控端与CPU9的控制端连接；

需要说明的是，在滤波单元10后接入量程自动切换单元11，量程自动切换单元11由至少两个电阻串联而成，且每两个电阻之间设置有继电器，继电器的受控端与CPU9的控制端连接，CPU9可以控制切换相应的继电器的关断，来切换不同的量程档位，使得待测异频信号幅值大小在预设的最佳测量范围之内。

进一步地，还包括缓冲放大单元12；

缓冲放大单元12的输入端与量程自动切换单元11的输出端连接；

缓冲放大单元12的输出端分别与第一运算放大单元2的输入端连接和第二运算放大单元3的输入端连接；

需要说明的是，量程自动切换单元11后接缓冲放大单元12，缓冲放大单元12对待测异频信号进行缓冲处理，缓冲放大单元采用运算放大器实现，但不对待测异频信号进行放大。

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，其特征在于，包括：

信号输入端子、第一运算放大单元、第二运算放大单元、第三运算放大单元、第一AD采样单元、第二AD采样单元、DA转换单元、加法运算单元和CPU；

所述信号输入端子的输出端分别与所述第一运算放大单元的输入端和所述第二运算放大单元的输入端连接；

所述第一运算放大单元的输出端与所述第一AD采样单元的输入端连接；

所述第一AD采样单元的输出端与所述CPU的第一输入端连接；

所述第二运算放大单元的输出端与所述加法运算单元的第一输入端连接；

所述加法运算单元的输出端与所述第二AD采样单元的输入端连接；

所述第二AD采样单元的输出端与所述CPU的第二输入端连接；

所述CPU的输出端与所述DA转换单元的输入端连接；

所述DA转换单元的输出端与所述第三运算放大单元的输入端连接；

所述第三运算放大单元的输出端与所述加法运算单元的第二输入端连接；

所述CPU用于对所述第一AD采样单元输入的第一信号进行运算，得到所述第一信号的第一波形，并输出与工频信号反向，与所述第一信号同向波形的第二信号并输出至所述DA转换单元；

所述DA转换单元用于将所述第二信号通过所述第三运算放大器输出至所述加法运算单元中，由所述加法运算单元将所述第二信号和通过所述第二运算放大器输出的第三信号相加抵消工频干扰信号。

2.根据权利要求1所述的基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，其特征在于，还包括滤波单元；

所述滤波单元的输入端与所述信号输入端子的输出端连接；

所述滤波单元的输出端分别与所述第一运算放大单元的输入端连接和所述第二运算放大单元的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，其特征在于，还包括量程自动切换单元；

所述量程自动切换单元的输入端与所述滤波单元的输出端连接；

所述量程自动切换单元的输出端分别与所述第一运算放大单元的输入端连接和所述第二运算放大单元的输入端连接；

所述量程自动切换单元的受控端与所述CPU的控制端连接。

4.根据权利要求3所述的基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，其特征在于，所述量程自动切换单元包括：

至少两个电阻，至少两个所述电阻之间串联；

和至少一个设置于每两个所述电阻之间的继电器；

所述继电器的受控端与所述CPU的控制端连接。

5.根据权利要求3所述的基于波形抵消的抗干扰异频测量装置，其特征在于，还包括缓冲放大单元；

所述缓冲放大单元的输入端与所述量程自动切换单元的输出端连接；

所述缓冲放大单元的输出端分别与所述第一运算放大单元的输入端连接和所述第二运算放大单元的输入端连接。