CN2804881Y - 交直流电压并行测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种交直流电压并行测量电路，包括依次成电路连接的输入选择单元、程控增益单元、低通滤波器、模数转换器和数据存储/处理单元；所述输入选择单元连接电话用户线路的AB线和地线；该输入选择单元内设电压测量切换电路；所述程控增益单元内设增益切换电路；该测量电路还包括一译码驱动单元，与数据存储/处理单元、电压测量切换电路、增益切换电路相连；数据存储/处理单元通过该译码驱动单元控制电压测量切换电路和增益切换电路。输入选择单元选择测量电压值，被测量的电压通过程控增益单元调整后，经低通信号滤波器输入到模数转换电路转换成数字信号，再输出到数据存储/处理单元，数据处理后，得到直流电压值和交流电压值。

Description

交直流电压并行测量电路

技术领域

本实用新型涉及一种交直流电压并行测量电路，具体地说，涉及一种对固定电话用户线路同时测量交流电压和直流电压值的并行测量电路。

背景技术

电信部门在对电话线路进行维护时，通常通过局端设备测量AB线间、A线对地和B线对地三组电气参数，每组电气参数分别为交流电压、直流电压、电阻和电容，这样可以得到12项参数。通过对12项参数的分析，得到用户线路的初步的状况，判断线路有否断线、短路、绝缘不良或混线现象。及时发现故障、排除故障，提高服务质量，保证通信线路畅通。

目前，公知的电压表在测量时是分别测量直流电压值和交流电压值，在测量交流电压时一般采用平均值AC/DC变换器或单片真有效值/直流变换器电路，但是两者都不能同时完成交流电压和直流电压的测量。

平均值AC/DC变换器是由运算放大器和二极管组成的半波/全波线性整流电路，平均值AC/DC转换等效电路具有电路简单、成本低廉等优点，在万用表中得到广泛应用，但是由于它是按照正弦波平均值与有效值的关系而定义的，仅适合测量不失真的正弦波电压，。

单片真有效值/直流变换器电路克服了平均值AC/DC变换器仅适合测量不失真的正弦波电压的弱点，其基本原理公式： $V_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}\≈\sqrt{\stackrel{\‾}{u^2}}=\sqrt{{\mathrm{Avgu}}^2},$ 其中V_RMS是被测量信号的真有效值，Avg表示取平均值，u(t)，u是被测量交流信号，T是被测信号的周期。对公式两边平方，进而获得真有效值的另一个表达式： $V_{\mathrm{RMS}}=\frac{\stackrel{\‾}{u^2}}{V_{\mathrm{RMS}}}=\frac{{\mathrm{Avgu}}^2}{V_{\mathrm{RMS}}}=\mathrm{Avg}\left|\frac{u^2}{V_{\mathrm{RMS}}}\right|\·$ 通过集成芯片内部电路对u依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算，实现对交流电压有效值的测试。由真有效值/直流变换器电路的原理上可知，它测得的真有效值是包括直流分量和交流分量等所有电压的有效值，并没有把交流电压和直流电压分开。如果想使用真有效值/直流变换器电路测试交流电压，则前端必须加直流隔离电路，这必然增加测试时间。同时，真有效值/直流变换器电路的测试精度还直接受外部平均电容值的影响，尤其在低频时更为明显。由于该电容相当于积分器的作用，该电容小时，有效值输出直流的测量精度低；加大电容值，增加平均时间，测试的速度又会降低。可见这种方法测量范围窄、精度低、转换芯片价格高、功能单一。由于直流隔离电路的相应时间和精度的限制，真有效值/直流变换器电路的局限性也就表露无疑了。

综上所述，无论是采用直接对交流信号进行整流的方法来实现直流变换还是采用真有效值/直流变换器的电路，都不能同时测量交流电压和直流电压值，测试的精度对外围元器件依赖程度比较大等的缺陷，对故障线路的判断带来一定的局限。

新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种交直流电压并行测量电路，克服目前无法同时测量交流电压和直流电压，测量精度低、测量速度慢的技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种交直流电压并行测量电路，包括依次成电路连接的输入选择单元、程控增益单元、低通滤波器、模数转换器和数据存储/处理单元；所述输入选择单元连接电话用户线路的AB线和地线；该输入选择单元内设电压测量切换电路；所述程控增益单元内设增益切换电路；该测量电路还包括一译码驱动单元，与数据存储/处理单元、电压测量切换电路、增益切换电路相连；数据存储/处理单元通过该译码驱动单元控制电压测量切换电路和增益切换电路。

采用上述交直流电压并行测量电路，电话线路AB线(电话线的两种不同颜色的线，通常称为A线、B线)和地线被引入到输入选择单元，通过输入选择单元选择测量线路AB间、或A线对地、或B线对地的电压值。在对线路测量中，被测量的电压通过程控增益单元调整后，经过低通信号滤波器输入到模数转换电路转换成数字信号，再输出到数据存储/处理单元电路的数据缓存中，处理单元就利用这些数据同时计算出交流和直流电压。当模数转换完成时，模数转换器会产生一个中断，促使处理单元读取当前数据，并在数据缓冲区进行数据更新。在处理单元内部根据基本理论对数据进行处理后，所得到的直流电压值V_DC和交流电压值V_AC通过RS-232串行通信接口送上位计算机。

为了将被测电压变换到一定幅度范围内，所述程控增益单元包括增益放大器和分档的增益反馈电路，通过增益切换电路切换增益反馈电路的量程档。

所述量程档分为三档，三档增益反馈电路中分别设有增益反馈电阻，三档增益反馈电阻的阻值比为1∶10∶100。

增益放大器两个输入端前端各连有一个电阻，该电阻的阻值与所述最大的增益反馈电阻的阻值相等。增益放大器和高阻采样前端的结构，将输入电压调整到模数转换器的输入电压范围，这样可解决大范围信号测量的问题。

所述低通滤波器为一阶有限冲击响应滤波器，清除输入信号因为干扰而带入的高次谐波对真有效值的影响。

所述数据存储/处理单元包括一数字信号处理器。

所述电压测量切换电路由继电器和切换开关构成。

所述增益切换电路由继电器和切换开关构成。

附图说明

图1是本实用新型实施例的交直流电压并行测量电路的原理框图；

图2是图1中的程控增益单元的电路示意图。

具体实施方式

为了便于更好地理解本实用新型的结构和功能，下面结合图1和图2进行详细说明。

参阅图1，交直流电压并行测量电路由输入选择单元1，程控增益单元2，低通滤波器3，模数转换器4，数据存储/处理单元5和译码驱动单元6组成。输入选择单元1连接电话的A线、B线和地线(G线)。该输入选择单元1内设继电器和切换开关。译码驱动单元6与数据存储/处理单元5相连，同时也连接输入选择单元1内的继电器和切换开关。数据存储/处理单元5通过译码驱动单元6控制输入选择单元1选择测量线路AB间、或A线对地、或B线对地的电压值。这里选用继电器和切换开关作为电压测量的切换电路，其他能实现电压测量切换的元器件也可以。被选择测量的电压V1通过程控增益单元2调整后的V2经过低通滤波器3滤波后成为V3，输入到模数转换器4转换成数字信号u(n)，再输出到数据存储/处理单元5的数据缓存中，数据存储/处理单元5就利用这些数据同时计算出交流和直流电压。低通滤波器3在此选用一阶有限冲击响应滤波器。

图2是程控增益单元2的电路示意图。如图所示，程控增益单元2的电路使用增益放大器(可编程PGA)21和高阻采样前端R1、R2构成。在增益放大器21的输出端和负向输入端之间设有三档增益反馈电路。三档增益反馈电路中分别设有增益反馈电阻R3，R4和R5。三档增益反馈电路通过继电器和切换开关进行选档。译码驱动单元6连接程控增益单元2内的继电器和切换开关。数据存储/处理单元5通过译码驱动单元6控制程控增益单元2内开关选择不同的量程档。电阻R3，R4和R5的阻值之比为1∶10∶100。电阻R1、R2的阻值与电阻R5的阻值相等。增益放大器21和前端高电阻R1、R2的结构，将输入电压调整到模数转换器4的输入电压范围，这样可解决大范围信号测量的问题。这里选用继电器和切换开关作为增益的切换电路，其他能实现增益测量切换的元器件也可以。

下面对测量过程做详细描述。

假设被测电压Vx幅值范围为0V～±500V。

数据存储/处理单元5通过译码驱动电路6对输入选择单元1进行控制，选择V1＝V_AB、V_AG或V_BG。

程控增益单元共分三个量程档测量，程控增益环节电路的增益分别为：(1)高电压档(50V～500V)，GAIN＝0.01倍；(2)中电压档(5V～50V)，GAIN＝0.1倍；(3)低电压档(0V～5V)，GAIN＝1倍。

模数转换器4以100KHz的采样率快速采样4000点，送数据存储/处理单元5进行数据处理。

数据存储/处理单元5以数字信号处理器(DSP处理器)为核心，当模数转换完成时，模数转换器4会产生一个中断，促使DSP处理器读取当前数据，并在数据缓冲区进行数据更新。在数据存储/处理单元5内部根据如下基本理论对数据进行处理，在软件上实时计算出交流电压和直流电压。

设电压波形为v(t)＝A+Bsin(2πft)，在实际情况下电话线路如碰交流，交流成分Bsin(2πft)是50Hz工频或50Hz的倍频，周期T＝20ms。当采样频率为100KHz采样4000点时恰好是40ms，为50Hz的两个周期，采样信号为v(n)＝A+Bsin(ωnT_s)， $T_s=\frac{1}{f_s}=0.00001s,$ N＝4000。

直流电压V_dc＝g(n)＝A；

交流电压 $V_{\mathrm{ac}}=\sqrt{h\left(n\right)-g^2\left(n\right)}=\frac{B}{\sqrt{2}}\·$

这样直流电压和交流电压就同时测试出来了。在上述测试原理中m越大，采样频率越高，测试结果越准确。由于交直流电压是同时输入到测试电路中的，不需要直流隔离或交流转直流电路，提高了电路的相应速度，同时也简化了硬件电路。

最后，实际在接入电话线路端的直流电压为：V_dc×(程控增益环节的增益)；

实际在接入电话线路端的交流电压为：V_ac×(程控增益环节的增益)。

在实际计算中，为了计算方便，输入信号每周期我们采样512次，每计算16个采样值的平方和后，除以16，整个周期共作32次这样的运算，最后再把32次这种运算的结果累加，形成一周期内的平方和平均值。采用这种方法，可以避免处理器一直累加导致溢出的麻烦。

计算有效值离不开开平方运算，开平方运算是非常耗时的算法。常见的定点数开平方运算有牛顿选代法、快速查表法、直流逼近法和试根法等。对于查表法，当被开方数变化范围较大时，提高运算精度和减少内存占用量是相矛盾的；直线逼近法需要存贮各段线性逼近函数的斜率和截距值，当要求的运算精度增加时，线性段的划分越密，运算处理时间随着增加；试根法的缺点是运算时间与被开放数的大小有关，并被开方数据很大时，试根次数增加，运算执行时间将变长；牛顿迭代法是一种一致收敛的开平方算法，若初始值选取得当，只需很少次甚至是一次迭代算法，即可得到满足给定精度要求的运算结果，但如果初值选择不当，将须多次迭代，在本测量中电压的动态变化范围很大，从而增加了选择初值的难度。实际应用中，可选择上述方法或者上述方法的适当组合。

最后所得到的直流电压值V_dc和交流电压值V_ac通过RS-232串行通信接口送上位计算机处理。

Claims (8)

1.一种交直流电压并行测量电路，其特征在于，包括依次成电路连接的输入选择单元、程控增益单元、低通滤波器、模数转换器和数据存储/处理单元；

所述输入选择单元连接电话用户线的AB线和地线；该输入选择单元内设电压测量切换电路；

所述程控增益单元内设增益切换电路；

该测量电路还包括一译码驱动单元，与数据存储/处理单元、电压测量切换电路、增益切换电路相连；数据存储/处理单元通过该译码驱动单元控制电压测量切换电路和增益切换电路。

2.如权利要求1所述的交直流电压并行测量电路，其特征在于，所述程控增益单元包括增益放大器和分档的增益反馈电路，通过增益切换电路切换增益反馈电路的量程档。

3.如权利要求2所述的交直流电压并行测量电路，其特征在于，所述量程档分为三档，三档增益反馈电路中分别设有增益反馈电阻，三档增益反馈电阻的阻值比为1∶10∶100。

4.如权利要求3所述的交直流电压并行测量电路，其特征在于，增益放大器两个输入端前端各连有一个电阻，该电阻的阻值与所述最大的增益反馈电阻的阻值相等。

5.如权利要求1所述的交直流电压并行测量电路，其特征在于，所述低通滤波器为一阶有限冲击响应滤波器。

6.如权利要求1所述的交直流电压并行测量电路，其特征在于，所述数据存储/处理单元包括一数字信号处理器。

7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的交直流电压并行测量电路，其特征在于，所述电压测量切换电路由继电器和切换开关构成。

8.如权利要求1至6中任一权利要求所述的交直流电压并行测量电路，其特征在于，所述增益切换电路由继电器和切换开关构成。

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