一种交流信号有效值测量装置的制造方法
【专利摘要】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vc(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vc(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。
【专利说明】
-种交流信号有效值测量装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于仪器仪表、信号处理和测控领域，具体设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】
[0002] 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I v(t) I的平均值
求取交流周期信号v(t)的有效隹
，运是因为对于正弦交 流信号满足:K^al.HxV，因而可W通过测量平均值的方法计算出有效值。但运种方法存 在W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I v(t) I进行高速采样，然后按照有效值定义公式
(其中，fs为采样频率，Ts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W测量任意周期信号的有效值，但存在W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Vrms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】
[0003] 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。
[0004] 本实用新型提供的技术方案如下：
[0005] -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Ξ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；
[0006] 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Ξ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Ξ角波发生电路 用于产生高频Ξ角载波VcXt);
[0007] PWM信号调制电路用于将输入的I v(t) I和VE(t)进行PWM调制得到信号Γ品^;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；
[000引前端积分电路将信号胃作为输入信号，对进行积分得到信号v'fi的，满足
:其中αι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吃(?)作为输入信号，对请巧进行积分得到信号诚仍，满足
其中为后端积分电路的积分系数； 为后端积分电路在第Κ个信号周期的初始值;后端积分电路的输出信号《2的作为后端 的采样保持电路的输入信号；
[0009] 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；
[0010] 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vq(t);零电压比较电路的输出端与脉冲信号发生电路相连，vq(t)触发脉 冲信号发生电路得到脉冲信号Vp(t);VP(t)触发带锁存功能的定时器输出定时周期VT，连接 到除法电路的除数输入端;VP(t)还与采样保持电路相连，用于触发采样保持电路；
[0011] 采样保持电路将后端积分电路的输出信号《位)作为输入信号，将脉冲信号发生电 路的输出信号vp(t)的上升沿触发锁存;采样保持电路的输出信号vh(NT)作为后面除法电路 的被除数输入信号；
[001^ 除法电路用于实现vh(NT)除WvT，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
，
[0013] 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W下优势：
[0014] 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Ξ角 波信号VE(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vc(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W通过计算v(t)的周期T内pmi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W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；
[0015] ②本实用新型是直接测量信号有效?Ι
，因而精度更高；
[0016] ③本实用新型无需对v(t)的幅值进行采样和浮点数运算。
[0017] ④本实用新型无需乘法电路；
[0018] ⑤本实用新型实现时只需单电源供电，并且电路设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。
[0019] 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】
[0020] 图1为PWM面积等效原理图；
[0021 ]图2为交流信号有效值测量装置原理图；
[0022] 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】
[0023] 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，Ts] (Ts很小)时间内，如果V (t) >0则存在：
[0024]
(1)
[00剧其中：VCC为供电电压;v(t)为待测周期信号;攻为第1个开关周期内巧W为VCC的 时间;巧胃为V(t)与单极性对称^角波信号Vc(t)比较后在[0，Ts]内得到的PWM信号。
[0026]同理，在[Ts，2Ts ]，[ 2Ts，3Ts]，[ 3Ts，4Ts]，[ 4Ts，5Ts]依次存在公式（2)~（5):
[0031] 其中，場、巧、巧分别为第2、3、4、5个开关周期内巧《^为￥0：的时间。=2， 3,4,…）；巧胃为v(t)与单极性对称Ξ角波信号VE(t)比较后在[iTs，（i+l)Ts]内得到的PWM 信号。可认为在[化-l)Ts，KTs](l卽卽)中，v(t)的值保持不变，即：
[0032] v(t)=V(KTs) (N>K> 1) (6)
[0039] 根据周期信号有效值定义可知
，其中：Vr"s为交流周期信号v(t) 的有效值。联立公式(8)和(9)可得：
[0043] 如果将作为积分电路1的输入信号，则得到的第Κ个开关周期内积分电路1输 出信号为：
[0044]
(12)
[0045] 其中，诚的为第Κ个开关周期内积分电路1的输出信号，巧微为第Κ个开关周期内 积分电路1开始积分时电路输出的初始值，为积分电路1的积分系数，頂为胃=FCC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W确咕(所=0。整 理（12)可得：
[0046]
(13)
[0047] 再鸦vfi(r)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：
[0048]
(14)
[0049] 其中，?·?^(〇)为第二个积分电路在第K个信号周期的初始值，02为积分电路2的积分 系数。当第Κ个信号周期的初始值碟脚为第Κ-1个信号周期的输出值语-1從Κ·-：!巧）即
则在第Κ个信号周期结束时，则有：
[005引如果将请(0作为采样保持电路输入端，则采样保持电路的输出端信号VH在t = NTs 时为：
[0061] 因而可W通过采集积分电路的输出电压Vd(NTs)和v(t)的周期Τ即可求出有效值 Vrms。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VT即为周期Τ，所W公式 (18)为：
[0062]
(巧）
[0063] 基于W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Ξ角波发生电路、pmi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。
[0064] 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。
[0065] 高频Ξ角波发生电路的输出端与pmi信号调制电路的输入端相连;高频Ξ角波发 生电路用于产生高频Ξ角载波VE(t)。
[0066] PWM信号调制电路用于将输入的I v(t) I和vc(t)进行PWM调制得到信号巧敵，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。
[0067] 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。
[0068] 前端积分电路将信号作为输入信号，当= FCC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F品^进行积分得到信号V否的，满足
其中VCC为开关电源;?：为巧胃=FCC的时间;αι为前端积 分电路的积分系数，由32、(：1、1?^2决定;前端积分电路的输出信号冶的作为后端积分电路 的输入信号。
[0069] 后端积分电路将前端积分电路的输出信号请的作为输入信号，当戸/胃=^^0：时， 后端积分电路通过35^3、1?6^4和运算放大器2组成的正向积分电路对為(《)进行积分得到 信号《的，满月
。其中曰2为后端积分电 路的积分系数，由35^3、1?6^4决定;^；;(0)为后端积分电路在第1(个信号周期的初始值;后 端积分电路的输出信号《货作为后端的采样保持电路的输入信号。
[0070] 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、Ξ极管Q1、电阻R4、场 效应管Ml、场效应管M2和场效应管M3组成。当= FCC时，Ξ极管Q1截止，N沟道场效应管 Ml、M2和M3上的栅源极上的电压vgs = 0，所W场效应管Ml、M2和M3截止；当巧= 0时，S极管 91导通，脚勾道场效应管亂、12和13上的栅源极上的电压巾83?￥〇：，所^场效应管^、12和13 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 省的=0。而电容C4两端的电压则保持不变；
[0071] 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 = 〇.〇ιν或δ = 〇.〇〇ιν，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vq(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，vq(t)触发脉冲信号 发生电路得到脉冲信号Vp(t)nVp(t)触发带锁存功能的定时器输出定时周期VT，连接到除法 电路的除数输入端。与此同时，VP(t)还与采样保持电路相连，用于触发采样保持电路，使得 语脚Ur = 〇,确保在第N+1个周期开始时，语的的初始值为零。
[0072] 采样保持电路将后端积分电路的输出信号<2的作为输入信号，将脉冲信号发生电 路的输出信号Vp(t)的上升沿触发锁存。由于Vp(t)的周期与信号V(t)的周期一致为T，所W 在t = NT时(N为大于0的正整数），采样保持电路将输入信号崎专的锁存到输出端，即采样保持 电路的输出信号v；^(iV了 )=v惠(iVr)6由于在每个周期积分开始时，即vp(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，《的的初始值为零。所W，
:其中T = KTs);采样保持电路的输出信号vh(NT)作为 后面除法电路的被除数输入信号。
[0073] 除法电路用于实现vh(NT)除WvT，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
[0074] 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：
[0075] 高频Ξ角波发生电路产生周期为Ts的Ξ角波Vc(t)作为载波，与绝对值变换电路的 输出信号I V(t) I输入PWM信号调制电路进行PWM信号调制得到对应的信号F品Μ ;前端积分电 路和后端积分电路将输入的进行积分得到<2(Α巧）;采样保持电路对《(Μ；)进行采样 保持得到VH。
[0076] 定时电路将交流信号v(t)整形为矩形波vq(t)，并将vq(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Vp(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VT;除法电路及开方电路用于对输入的信号VH和VT进行除法和开方 运算得到有效值
[0077] 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 Ξ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、 尺5、36，电容(：1、〔2、〔3、〔4，^极管91、]\?)5管亂、]\12、]\0、]\14、]\15、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：
[0078] ①待测交流周期信号v(t)经过绝对值电路得到|v(t) I，并与Ξ角波发生器产生的 高频Ξ角波信号VE(t)经过比较器2进行比较得到PWM调制信号
[0079] ②电阻R2、电容Cl、电阻R3、电容C2和运放1组成前端积分电路，对信号戸品^在第Κ 个开关周期进行积分，得到
：电阻Κ1、Ξ极管Q1、电 阻R4、N沟道M0S管亂、12组成复位电路，实现戸品^为低电平时，1巧隨2导通将电容(：1和〔2放 电，实现
均初始值巧㈱为零；
[0080] 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，实现对请的进行正 向积分得I
oN沟道M0S管M3、M4组成复 位电路实现当vp(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Vp(t)脉冲周期与信号v(t)周期相同，因而可W保证在一个周期T内的有效 值计算时，i4(巧二0;
[0081] ④比较器1实现将交流周期信号v(t)整形为矩形波信号vq(t)，其中δ为任意小的 正电压，由用户设定（比如S = 0.01V或δ = 〇.〇〇?ν等Kvq(t)的上升沿用于触发脉冲信号发 生电路，产生脉冲信号Vp(t)，该脉冲信号的周期和交流周期信号v(t)的周期相同。Vp(t)主 要用于W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 号冶(η.Π 进行采样保持，得到VH;二、经过极短时间的延时即信号请妨Γ)进行采样保持之 后，触发Ν沟道M0S管M3、Μ4和Μ5导通，复位电容C3和C4;
[0082] Ξ、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VT;
[0083] 除法电路对输入信号VH和VT进行运算得到^ ;再经过开方电路得到有效值
[0084] 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，运样的改变不 认为脱离本实用新型的范围。所有运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。
【主权项】
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i(t)进行PWM调制得到信号;PWM信号调 制电路、如端积分电路、后端积分电路与米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<(〇作为输入信号，将脉冲信号发生电路的输出信号vP (t)的上升沿触发锁存;采样保持电路的输出信号vh(NT)作为后面除法电路的被除数输入 信号。
【文档编号】G01R19/02GK205484523SQ201620172990
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月7日
【发明人】彭志辉, 蒋恩典
【申请人】温州大学