一种交流电压有效值高精度测量电路
阅读说明：本技术 一种交流电压有效值高精度测量电路 (Alternating voltage effective value high accuracy measurement circuit ) 是由 王世晨 彭志辉 余心舒 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种交流电压有效值高精度测量电路,包括如下电路模块：(1)直流偏置电路：将适当的直流偏置值V-(DC)和待测周期信号x(t)进行叠加,得到输出信号x-(1)(t)＝x(t)+V-(DC),满足：满足：U-(c)＞x-(1)(t)＞0；(2)移相电路：移相电路由2个低通滤波电路组成,分别对x-(1)(t)进行移相φ-(1)和φ-(2)；(3)三角波发生电路：微处理器I/O口输出周期为T-(c)的方波信号u-(PWM),通过积分电路,将方波信号u-(PWM)进行处理,得到对称三角波u-(c)(t)；(4)比较电路：将u-(c)(t)分别于与x-(1)(t)、和进行比较,分别得到输出PWM信号v-(PWM)、和(5)微处理器三路捕获单元：捕获v-(PWM)、和的导通时间,分别记为：和(6)计算程序：计算x(t)有效值的高精度测量值(The invention provides a high-precision measuring circuit for an effective value of alternating voltage, which comprises the following circuit modules: (1) a direct current bias circuit: bias the appropriate DC value V DC Overlapping with the periodic signal x (t) to be detected to obtain an output signal x 1 (t)＝x(t)+V DC And satisfies the following conditions: satisfies the following conditions: u shape c ＞x 1 (t) > 0; (2) a phase shift circuit: the phase shift circuit consists of 2 low-pass filter circuits for x 1 (t) performing a phase shift phi 1 And phi 2 (ii) a (3) Triangular wave generating circuit: the output period of the I/O port of the microprocessor is T c Square wave signal u of PWM The square-wave signal u is integrated by an integrating circuit PWM Processing to obtain symmetrical triangular wave u c (t); (4) a comparison circuit: will u c (t) is respectively equal to x 1 (t)、 And comparing to obtain output PWM signals v PWM 、 And (5) a microprocessor three-way capture unit: capture v PWM 、 And the on-times of (d) are respectively noted as: and (6) and (3) calculating a program: calculating a high-precision measurement of the effective value of x (t))
技术领域
本发明属于测控及仪器仪表领域，具体涉及一种交流电压有效值高精度测量电路。
背景技术
在电力系统和仪器仪表领域，需要高精度获取交流信号的有效值。例如，在电力系统领域，需要实时测量电网交流电压/电流的有效值。在仪器仪表领域，同样需要高精度测量各种交流信号的有效值。为了获得高精度的有效值测量精度，最主要的方法有两种：①提高AD的采样频率和有效位数；②AD实现同步采样。所以，在AD采样频率和有效位数一致的情况下，同步采样条件下的有效值其精度最高。同步采样就是AD在待测信号过零点开始采样，这就需要复杂的过零点检测电路，并且需要保证AD在零点以最小的延迟时间启动采样。上述两点的实现，会导致硬件电路和软件算法更复杂和成本更高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交流电压有效值高精度测量电路。本发明给出的交流电压有效值高精度测量电路实现简单，能显著提高交流电压/电流有效值测量精度，为电力系统电能参数测量提供一种新的实现方案。
本发明提供的技术方案如下：
一种交流电压有效值高精度测量电路，包括如下电路模块：
(1)直流偏置电路：将适当的直流偏置值VDC和待测周期信号x(t)进行叠加，得到输出信号x1(t)＝x(t)+VDC，满足：满足：Uc＞x1(t)＞0；
(2)移相电路：移相电路由2个低通滤波电路组成，分别对x1(t)进行移相φ1和φ2。由滤波器知识可知，通过对低通滤波器的幅频特性和相频特性进行合理的设计，使得通过该滤波器的信号，其幅值不变，相角进行移位，从而获得信号和其中：φ1≠φ2，φ1，φ2∈(0,2π/N)；
(3)三角波发生电路：微处理器I/O口输出周期为Tc的方波信号uPWM，通过积分电路，将方波信号uPWM进行处理，得到对称三角波uc(t)；
(4)比较电路：将uc(t)分别于与x1(t)、和进行比较，分别得到输出PWM信号vPWM、和
(5)微处理器三路捕获单元：捕获vPWM、和的导通时间，分别记为：和
(6)计算程序：依据计算x1(t)与uc(t)、和进行PWM调制后有效值的估计值分别为和进而计算x(t)有效值的高精度测量值
本发明所述的一种交流电压有效值高精度测量电路具有以下优势：
①无需高精度的过零点检测电路、AD采样模块和同步采样算法，降低的系统的成本，提高抗干扰能力；
②系统结构相对简单，实现难度低；
本发提供的交流电压有效值高精度测量方法，为电力系统、仪器仪表和测控领域提供了一种新的测量方案。
附图说明
图1为交流电压有效值高精度测量电路图。
图2a为移相电路1幅频特性的原理图；
图2b为移相电路1相频特性的原理图；
图3a为移相电路2幅频特性的原理图；
图3b为移相电路2相频特性的原理图；
图4为交流电压有效值高精度计算程序流程图；
图5是uc(t)、和x1(t)之间的相互关系示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种周期信号有效值最优估计方法，主要应用了发明专利CN201910030796.8“一种周期信号有效值测量方法”给出的方法。假设待测信号x(t)和VDC进行直流偏置操作，得到：x1(t)＝x(t)+VDC，并且满足：Uc＞x1(t)＞0。其中：Uc为对称三角波uc(t)的峰值。中心对称的三角波uc(t)满足：通过将x1(t)与uc(t)进行PWM调制得到PWM信号vpwm，并依据公式
计算x1(t)有效值的估计值其中：为vpwm的导通时间，T为x(t)的周期，Tc为uc(t)的周期，T＝NTc。
由发明专利CN 201910030796.8“一种周期信号有效值测量方法”的推导过程可知，x1(t)与uc(t)满足相位同步关系。所以，公式(1)的有效值估计值为x1(t)的最优估计值然而，在实际工程中，我们很难保证x1(t)与三角波uc(t)同相位，进而不能依据公式(1)求解出有效值最优估计值即便能实现uc(t)与x1(t)同相位，也需要复杂的硬件电路和软件算法支撑，这大大增加了系统的难度和成本。由于实际工程中uc(t)与x1(t)不一定同相位，依据公式(1)求解得到的就不一定是在不增加复杂的硬件电路和软件算法支撑的条件下，需要另辟蹊径求解为此，本发明给出了一种基于移相的求解方案。
假设uc(t)与x1(t)同相位，则有：又由于T＝NTC，所以x1(t)，uc(t)关于轴对称。令：由于uc(t)具有周期性，所以将uc(t)、与x1(t)调制，则x1(t)有效值的估计值分别为和
在T＞＞TC(即TC很小)时，在t∈[kTC,(k+1)TC]，x1(t)可视为一段直线。则：uc(t)、和x1(t)之间的相互关系如下附图5图所示。
首先，过点c-k和ck的水平直线与在相交于e-k，三个顶点为c-k,b-k,e-k的三角形记为同理，过dk做一水平线与uc(t)在相交于ek，三个顶点为ck,dk,ek的三角形记为由对称性关系可知，∠b-kc-ke-k＝∠ckdkek，∠b-ke-kc-k＝∠ckekdk，所以三角形全等
其次，过点a-k和ak的水平直线与在相交于f-k，三个顶点为a-k，d-k，f-k的三角形记为同理，过bk做一水平线与uc(t)在相交于fk，三个顶点为ak,bk,fk的三角形记为由对称性关系可知，∠d-ka-kf-k＝∠akbkfk，∠a-kd-kf-k＝∠bkakfk，所以三角形全等
通过对上述示意图的几何关系进行分析可得：由于x1'(t)＝x'(t)，并且x'(t)是以T为周期的连续函数，令则：
由公式(2)的理论推导分析可知，是与x1(t)进行PWM调制，在获取PWM信号导通时间的基础上计算得到的。然而，是uc(t)进行超前移相得到的，主要有两种实现方式：一、增加一个对称三角波发生芯片和移相电路，获得二、输出一个移相的方波并对其进行积分获得上述两种方案实现电路较复杂，成本较高。通过分析上面的推导过程发现，是x1(t)相位不变，而对uc(t)超前移相的进行PWM调制，计算得到的有效值。由于x1(t)和uc(t)均为周期信号，并且x1(t)、uc(t)周期T、Tc满足：T＝NTc。所以，如果uc(t)相位不变，而将x1(t)相位滞后得到并将uc(t)与进行PWM调制，其计算得到的有效值同样为而对周期信号x1(t)进行移相就简单得多，只需通过低通滤波器就能实现移相并保证幅值不变，因而可以采用对x1(t)进行移相操作。
现对x1(t)进行移相，得到相位滞后分别为φ1和φ2的信号和即滞后x1(t)相位φ1，滞后x1(t)相位φ2。φ1和φ2满足：φ1≠φ2,φ1,φ2∈(0,2πN)。x1(t)移相电路可由两个幅频特性和相频特性满足要求的低通滤波器实现，即低通滤波器不改变x1(t)的幅值，只是对x1(t)的相位分别滞后φ1和φ2。
将x1(t)、和与uc(t)进行PWM调制，分别得到PWM信号vPWM、和并依据公式(1)计算x1(t)、和有效值估计值和有：
其中：和分别为vPWM、和的导通时间。
然而，需要明确的是公式(2)中的uc(t)与x1(t)是同步相位关系。但在实际工程中，与三角波uc(t)进行PWM调制的x1(t)不能确保是同相位，进而不能依据公式(1)求解出有效值最优估计值
为此，假设与uc(t)进行PWM调制的同步相位周期信号为并且满足：那么与uc(t)PWM调制之后依据公式(1)计算的有效值即为最优估计值这是因为的有效值与x1(t)的有效值相同，的有效值最优估计值亦为x1(t)的有效值最优估计值。则依据公式(2)可得：
同理，联立(2)、(4)、(5)可得：
所以，联立(6)、(7)、(8)，并整理可得：
求解(9)可得：
由(6)可得：
将(3)、(10)、(11)代入(12)，即可解得又由于是x1(t)有效值的最优估计值，而非x(t)有效值的最优估计值但由于x1(t)＝x(t)+VDC，所以x1(t)的有效值满足：
对(13)整理可得：
其中：又因为为x(t)的平均值。在电力系统中，需要测量交流电压/电流信号，其电压/电流的直流分量必须消除，否则会导致发电设备、输电线路及配电装置严重故障。那么当x(t)为交流电压/电流信号时，有：
所以：
由于x1(t)＝x(t)+VDC与x(t)具有相同的相位关系，因而有：
由(17)可知，由于Vdc为已知参数，依据(12)解得的基础上，可以得到x(t)有效值的最优估计值
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
图1所示为交流电压有效值高精度测量电路图，其包括：分压电路：用于将电网电压进行分压，得到合适的交流电压信号x(t)；直流偏置电路、移相电路1、移相电路2、积分电路、比较电路和MCU。直流偏置电路将VDC和x(t)进行叠加，得到输出信号x1(t)＝x(t)+VDC；移相电路1和移相电路2实现对x1(t)进行移相操作，得到和三角波发生电路是通过积分电路将MCU输出的方波信号uPWM转换为三角波uc(t)；比较电路实现x1(t)、和与uc(t)进行比较得到PWM信号vPWM、和MCU的捕获单元Capture1、Capture2和Capture3分别连接vPWM、和用于获取vPWM、和的导通时间；MCU在捕获vPWM、和导通时间的基础上，执行x(t)的有效值的高精度计算
图2a为移相电路1幅频特性的原理图；图2b为移相电路1相频特性的原理图。附图中所示的特性符合低通滤波器的幅频和相频特性，因而移相电路可以使用低通滤波器实现。如果x1(t)的周期T满足当x1(t)输入到移相电路1时，移相电路1对x1(t)进行移相操作，即其输出满足：
同理，图3a为移相电路2幅频特性的原理图；图3b为移相电路2相频特性的原理图；当x1(t)输入到图3a和图3b所示的移相电路2时，如果x1(t)的周期T满足移相电路2对x1(t)进行移相操作，即其输出满足：
图4为交流电压有效值高精度计算程序流程图，包括：
⑴初始化模块，用于初始化PWM模块和Capture模块。PWM模块初始化用于设定uPWM的周期和占空比。Capture模块初始化捕获单元Capture1、Capture2和Capture3设上升沿启动，下降沿停止。设置完之后，启动PWM模块和Capture模块；
⑵判断Tc内三个捕获单元是否捕获到三个PWM信号的时间，如果是，则进入步骤(3)；否则，等待；
⑶获取三个捕获单元寄存器的值，分别存入和进入步骤(4)；
⑷依据公式和计算和进入步骤(5)；
⑸依据公式(10)、(11)，分别计算出φ和Yrms；进入步骤(6)；
⑹依据公式(12)，计算进入步骤(7)；
⑺根据已知的Vdc及公式(17)，计算x(t)有效值的最优值返回步骤(2)；
实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。
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