波形純化器和波形純化方法

2023-10-16 22:25:24 1

專利名稱：：波形純化器和波形純化方法
技術領域：
：本發明涉及一種建立精密測量儀器的新技術，具體而言，涉及一種波形純化器及其操作方法。
背景技術：
：諧波問題是交流精密測量中經常遇到的問題。近年來飛速發展的各種新型電器(如節能燈、逆變器)往往會應用非線性器件，因而產生50Hz的諧波使電網受到汙染。在精密測量電路中被測電量(電壓、電流等)如是非正弦的，其中所含的諧波分量會引起附加的測量誤差。所以會提出去除被測對象中的諧波的要求。目前文獻上見到的去除諧波的方法是採用選頻網絡或選頻放大器。這些方法確實能很好地去除諧波，但也會對基波產生影響，影響基波的準確度。所以在精密測量電路中希望在去除諧波的過程中基波的大小及相位都保持不變。以往的文獻中未見到能真正滿足這樣要求的方法，本申請書則提出了這樣的一種方法，在去除被測量中諧波的過程中，能保持基波的大小及相位都不變。從而提高存在諧波時的測量準確度。因此，本申請書中所提出的裝置可以稱為「波形純化器」。
發明內容根據本發明的第一個方面，提供一種波形純化裝置，用於將被測波形中的諧波分量除去而保持基波分量不變，其特徵在於所述裝置由比例放大器(1)、雙T濾波網絡(2)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)、反饋比例放大器(5)、接地點(6)和分壓電阻器(7)構成。優選地，輸入信號由比例放大器(1)的正輸入端輸入，經分壓電阻器(7)調節後，經輸出電壓跟隨器⑶輸出，從比例放大器⑴輸出的信號經雙T濾波網絡(2)、反饋比例放大器(5)、反饋電壓跟隨器⑷後，反饋到電壓跟隨器(1)的負輸入端。優選地，比例放大器(1)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器⑷和反饋比例放大器(5)採用頻率特性不相同的比例放大器。優選地，比例放大器⑴和反饋電壓跟隨器⑷所使用的運算放大器型號為NationalSemiconductor公司的LF356N，輸出電壓跟隨器(3)所使用的運放型號為MaximIntegratedProducts的MAX400，反饋比例放大器(5)所使用的運放型號為AnalogDevices公司的0P177，電阻的類型為RX-70精密繞線電阻。優選地，所述雙T濾波網絡(2)包括三個電阻(RpR^R3)和三個電容(CpC^C3)，其中，R1和C1之間經導線引出為輸入端子，R2和C2之間經導線引出為輸出端子，R3和C3之間經導線接地。優選地，所述R1和R2是阻值為10kohm的精密繞線電阻，R3由阻值為5kohm的精密繞線電阻和阻值為IOOohm或200ohm的可調電阻器組成，用於調節雙T電橋的平衡。優選地，所述三個電容(CpCyC3)是薄膜電容，其值可以通過多檔可調開關進行不同諧振頻率的切換。根據本方面的第二個方面，提供一種波形純化方法，用於將被測波形中的諧波分量除去而保持基波分量不變，其特徵在於，所述方法使用比例放大器(1)、雙T濾波網絡(2)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)、反饋比例放大器(5)、接地點(6)和分壓電阻器(7)構成的裝置對被測波形進行處理，所述方法包括以下步驟(a)調節電阻R3,使得電阻R1並電阻R2的阻值與電阻R3阻值之比等於電容C3的電容值比電容C1和電容C2並聯的電容值，以實現雙T濾波網絡⑵的電橋平衡；以及(b)微調電阻R3和輸入信號的頻率f，使得雙T網絡⑵的輸出為零，從而雙T網絡對基波信號完全截止。圖1為本發明中波形純化器的原理圖；圖2為本發明中波形純化器電路示意圖；圖3為本發明中調節雙T網絡電橋平衡示意圖；圖4為本發明中雙T濾波網絡頻率響應特性(縱軸_幅度，橫軸_歸一化頻率)；圖5為本發明中R7/R6取不同值時波形純化器頻率響應特性(坐標軸同上)。具體實施例方式圖1中是本申請書中提出的波形純化器的原理圖。這是一個負反饋系統。其中反饋環路中包含了三個運算放大器。假設要測量一個含有諧波的非正弦電壓仏。運算放大器A1對於U1而言是一個正端輸入的比例放大器，其放大倍數為(R5+R4)/R4，當R1=R2時放大倍數就等於2。R8、R9是一個電阻分壓器，當R8=R9時，電壓跟隨器A4輸出信號的基波與輸入信號的基波完全相等。運算放大器A2則是一個正端輸入的比例放大器。其放大倍數為R7/R6。運算放大器A3是一個跟隨器，在運算放大器A2與R4之間作緩衝器。發明的關鍵點在於運算放大器~的輸出後面插入了一個雙T濾波網絡。若雙T濾波網絡的平衡頻率調節得正好等於被測電壓基波的頻率。此時雙T濾波網絡對基波的傳輸係數等於0，即對於基波不會由於運算放大器A2而產生附加的負反饋。對於諧波而言，雙T濾波網絡的傳輸係數不為0，因而就會由於運算放大器A2而產生附加負反饋。運算放大器A2的放大倍數R7/R6越大，對於諧波的附加負反饋也越大，從而對諧波產生很大的衰減。這樣，在保證基波信號沒有衰減的情況下，諧波成分被抑制，從而實現波形純化的目的。下面具體說明兩個關鍵問題a)如何調節雙T網絡平衡首先，調節雙T濾波網絡的電橋平衡(粗調)。雙T濾波網絡平衡時具有電橋特性，滿足式(1)。所以應首先調節雙T濾波網絡的電橋平衡。R-,C、I丨C7^f~=—---(1)R^//R2C3具體操作是調節電阻R3,使得電阻R1並電阻R2的阻值與電阻R3阻值之比等於電容C3的電容值比電容C1和電容C2並聯的電容值，電橋見圖3。然後，調節雙T使其對基波完全截止(細調)。雙T濾波網絡調節電橋平衡之後，按波形純化的原理連接雙T網絡的電阻電容，微調電阻R3和輸入信號的頻率f，使得雙T網絡的輸出為零，從而雙T網絡對基波信號完全截止，輸入信號頻率f即基波頻率(諧振頻率)。b)波形純化器的頻率響應特點雙T濾波網絡歸一化的網絡傳遞函數為式(2)，頻率響應曲線見圖4。實際上，它是一個僅對諧振頻率進行阻止的網絡，在調節平衡的條件下，它可以使得基波頻率輸出為零。Η(χ)=1χ=)1+.4χ,崎(2)反饋比例運算放大器的放大倍數為R7/R6，那麼，波形純化器的網絡傳遞函數為式(3)。圖5給出了R7/R6分別等於10、100和1000時的頻率響應曲線。^7、0.5H(χ)=-=—0.5+H(xA⑴Re顯然，&/16越大，對於諧波的附加負反饋也越大，從而對諧波產生的衰減也越大。整個反饋迴路由三個運算放大器組成的，假設三個運算放大器的時間常數為τρτ2，τ3，系統的閉環特徵方程為式(4)。T1T2T3ρ3+(τjτ2+τ2τ3+τjτ3)ρ2+(τj+τ2+τ3)ρ+1+Κ0=0(4)根據Routh判據，在比例放大器(1)和反饋電壓跟隨器⑷放大倍數確定的情況下，反饋比例放大器(5)的放大倍數Ktl應該滿足式(5)，系統才是穩定的。K0=^-+^+^+++(5)Λ6T2T1T3T2T1T3由於Ktl的值越大濾波效果越好，所以波形純化器的一個關鍵技術在於尋找相匹配的三個時間常數τ」τ2，τ3，使得Ktl的值儘可能的大。實際匹配的結果是在採用權利5所述的器件時，放大倍數達到200倍，這時，保證系統穩定的同時獲得好的濾波特性。系統連接方式按照圖2所示連接，運算放大器A1選用LF356N，系統的輸入信號由A1的3腳輸入,A1的2腳和6腳之間接入阻值為IOkOhm(R5)的精密繞線電阻，A1的6腳為輸出端子。輸出信號有分成兩路第一路作為輸出與輸出分壓電阻器R8的一個端子相連，第二路作為雙T網絡的輸入。雙T網絡由三個電阻R1R3和三個電容C1C3組成，其中R1和R2是阻值為IOkohm的精密繞線電阻，R3由阻值為5kohm的精密繞線電阻和阻值為IOOohm或200ohm的可調電阻器串聯而成，可調電阻器主要用於調節雙T電橋的平衡(粗調和細調)。(^(3為薄膜電容，其值可以通過多檔可調開關進行不同諧振頻率的切換，在確定諧振頻率fo和電阻值R1=R2=2R3=R的情況下，不同檔位下C1C3的數值如下表。表1.不同檔位下C1C3的數值tableseeoriginaldocumentpage6雙T網絡R3和C3之間經導線接地，R1和C1之間經導線引出為輸入端子，R2和C2之間經導線引出為輸出端子。輸出端經阻值為IOOohm的電阻R6輸入到運算放大器A2(0P177)的2腳。運算放大器A2選用0P177，輸入信號(來自雙T網絡的輸出)從2腳輸入，3腳接地，2腳和6腳之間接電阻值為20kohm的電阻R7,6腳為輸出端子，輸入到電壓跟隨器的3腳。反饋迴路中的電壓跟隨器A3型號為LF356N，它的輸出經阻值為IOkohm的精密繞線電阻R4反饋到運算放大器A1的負輸入端子(2腳)。輸出電阻分壓器由電阻R8和R9串聯構成，其阻值均為IOkohm,由A1輸出的信號輸入到R8的上端子，R8和R9之間由導線引出作為輸出端子。在R8和R9的兩端各並聯若干高阻值電阻(1M-20Mohm)用於細調二者之間的比例，以保證輸出的基波電壓幅值不會發生變化。輸出電壓跟隨器的運放A4選用MAX400，用於與測量迴路隔離。在基波頻率為&=15.25Hz的情況下，測得波形純化器的頻率特性如下表表2.基波頻率&=15.25Hz時波形純化器的頻率特性tableseeoriginaldocumentpage7tableseeoriginaldocumentpage7在波形純化器調節平衡的情況下，對輸出信號穩定性進行了測試，測試結果如下。去除溫漂後，短期內輸出的穩定性能達到10_8量級。表3.輸出信號穩定性測試tableseeoriginaldocumentpage8tableseeoriginaldocumentpage9注表中不確定度是指A類不確定度，計算方法為formulaseeoriginaldocumentpage9權利要求一種波形純化裝置，用於將被測波形中的諧波分量除去而保持基波分量不變，其特徵在於所述裝置由比例放大器(1)、雙T濾波網絡(2)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)、反饋比例放大器(5)、接地點(6)和分壓電阻器(7)構成。2.根據權利要求1所述的波形純化裝置，其特徵在於輸入信號由比例放大器(1)的正輸入端輸入，經分壓電阻器(7)調節後，經輸出電壓跟隨器(3)輸出，從比例放大器(1)輸出的信號經雙T濾波網絡(2)、反饋比例放大器(5)、反饋電壓跟隨器(4)後，反饋到電壓跟隨器(1)的負輸入端。3.根據權利要求1或2所述的波形純化裝置，其特徵在於比例放大器(1)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)和反饋比例放大器(5)採用頻率特性不相同的比例放大4.根據權利要求3所述的波形純化裝置，其特徵在於，比例放大器(1)和反饋電壓跟隨器(4)所使用的運算放大器型號為NationalSemiconductor公司的LF356N，輸出電壓跟隨器(3)所使用的運放型號為MaximlntegratedProducts的MAX400，反饋比例放大器(5)所使用的運放型號為AnalogDevices公司的0P177，電阻的類型為RX-70精密繞線電阻。5.根據權利要求1或2所述的波形純化裝置，其特徵在於，所述雙T濾波網絡(2)包括三個電阻(R1>R2>R3)和三個電容和、(2、(3)，其中，R1和C1之間經導線引出為輸入端子，R2和C2之間經導線引出為輸出端子，R3和C3之間經導線接地。6.根據權利要求2所述的波形純化裝置，其特徵在於，所述R1和R2是阻值為IOkohm的精密繞線電阻，R3由阻值為5kohm的精密繞線電阻和阻值為IOOohm或200ohm的可調電阻器組成，用於調節雙T電橋的平衡。7.根據權利要求2或3所述的波形純化裝置，其特徵在於，所述三個電容(CpC^C3)是薄膜電容，其值可以通過多檔可調開關進行不同諧振頻率的切換。8.一種波形純化方法，用於將被測波形中的諧波分量除去而保持基波分量不變，其特徵在於，所述方法使用比例放大器(1)、雙T濾波網絡(2)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)、反饋比例放大器(5)、接地點(6)和分壓電阻器(7)構成的裝置對被測波形進行處理，所述方法包括以下步驟(a)調節電阻R3，使得電阻R1並電阻R2的阻值與電阻R3阻值之比等於電容C3的電容值比電容C1和電容C2並聯的電容值，以實現雙T濾波網絡⑵的電橋平衡；以及(b)微調電阻R3和輸入信號的頻率f，使得雙T網絡(2)的輸出為零，從而雙T網絡對基波信號完全截止。全文摘要目前文獻上見到的去除諧波的方法是採用選頻網絡或選頻放大器。這些方法確實能很好地去除諧波，但也會對基波產生影響，影響基波的準確度。所以在精密測量電路中希望在去除諧波的過程中基波的大小及相位都保持不變，以往的文獻中未見到能真正滿足這樣要求的方法。本申請書則提出了這樣的一種方法，在去除被測量信號中的諧波分量過程中，能保持基波的大小及相位都不變。從而提高存在諧波時的測量準確度。因此，本申請書中所提出的裝置可以稱為「波形純化器」。波形純化器通過雙T網絡組成閉環負反饋，保持基波幅值和相位不變的情況下，通過匹配負反饋迴路中運算放大器的時間常數能極大的消除諧波的含量。從而提高波形純化的目的，提高測量準確度。測試結果表明，本申請書提出的波形純化器完全達到了波形純化的技術指標和目的。文檔編號H03H7/01GK101820260SQ20101015638公開日2010年9月1日申請日期2010年4月27日優先權日2010年4月27日發明者張鍾華,李世松,李正坤,賀青申請人:中國計量科學研究院