一種交流電壓有效值檢測方法和裝置的製作方法

2023-05-27 15:03:46 1

專利名稱：一種交流電壓有效值檢測方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子測量技術領域，特別是涉及一種交流電壓有效值檢測方法和裝置。
背景技術：
在電力電子系統中，交流電壓的有效值是一個非常重要的參數，因此，交流電壓有效值的測量也成為電子測量領域內一個重要的研究課題。為了實現對交流電壓有效值的檢測，現有技術中的一種方案是利用集成電路晶片將交流電轉換為直流電後進行測量。如圖1所示，可直接採用已有的交直流轉換晶片(如 LTC1966)，外接電壓互感器、運算放大電路構成檢測電路。其中，電壓互感器的作用是降低輸入信號的電壓幅度，適用於對強電的檢測應用環境。交直流轉換晶片將電壓互感器輸出的低壓交流信號轉換為直流信號，然後進一步通過運算放大器輸出可檢測的直流信號。這種檢測方法的缺陷在於需要對交直流轉換晶片的外圍電路的各種參數進行調試，如果參數選用不當，往往會引起振蕩，影響檢測精度；此外，交直流轉換晶片的價格較高，也不利於成本控制。現有技術中的另一種方案是利用分立元件自行搭接交直流轉換電路，如圖2所示，檢測原理與前一方案類似，不同之處在於利用自行搭接的電路替代集成電路晶片來實現交直流的轉換。由於節省了集成電路晶片，因此該方案可以有效控制成本，但是大量的分立元件也使得電路故障點出現的機率增大，進一步增加了電路參數的調試難度。

發明內容
為解決上述技術問題，本發明實施例提供了一種交流電壓有效值檢測方法和裝置，以解決現有的交流電壓有效值檢測方案的高成本以及調試難度大的問題，技術方案如下一種交流電壓有效值檢測方法，包括利用信號比較器將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號，測量所述脈衝信號的周期 T ；以T的整數倍為採樣長度，對交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值，其中，η為自然數；計算所述η個採樣點的瞬時電壓值的均方根，根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值。本發明實施例還提供一種交流電壓有效值檢測裝置，包括信號比較器，用於將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號；周期測量模塊，用於測量所述信號比較器輸出的脈衝信號的周期T ；瞬時電壓採集模塊，用於以T的整數倍為採樣長度，對交流電信號進行採樣，獲得 η個採樣點的瞬時電壓值，其中，η為自然數；
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電壓有效值確定模塊，用於計算所述瞬時電壓採集模塊確定的η個採樣點的瞬時電壓值的均方根，並根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值。根據本發明實施例方案，通過將交流電信號轉換為脈衝信號後，測量得到脈衝信號的周期，然後在整數倍周期內，對交流電信號進行採樣；根據採樣點的瞬時電壓值，計算待檢測交流電信號的電壓有效值。本方案中，通過軟硬體結合的方式確定待檢測交流電信號的電壓有效值，不需要採用高成本的集成電路晶片，也無需對電路參數進行調試，可以有效解決現有檢測方案的成本高以及調試難度大的問題。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為現有技術的一種交流電壓有效值檢測方案示意圖；圖2為現有技術的另一種交流電壓有效值檢測方案示意圖；圖3為本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測方法的流程圖；圖4為本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測方法信號處理方式示意圖；圖5為本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測方法的第二種流程圖；圖6為本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測方法第二種信號處理方式示意圖；圖7為本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測方法的第三種流程圖；圖8為本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測方法第三種信號處理方式示意圖；圖9為本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測裝置第一種結構示意圖；圖10為本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測裝置第二種結構示意圖；圖11為本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測裝置第三種結構示意圖。
具體實施例方式現有技術中，採用集成電路晶片將交流電轉換為直流電後進行測量的方式和分立元件自行搭接交直流轉換電路的方式來實現對交流電壓有效值的檢測，但是成本較高、調試難度較大。本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測方法和裝置，可有效解決現有技術方案所帶來的成本高、調試難度大的問題。首先對本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測方法進行說明，該方法包括利用信號比較器將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號，測量所述脈衝信號的周期 T ；
以T的整數倍為採樣長度，對交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值，η為自然數；計算所述η個採樣點的瞬時電壓值的均方根，根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值。根據本發明實施例方案，通過將交流電信號轉換為脈衝信號後，測量得到脈衝信號的周期，然後整數倍周期內，對交流電信號進行採樣；根據採樣點的瞬時電壓值，計算待檢測交流電信號的電壓有效值。本方案中，通過軟硬體結合的方式確定待檢測交流電信號的電壓有效值，不需要採用高成本的集成電路晶片，也無需對電路參數進行調試，可以有效解決現有檢測方案的成本高以及調試難度大的問題。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。參見圖3、圖4，本發明實施例所提供的一種交流電壓有效值檢測方法，可以包括以下步驟S101，利用信號比較器將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號，測量所述脈衝信號的周期T ；本實施例中，利用信號比較器將待檢測的交流電信號轉換成的脈衝信號的波形可以為圖4所示。其中，信號比較器的基本工作原理為將交流電信號的瞬時電壓值與信號比較器中預設的比較閾值相比較，當交流電信號的瞬時電壓值小於比較閾值時，輸出第一脈衝值，否則輸出第二脈衝值，這樣可以使得經過信號比較器的交流電信號轉換為有規律的方波形式的脈衝信號。當待檢測交流電信號的脈衝信號確定後，通過CPU處理部分的周期測量模塊，可以得到該脈衝信號的周期T。由於將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號後，並不會導致信號周期的改變，所以，該脈衝信號的周期T即為待檢測交流電信號的周期。其中，脈衝信號的周期T，可以利用定時器在脈衝信號的兩個上升沿之間計數獲得，或者利用定時器在脈衝信號的兩個下降沿之間計數獲得。上述周期測量方法中，通過邊沿中斷的方式來確定脈衝信號的周期T，具體測量過程為當採用上升沿來確定脈衝周期T時當有上升沿中斷發生時，啟動定時周期為Tick的定時器進行計數，相鄰的下一次上升沿中斷發生時，讀取該定時器的計數值Count，則該脈衝信號的周期T為 TickXCount ；同樣的，當採用下降沿來確定脈衝周期T時當有下降沿中斷發生時，啟動定時周期為Tick的定時器進行計數，相鄰的下一次下降沿中斷發生時，讀取該定時器的計數值Count，則該脈衝信號的周期T為TickXCoimt。S102,以T的整數倍為採樣長度，對交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值，η為自然數；本實施例中，在獲得交流電信號周期Τ(即脈衝信號周期Τ)後，可以選取一個或多個連續周期作為採樣的時間長度，利用CPU處理部分中的瞬時電壓採集模塊對交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值Μ1、Μ2、Μ3......Mn，η為自然數。由採樣定理可知，在進行模擬/數位訊號的轉換過程中，當採樣頻率fs大於信號中最高頻率fm的2倍時(fs >= 2fm)，採樣之後的數位訊號可以完整地保留了原始信號中的信息；推算可得，當採樣頻率fs對應的採樣周期ts與最高頻率fm對應的周期tm的關係為ts < 2/tm時，採樣之後的信號完整保留了原始信號中的信息。因此本實施例中，對於相鄰兩個採樣點的時間間隔應該不大於T/2，即至少應該保證在一個周期T內有兩個採樣點， 當然，為了保證採樣精度，在實際應用中，在一個周期中，所取的採樣點一般遠大於2。S103，計算所述η個採樣點的瞬時電壓值的均方根，根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值。本實施例中，通過求多個採樣點瞬時電壓的均方根的方式，來確定待檢測交流電信號的電壓有效值。具體公式為RMS = ^(Ml2 +Ml2 +M3......+Mn2) I η其中，RMS為η個採樣點的瞬時電壓值的均方根。在本實施例所提供的方案中，交流信號的電壓幅值沒有發生變化，因此計算得到的均方根值可以直接確定為待檢測交流信號的電壓有效值。本實施例中，通過將交流電信號轉換為脈衝信號後，測量得到脈衝信號的周期，然後在整數倍周期內，對交流電信號進行採樣；根據採樣點的瞬時電壓值，計算待檢測交流電信號的電壓有效值。本方案中，通過軟硬體結合的方式確定待測交流電信號的電壓有效值， 有效解決現有檢測方案的成本高以及調試難度大的問題。上述方法實施例中，對待檢測的交流電信號直接通過信號比較器來獲得脈衝信號然後進行後續的處理。為了更好的應用於強交流電應用環境，在本發明的另一實施例中，首先通過電壓互感器將待檢測的交流電信號進行降壓處理後，再經過信號比較器轉換為脈衝信號。參見圖5、圖6所示，本發明實施例所提供的另一種交流電壓有效值檢測方法，可以包括以下步驟S201，利用電壓互感器對待檢測交流電信號進行降壓處理；電壓互感器作為一種變壓器，可以將較強的交流電信號進行降壓處理，轉變成較弱的交流電信號，以滿足後續處理的需求。S202，利用信號比較器將降壓後的交流電信號轉換為脈衝信號；通過電壓互感器將待檢測交流電信號進行降壓後，使得交流電信號的強度滿足信號比較器等器件的處理需求，此時，信號比較器可以直接將降壓後的交流電信號轉換為脈衝信號。S203，測量脈衝信號的周期T ；本實施例中，測量脈衝信號周期的方式與上一種實施例相似，此處不再進行贅述。 可以理解的是，降壓處理並不會導致原始待檢測交流信號周期的變化。S204,以T的整數倍為採樣長度，對降壓後的交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值；在本步驟中，對降壓後的交流電信號進行採樣，獲得採樣點的瞬時電壓，具體的採樣方式與上一種實施例相似，此處不再贅述。
S205，計算所述η個採樣點的瞬時電壓值的均方根；S206，利用計算得到的均方根值乘以電壓互感器的降壓比，得到待檢測交流電信號的電壓有效值。可以理解的是，由於所計算得到的均方根值是降壓後的交流電信號的電壓有效有效值，所以需要將均方根值乘以電壓互感器的降壓比，來得到待檢測交流電信號的電壓有效值。本實施例中，在將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號之前，先利用電壓互感器對待檢測的交流電信號降壓處理，以滿足信號比較器等元件的處理需求，從而實現對強交流電信號電壓有效值的檢測。本發明實施例所提供的另一種交流電壓有效值檢測方法，如圖7、圖8所示，可以包括以下步驟S301，利用電壓互感器對待檢測交流電信號進行降壓處理；S302，利用信號比較器將降壓後的交流電信號轉換為脈衝信號；S303，測量脈衝信號的周期T ；本實施例中，步驟S301-S303與上一實施例的S201-S203類似，此處不再贅述。S304，對降壓後的交流電信號進行運算放大；由於CPU處理部分的瞬時電壓採集模塊可以檢測的交流電信號的強度通常規定在某個強度範圍內的，所以為了適用於瞬時電壓採集模塊的要求，可能還需要通過運算放大的方式將降壓後的交流電信號進行一定程度的強度放大。S305，對運算放大的信號進行等間隔採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值；CPU處理部分的瞬時電壓模塊對運算放大的交流電信號進行等間隔的採樣，獲得多個採樣點的瞬時電壓值。其中，具體的採樣方式與上述實施例類似，此處不再贅述。S306，計算η個採樣點的瞬時電壓值的均方根值；S307，利用均方根值乘以電壓互感器的降壓比，再除以運算放大倍數，得到待檢測交流電信號的電壓有效值。可以理解的是，由於接受採樣的交流電信經過了降壓處理、運算放大，所以需要利用瞬時電壓確定的均方根值乘以電壓互感器的降壓比，再除以運算放大倍數，來得到待檢測交流電信號的電壓有效值。本實施例中，為了更好的適用CPU處理部分的瞬時電壓採集模塊，在進行採樣處理前，對降壓後的交流電信號進行運算放大的處理，使得交流電信號的強度滿足瞬時電壓採集模塊對信號強度的要求。本領域普通技術人員可以理解實現上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬體來完成，前述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，執行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括R0M(Read-Only Memory，只讀存儲記憶體)、RAM(RandomAccess Memory,隨機存儲記憶體)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。相應於上面的方法實施例，本發明實施例還提供一種交流電壓有效值檢測裝置， 如圖9所示，該裝置包括信號比較器110，用於將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號；
周期測量模塊120，用於測量信號比較器110輸出的脈衝信號的周期T ；瞬時電壓採集模塊130，用於以T的整數倍為採樣長度，對交流電信號進行採樣， 獲得η個採樣點的瞬時電壓值，其中，η為自然數；電壓有效值確定模塊140，用於計算所述瞬時電壓採集模塊130確定的η個採樣點的瞬時電壓值的均方根，並根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值。其中，周期測量模塊120，可以配置為利用定時器在脈衝信號的兩個上升沿之間計數，獲得脈衝信號的周期；或利用定時器在脈衝信號的兩個下降沿之間計數，獲得脈衝信號的周期。由採樣定理可知，瞬時電壓採集模塊130所設置的相鄰採樣點的間隔應不大於 Τ/2。可以理解的是，周期測量模塊120、瞬時電壓採集模塊130和電壓有效值確定模塊 140的功能可通過軟體來實現。本發明實施例所提供的裝置，通過信號比較器將交流電信號轉換為脈衝信號後， 由周期測量模塊測量得到脈衝信號的周期，然後在整數倍周期內，瞬時電壓採集模塊對交流電信號進行採樣；電壓有效值確定模塊根據採樣點的瞬時電壓值，計算待檢測交流電信號的電壓有效值。本方案所提供的電壓有效值檢測裝置，通過軟硬體結合的方式確定待檢測交流電信號的電壓有效值，不需要採用高成本的集成電路晶片，也無需對電路參數進行調試，可以有效解決現有檢測方案的成本高以及調試難度大的問題。上述實施例所提供的裝置，對待檢測的交流電信號直接通過信號比較器來獲得脈衝信號然後進行後續的處理。為了更好的應用於強交流電應用環境，如圖10所示，該裝置還可以包括連接於待檢測交流電信號輸入端和信號比較器110之間的電壓互感器150，用於對待檢測交流電信號進行降壓處理；由於瞬時電壓採集模塊130與新增的電壓互感器150也是相連的，所以瞬時電壓採集模塊130，用於對降壓後的交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值；相應的，電壓有效值確定模塊140，利用η個採樣點的瞬時電壓值的均方根乘以電壓互感器150的降壓比，得到待檢測交流電信號的電壓有效值。上述檢測裝置中，將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號之前，先利用電壓互感器對待檢測的交流電信號降壓處理，以滿足信號比較器等元件的處理需求，從而實現對強交流電信號電壓有效值的檢測。更進一步的，如圖11所示，該檢測裝置還可以包括連接於電壓互感器150和瞬時電壓採集模塊130之間的運算放大器160，用於對經過電壓互感器150降壓後的交流電信號進行運算放大；由於瞬時電壓採集模塊130與運算放大器160相連，所以瞬時電壓採集模塊130， 用於對經過運算放大的交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值；相應的，電壓有效值確定模塊140，利用η個採樣點的瞬時電壓值的均方根乘以電壓互感器150的降壓比，再除以運算放大器160的運算放大倍數，得到待檢測交流電信號的電壓有效值。
上述方案，在進行採樣處理前，可以對降壓後的交流電信號通過運算放大器的運算放大處理，使得交流電信號的強度滿足瞬時電壓採集模塊對信號強度的要求。對於裝置或系統實施例而言，由於其基本相應於方法實施例，所以相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置或系統實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為模塊顯示的部件可以是或者也可以不是物理模塊，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解並實施。在本發明所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的系統，裝置和方法，在沒有超過本申請的精神和範圍內，可以通過其他的方式實現。當前的實施例只是一種示範性的例子，不應該作為限制，所給出的具體內容不應該限制本申請的目的。例如，所述單元或子單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或多個子單元結合一起。另外，多個單元可以或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特徵可以忽略，或不執行。另外，所描述系統，裝置和方法以及不同實施例的示意圖，在不超出本申請的範圍內，可以與其它系統，模塊，技術或方法結合或集成。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。以上所述僅是本發明的具體實施方式
，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種交流電壓有效值檢測方法，其特徵在於，包括利用信號比較器將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號，測量所述脈衝信號的周期T ； 以τ的整數倍為採樣長度，對交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值，其中，η為自然數；計算所述η個採樣點的瞬時電壓值的均方根，根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述測量脈衝信號的周期Τ，包括 利用定時器在脈衝信號的兩個上升沿之間計數，獲得脈衝信號的周期；或利用定時器在脈衝信號的兩個下降沿之間計數，獲得脈衝信號的周期。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述利用信號比較器將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號，包括 利用電壓互感器對待檢測交流電信號進行降壓處理； 利用信號比較器將降壓後的交流電信號轉換為脈衝信號； 所述對交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值，包括 對降壓後的交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值； 所述根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值，包括 利用計算得到的均方根值乘以電壓互感器的降壓比，得到待檢測交流電信號的電壓有效值。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述對降壓後的交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值，包括對降壓後的交流電信號進行運算放大，對運算放大後的信號進行等間隔採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值；所述根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值，包括利用計算得到的均方根值乘以電壓互感器的降壓比，再除以運算放大倍數，得到待檢測交流電信號的電壓有效值。
5.根據權利要求1至4任一項所述的方法，其特徵在於，相鄰採樣點的間隔不大於Τ/2。
6.一種交流電壓有效值檢測裝置，其特徵在於，包括 信號比較器，用於將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號；周期測量模塊，用於測量所述信號比較器輸出的脈衝信號的周期T ； 瞬時電壓採集模塊，用於以T的整數倍為採樣長度，對交流電信號進行採樣，獲得η個採樣點的瞬時電壓值，其中，η為自然數；電壓有效值確定模塊，用於計算所述瞬時電壓採集模塊確定的η個採樣點的瞬時電壓值的均方根，並根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述周期測量模塊，配置為 利用定時器在脈衝信號的兩個上升沿之間計數，獲得脈衝信號的周期； 或利用定時器在脈衝信號的兩個下降沿之間計數，獲得脈衝信號的周期。
8.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，還包括連接於待檢測交流電信號輸入端和信號比較器之間的電壓互感器，用於對待檢測交流電信號進行降壓處理；所述電壓有效值確定模塊，利用η個採樣點的瞬時電壓值的均方根乘以所述電壓互感器的降壓比，得到待檢測交流電信號的電壓有效值。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，還包括連接於電壓互感器和瞬時電壓採集模塊之間的運算放大器，用於對經過所述電壓互感器降壓後的交流電信號進行運算放大；所述電壓有效值確定模塊，利用η個採樣點的瞬時電壓值的均方根乘以所述電壓互感器的降壓比，再除以所述運算放大器的運算放大倍數，得到待檢測交流電信號的電壓有效值。
10.根據權利要求6至9任一項所述的裝置，其特徵在於，所述瞬時電壓採集模塊所設置的相鄰採樣點的間隔不大於Τ/2。
全文摘要
本發明實施例公開了一種交流電壓有效值檢測方法和裝置。該方法包括利用信號比較器將待檢測交流電信號轉換為脈衝信號，測量所述脈衝信號的周期T；以T的整數倍為採樣長度，對交流電信號進行採樣，獲得n個採樣點的瞬時電壓值，其中，n為自然數；計算所述n個採樣點的瞬時電壓值的均方根，根據計算結果得到待檢測交流電信號的電壓有效值。本方案中，通過軟硬體結合的方式確定待檢測交流電信號的電壓有效值，不需要採用高成本的集成電路晶片，也無需對電路參數進行調試，可以有效解決現有檢測方案的成本高以及調試難度大的問題。
文檔編號G01R19/02GK102207518SQ20111005912
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月11日 優先權日2011年3月11日
發明者林道明 申請人:華為技術有限公司