CN115267302A - 交流电压有效值测量装置 - Google Patents
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Abstract
交流电压有效值测量装置，解决了针对采样时基抖动存在误差的问题，属于交流电压测量技术领域。本发明包括：信号调理电路对待测交流信号进行调理，调理后经测频电路转换成方波信号，FPGA模块对方波信号和标准时钟信号进行计数，微控制器模块根据计数值计算待测交流信号的频率，根据频率确定采样率，FPGA模块对方波信号进行二分频，确定采样时序：在二分频信号的高电平时段A/D转换器进行采样，每个采样周期的初次采样信号选定在方波信号过零点后的10ns，20ns，30ns……，且在每个采样周期内按照确定的采样率进行采样；A/D转换器根据采样时序对调理后的交流信号进行采样；微控制器模块对采样的数字信号进行计算，得到交流电压有效值。
Description
技术领域
本发明属于交流电压测量技术领域。
背景技术
数字万用表有着强大且完备的测量功能及计算功能，主要功能有十多种，其中交流电压测量是很重要的功能，对交流电压的测量精度要求随着数字万用表精度的提高而提高。测量交流电压的方法一般是利用交直变换技术然后再测量直流量，可以是有效值、平均值或峰值。由于信号中含有的高次谐波分量的影响，会造成波形畸变，并且受到交直转换器的精度等因素的影响，转换的直流电压会存在误差。测量电路中存在的电容、电感等参数又会使信号产生电压幅值的变化及相位差，影响幅频特性和相频特性。除此之外，在测量的过程中外部环境产生的外部噪声如电阻工作产生的热噪声、电源噪声、温度噪声以及由于晶体管工作机制产生的1/f噪声等，各种噪声都会对测量电路产生干扰，由于干扰会使输入信号产生毛刺或抖动，因此想要较为准确地测量交流电压还是比较困难。
现有限制交流测量技术发展的因素主要有硬件电路设计不合理，噪声大，降低了电路的性能，无法保证测量精度和稳定性；内部元件如电容、电阻的精度不够，开关元件如MOS管的导通电阻也会产生影响；A/D转换器的采样速度和精度不能兼顾；设计的校准方法不合理等。
发明内容
针对采样时基抖动存在误差的问题，本发明提供一种交流电压有效值测量装置。
本发明的一种交流电压有效值测量装置，所述测量装置包括信号调理电路、测频电路、A/D转换器、FPGA模块和微控制器模块；
信号调理电路，同时与微控制器模块和测频电路、A/D转换器连接，用于接收微控制器模块的通道选择信号，根据接收的通道选择信号选择对应幅值的通道对输入的待测交流信号进行调理，调理后的交流信号同时输入至测频电路和A/D转换器；
测频电路，与FPGA模块连接，用于将输入的交流信号转换成方波信号，并输入至FPGA模块；
FPGA模块，与微控制器模块连接，用于对输入的方波信号和标准时钟信号进行计数，将两个计数值发送给微控制器模块；
微控制器模块，用于根据接收的计数值计算待测交流信号的频率，根据频率确定A/D转换器的采样率，并通过将采样率发送给FPGA；
FPGA模块，同时与A/D转换器连接，用于对输入的方波信号进行二分频，确定采样时序，采样时序满足：在二分频信号的高电平时段A/D转换器进行采样，每个采样周期的初次采样信号选定在方波信号过零点后的10ns，20ns，30ns……，且在每个采样周期内按照接收的采样率进行采样；将采样时序信号发送至A/D转换器；
A/D转换器，用于根据采样时序信号，对调理后的交流信号进行采样，获得采样数字信号，经FPGA发送至微控制器模块；
微控制器模块，还用于对接收的采样数字信号进行计算，得到交流电压有效值。
作为优选，所述A/D转换器的采样率为1M/sps。
作为优选，所述FPGA模块控制A/D转换器采用顺序等效采样的方法进行采样，对于重复性周期信号，每个周期采样频率一致，下一个采样周期采样点会在上一采样周期采样点基础上顺延设定时间，从而在连续采样多个点后还原出输入的待测交流信号的波形。
作为优选，所述信号调理电路包括衰减电路和D/A转换器；
衰减电路用于对输入的待测交流信号进行衰减，衰减后的信号输入至D/A转换器；
D/A转换器，用于构成等效电阻，该等效电阻对输入的衰减后的信号进行平坦度补偿。
本发明的有益效果，本发明每个周期的采样只有第一个采样点存在采样时基抖动，之后的采样点都是在该采样点基础上准确延时1，不会额外引出时基抖动误差。本发明达到有效值在0.3V～3.3V的范围，频率在45～10kHz范围内最高不确定度40ppm的指标。
附图说明
图1为本发明测量装置的原理示意图；
图2为本发明误差抑制采样方式的原理示意图；
图3为本发明信号调理电路的原理示意图；
图4为本发明顺序等效采样方法的原理示意图；
图5为输入信号10kHz，1V下测试结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本实施方式的交流电压有效值测量装置，包括信号调理电路、测频电路、A/D转换器、FPGA模块和微控制器模块；
信号调理电路同时与微控制器模块和测频电路、A/D转换器连接，用于接收微控制器模块的通道选择信号，根据接收的通道选择信号选择对应幅值的通道对输入的待测交流信号进行调理，调理后的交流信号同时输入至测频电路和A/D转换器；测频电路与FPGA模块连接，用于将输入的交流信号转换成方波信号，并输入至FPGA模块；FPGA模块与微控制器模块连接，用于对输入的方波信号和标准时钟信号进行计数，将两个计数值发送给微控制器模块；微控制器模块用于根据接收的计数值计算待测交流信号的频率，根据频率确定A/D转换器的采样率，并通过将采样率发送给FPGA；FPGA模块同时与A/D转换器连接，用于对输入的方波信号进行二分频，确定采样时序，采样时序满足：在二分频信号的高电平时段A/D转换器进行采样，每个采样周期的初次采样信号选定在方波信号过零点后的10ns，20ns，30ns……，且在每个采样周期内按照接收的采样率进行采样；将采样时序信号发送至A/D转换器；A/D转换器用于根据采样时序信号，对调理后的交流信号进行采样，获得采样数字信号，经FPGA发送至微控制器模块；微控制器模块还用于对接收的采样数字信号进行计算，得到交流电压有效值。
本实施方式中，输入待测交流信号首先进入信号调理电路，微控制器模块通过对输入信号不同的幅值来进行信号调理电路中通道的选择，对电压有效值较低的输入信号进行放大，对电压有效值较高的输入信号进行衰减，使得交流信号的动态范围变小。经过信号调理电路调理后的交流信号通过测频电路转换成方波信号，由FPGA模块进行测频操作，FPGA模块通过内部计数器对转换后的输入信号和标准时钟信号进行计数，将两个计数值通过FSMC通信发送给微控制器模块，微控制器模块根据接收的计数值计算输入信号的频率，根据不同的频率值会设定不同的A/D转换器的采样率，并通过FSMC通信将采样率发送给FPGA模块，再由FPGA模块向A/D转换器发送采样时序信号。
获得采样时序的A/D转换器对经信号调理电路之后的输入信号进行数字采样，在转换完成后，将采样的数字信号返回给FPGA模块，再经FPGA模块将采样的数据发送给微控制器模块，由微控制器模块完成交流电压有效值的计算，并将有效值计算结果发送给PC机。
针对采样时基抖动存在的误差，如图2所示，根据测频电路可以得到输入正弦信号对应的方波信号，对此方波信号进行二分频后，在二分频信号的高电平时段进行数据采样，每个采样周期的初次采样信号选定在过零点后的10ns，20ns，30ns……，并且在每个采样周期内都按照1M/sps的采样率进行直接采样，按照这样的采样方法，完成100个采样周期便可实现100M/sps的等效采样频率。
从分析可以看出，每个周期的采样只有第一个采样点存在采样时基抖动，之后的采样点都是在该采样点基础上准确延时1，不会额外引出时基抖动误差。因此对于最高100M的等效采样率，也只需要100个周期的采样数据结合便可，这样便只引入了100次采样时基抖动误差。
如图3所示，本实施方式中信号调理电路的作用分为两部分：衰减和平坦度补偿，衰减采用阻容分压的方式，通过不同的衰减比例选择不同的电阻与电容参数。由于阻容分压可能会存在频率特性平坦度不足的情况，因此选用D/A转换器来形成虚拟微调元器件的方式来调整电路的平坦度，本实施方式的D/A转换器为乘法型DA，其参考电压VREF可以用来作为输入，通过改变D/A转换器的数字输入量来对信号进行有效值调整输出。
本实施方式的测频电路的主要作用是对信号调理电路输出的交流电压进行过零检测，将交流电压转换成方波信号提供给FPGA模块进行测频。
为解决A/D转换器采样频率与分辨率的矛盾，本实施方式采取顺序等效采样的方法。根据输入信号的频率设定采样频率，且采样频率还会根据输入信号频率发生改变。即对于重复性周期信号，每个周期采样频率一致，下一个采样周期采样点会在上一采样周期采样点基础上顺延一段时间，从而在连续采样多个点后还原出输入信号的波形，即要求采样频率与信号频率同步。顺序等效采样的采样示意图如图4所示。
在待测信号频率为10kHz，有效值为1V，测试结果如图5所示。
可以看出，测试结果的电压值的极差在40μV左右，按照99％的置信区间对不确定度进行计算，计算得到的测量不确定度为27ppm。表1给出了在输入信号频率保持10kHz，改变不同的输入有效值所得的测试结果。
表1交流数字采样***10kHz测试结果
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (7)
1.一种交流电压有效值测量装置，其特征在于，所述测量装置包括信号调理电路、测频电路、A/D转换器、FPGA模块和微控制器模块；
信号调理电路，同时与微控制器模块和测频电路、A/D转换器连接，用于接收微控制器模块的通道选择信号，根据接收的通道选择信号选择对应幅值的通道对输入的待测交流信号进行调理，调理后的交流信号同时输入至测频电路和A/D转换器；
测频电路，与FPGA模块连接，用于将输入的交流信号转换成方波信号，并输入至FPGA模块；
FPGA模块，与微控制器模块连接，用于对输入的方波信号和标准时钟信号进行计数，将两个计数值发送给微控制器模块；
微控制器模块，用于根据接收的计数值计算待测交流信号的频率，根据频率确定A/D转换器的采样率，并通过将采样率发送给FPGA；
FPGA模块，同时与A/D转换器连接，用于对输入的方波信号进行二分频，确定采样时序，采样时序满足：在二分频信号的高电平时段A/D转换器进行采样，每个采样周期的初次采样信号选定在方波信号过零点后的10ns，20ns，30ns……，且在每个采样周期内按照接收的采样率进行采样；将采样时序信号发送至A/D转换器；
A/D转换器，用于根据采样时序信号，对调理后的交流信号进行采样，获得采样数字信号，经FPGA发送至微控制器模块；
微控制器模块，还用于对接收的采样数字信号进行计算，得到交流电压有效值。
2.根据权利要求1所述的交流电压有效值测量装置，其特征在于，所述A/D转换器的采样率为1M/sps。
3.根据权利要求1所述的基于等效采样的交流电压有效值测量装置，其特征在于，所述FPGA模块控制A/D转换器采用顺序等效采样的方法进行采样，对于重复性周期信号，每个周期采样频率一致，下一个采样周期采样点会在上一采样周期采样点基础上顺延设定时间，从而在连续采样多个点后还原出输入的待测交流信号的波形。
4.根据权利要求1所述的交流电压有效值测量装置，其特征在于，所述信号调理电路包括衰减电路和D/A转换器；
衰减电路用于对输入的待测交流信号进行衰减，衰减后的信号输入至D/A转换器；
D/A转换器，用于构成等效电阻，该等效电阻对输入的衰减后的信号进行平坦度补偿。
5.根据权利要求4所述的交流电压有效值测量装置，其特征在于，
所述衰减电路采用阻容分压的方式，通过不同的衰减比例选择不同的电阻与电容参数。
6.根据权利要求1所述的基于等效采样的交流电压有效值测量装置，其特征在于，微控制器模块采用STM32单片机实现。
7.根据权利要求1所述的基于等效采样的交流电压有效值测量装置，其特征在于，FPGA模块与微控制器模块通过FSMC通信。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010012320A1 (en) * | 2000-01-31 | 2001-08-09 | Toshifumi Watanabe | Jitter measuring device and method |
| CN202339369U (zh) * | 2011-12-01 | 2012-07-18 | 北京航天测控技术有限公司 | 一种交流低频rms值转换装置 |
| CN113791268A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-12-14 | 西安宏泰时频技术有限公司 | 一种高频交流电压有效值测量的方法、装置及存储介质 |
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2022
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010012320A1 (en) * | 2000-01-31 | 2001-08-09 | Toshifumi Watanabe | Jitter measuring device and method |
| CN202339369U (zh) * | 2011-12-01 | 2012-07-18 | 北京航天测控技术有限公司 | 一种交流低频rms值转换装置 |
| CN113791268A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-12-14 | 西安宏泰时频技术有限公司 | 一种高频交流电压有效值测量的方法、装置及存储介质 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 刘凛韦;邓文迪;: "基于等效采样的交流毫伏表实现", 传感器与微***, no. 10, 26 September 2018 (2018-09-26) * |
| 刘埕: "高精度交流电压测量方法与自动校准技术的研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑, 15 March 2022 (2022-03-15), pages 1 - 43 * |
| 张雪: "精密交流电压标准源在线自校准技术研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅱ辑), 11 November 2022 (2022-11-11) * |
| 杨春玲等: "高精度交流电压有效值测量技术研究", 仪 表 技 术 与 传 感 器, no. 5, 31 May 2023 (2023-05-31) * |
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