專利名稱：一種交流電中檢測直流分量的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電學領域，尤其是一種交流電中檢測直流分量的方法及裝置。
背景技術：
電力發電與傳輸網中的直流分量或直流偏磁將直接導致電網變壓器噪音增大、振動加劇，甚至引起變壓器局部過熱而損壞；如果并網時加入的直流分量很多，總的直流過大，在嚴重情況下將會導致變壓器鐵芯半波飽和，引起激磁電流急劇增加并且波形嚴重畸變，產生的大量高次諧波，不僅給連接在電網上的電器構成嚴重干擾，還有可能使變壓器消耗大量無功功率引起電網電壓波動，對電力系統安全運行構成嚴重威脅，必須加以嚴格監控。然而，直流偏磁或交流電中的直流干擾卻普遍存在于電力傳輸網及其終端的各種應用系統中。比如，交流電網在附近高壓直流輸電和強磁暴干擾下，會有較大的流經變壓器中性線、變壓器繞組及輸電線路的直流電，引起交流電網中主變壓器的直流偏磁，如圖1所示為現有技術中交流電轉換系統的結構示意圖，變壓器三角型繞組連接正弦工頻電源，星型繞組通過電網連接負載，電網受干擾時直流偏移電流通過星型繞組流入變壓器。在風力、 太陽能等各種發電系統中，通常需要采用單相或三相SPWM逆變器把不穩定的交流或直流電能轉變為符合入網要求的交流電能，由于半導體功率器件(如IGBT)開關特性的差異，以及線路信號的不同時延等因素，導致輸出交流電壓中直流分量難以避免，即存在偏磁問題。直流干擾不僅存在于交流電網和發電逆變系統，在很多大功率用電系統中，特別是在變頻控制、開關功率放大器、以及不間斷電源和交流穩壓電源等領域，也有同樣的直流分量干擾問題需處理。比如，油氣田開采過程中廣泛使用的潛油電泵(Electrical Submers ible Pump，ESP，簡稱電潛泵或潛油泵)控制就是很典型的例子。綜上所述，由于交流電中的直流分量或直流偏磁在很多情況下會對電力傳輸與各種應用系統造成很大干擾和破壞，而直流電壓的存在是造成正反方向的電壓波形不對稱從而引發偏磁的根本原因，如何檢測出直流電壓和電流并通過恰當的電路進行校正是抑制偏磁的技術關鍵。因此，所有情況下都會面臨如何對強交流電中較小的直流分量進行簡便、準確可靠的測量問題。對強交流電中直流分量的監測，目前都普遍采用各種霍爾傳感器、電流互感器進行間接測量，或采取電阻并聯分壓或串聯采樣進行直接測量的方法。這些方法的特點是原理簡單技術成熟，但應用有很多局限性電流互感器和霍爾傳感器體積大成本較高，很難進行集成應用。電阻分壓或電阻采樣方式，為適應后續的弱電器件電平(比如運算放大器、 比較器和A/D轉換等電路，耐壓通常在5V-25V以內)設計要求，對包含在高達數百上千伏的高壓強交流中的直流分量進行測量時，電路的耐壓與可靠性要求必將大大提高；此外，在野外極端條件諸如ESP井下的工礦測量環境下，測量模塊還要求能夠適應高溫、高電壓和強干擾等設計要求，而普通運算放大器很難直接應對高達150度高溫和數百伏以上的高電壓；因此，檢測時必須對輸入交流進行高壓隔離或對整個輸入信號作很大幅度的衰減，這又不可避免對測量電路的精度、線性度和靈敏度產生影響。中國專利申請號99115990. X，發明名稱為消除直流分量的方法和利用該方法獲得的濾波裝置，該發明方案提出了一種如何消除直流分量的方法，其還是使用上述現有技術中的直流檢測方式。中國專利申請號200810060532. 9，發明名稱為一種直流分量消除電路， 該發明只是公開了一種直流消除電路，對于如何測量得到直流分量并沒有做過多的描述。
發明內容
本發明實施例提供一種交流電中檢測直流分量的方法及裝置，用于解決現有技術中直流分量檢測電路成本高，集成度低，可靠性不高的問題。本發明實施例提供了一種交流電中檢測直流分量的方法，包括，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號；將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消；檢測所述抵消后的直流分量。根據本發明實施例所述的一種交流電中檢測直流分量方法的一個進一步的方面， 將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號包括，獲取所述正半周電信號和負半周電信號的峰值；在所述將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消中還包括，獲得所述峰值正半周電信號和負半周電信號峰值之間的差值。根據本發明實施例所述的一種交流電中檢測直流分量方法的再一個進一步的方面，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號還包括，獲取所述正半周電信號和負半周電信號的谷值；在所述將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消中還包括，獲得所述峰值正半周電信號和負半周電信號谷值之間的差值。根據本發明實施例所述的一種交流電中檢測直流分量方法的另一個進一步的方面，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號還包括，分別獲取所述正半周電信號的峰值和谷值，獲取負半周電信號的峰值和谷值，獲得所述正半周電信號峰值和谷值之和的平均值，獲得所述負半周電信號峰值和谷值之和的平均值；在所述將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消中還包括，計算所述正半周電信號的平均值與負半周電信號的平均值之間的差值。根據本發明實施例所述的一種交流電中檢測直流分量方法的另一個進一步的方面，將待測的交流電信號進行極性分離中包括，使用運算放大器對待測交流電信號進行放大。本發明實施例還提供了一種交流電中檢測直流分量的裝置，包括，待測交流電源，極性分離電路，極性抵消電路，直流檢測電路；所述極性分離電路將所述待測交流電源輸出的電信號分離為正半周和負半周的電信號；所述極性抵消電路將所述極性分離電路輸出的正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消； 所述直流檢測電路檢測所述極性抵消電路輸出的直流分量。 根據本發明實施例所述的一種交流電中檢測直流分量裝置的一個進一步的方面，
所述極性分離電路進一步包括正半周峰值獲取電路和負半周峰值獲取電路，所述正半周峰
5值獲取電路用于獲取所述正半周電信號的峰值，所述負半周峰值獲取電路用于獲取所述負半周電信號的峰值。根據本發明實施例所述的一種交流電中檢測直流分量裝置的再一個進一步的方面，所述極性分離電路進一步包括正半周谷值獲取電路和負半周谷值獲取電路，所述正半周谷值獲取電路用于獲取所述正半周電信號的谷值，所述負半周谷值獲取電路用于獲取所述負半周電信號的谷值。根據本發明實施例所述的一種交流電中檢測直流分量裝置的另一個進一步的方面，所述極性分離電路進一步包括正半周峰值獲取電路、正半周谷值獲取電路、負半周峰值獲取電路、負半周谷值獲取電路、求平均值電路，根據所述正半周峰值獲取電路、正半周谷值獲取電路，負半周峰值獲取電路和負半周谷值獲取電路的輸出，分別獲得所述正半周電信號峰值和谷值之和的平均值，并獲得所述負半周電信號峰值和谷值之和的平均值。根據本發明實施例所述的一種交流電中檢測直流分量裝置的另一個進一步的方面，還包括運算放大器，連接在待測交流電源和極性分離電路之間，放大所述待測交流電信號。通過本發明實施例，通過將交直流混合信號分離為正半周和負半周的信號，并進行抵消后，獲得直流分量，可以以簡單的電路結構實現高度集成化，并且工作可靠、穩定，適用于多種惡劣環境下。
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地介紹，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，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為現有技術中交流電轉換系統的結構示意圖；圖2所示為本發明實施例一種交流電中檢測直流分量的方法流程圖；圖3所示為本發明實施例一種交流電中檢測直流分量裝置的結構示意圖；圖4所示為本發明實施例一種直流偏移雙極性檢測電路的電路圖；圖5所示為本發明實施例交直流混合信號的正半周處理電路圖；圖6a所示為在Vdc > Vm時圖5正半周輸入波形圖；圖6b所示為在Vdc > Vm時圖5正半周輸出波形圖；圖7a所示為在Vdc < Vm時圖5正半周輸入波形圖；圖7b所示為在Vdc < Vm時圖5正半周輸出波形圖；圖7c所示為在Vdc = 0時圖5正半周輸入波形圖；圖7d所示為在Vdc = 0時圖5正半周輸出波形圖；圖8a所示為本發明實施例線性光藕的結構電路圖；圖8b所示為本發明實施例線性光藕內部結構電路圖；圖9所示為本發明實施例強交流干擾下的單極性檢測電路的電路圖；圖10所示為本發明實施例強交流干擾下的雙極性檢測電路的電路圖；圖Ila所示為本發明實施例精密半波整流電路圖lib所示為本發明實施例精密峰值、谷值獲取電路圖；圖Ilc所示為本發明實施例精密射極跟隨器的電路圖；圖Ild所示為本發明實施例加法器的電路圖；圖lie、圖Ilf和圖Ilg所示為本發明實施例中的各種減法器電路圖；圖12a為圖4實施例的輸入信號波形圖；圖12b所示為圖4實施例的輸出波形圖。
具體實施例方式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，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。如圖2所示為本發明實施例一種交流電中檢測直流分量的方法流程圖。包括，步驟201，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號。步驟202，將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消。步驟203，檢測所述抵消后的直流分量。在所述步驟201中，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號包括，獲取所述正半周電信號和負半周電信號的峰值；在所述步驟202中還包括，獲得所述峰值正半周電信號和負半周電信號峰值之間的差值。在所述步驟201中，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號還包括，獲取所述正半周電信號和負半周電信號的谷值；在所述步驟202中還包括， 獲得所述峰值正半周電信號和負半周電信號谷值之間的差值；在所述步驟201中，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號還包括，分別獲取所述正半周電信號的峰值和谷值，獲取負半周電信號的峰值和谷值，獲得所述正半周電信號峰值和谷值之和的平均值，獲得所述負半周電信號峰值和谷值之和的平均值；在所述步驟202中還包括，計算所述正半周電信號的平均值與負半周電信號的平均值之間的差值。在上述步驟中，可以設置針對交直流混合信號雙極性進行分別處理，一路針對直流正偏移，另一路針對直流負偏移，這樣無論輸入信號是哪種偏移均可以輸出直流分量信號，并且根據哪一路輸出的直流分量信號，就可以判斷直流分量是正偏移還是負偏移。所述步驟203中，可以通過線性光耦隔離輸出的方法檢測出所述直流分量，或者還可以采用霍爾傳感器、電流互感器檢測所述直流分量。在上述步驟201中，還可以包括使用運算放大器對待測交流電信號進行放大，這樣可以實現對微弱信號的測量和檢測。通過上述實施例，可以以簡單的結構、微型化的體積實現對交流電信號中的直流分量進行檢測，然后根據該檢測到的直流分量進行后繼處理，其中這些后繼處理可以使用現有技術中的處理方式，例如背景技術中的后繼處理，當然對于后繼處理本發明不作任何限制；并且無需采用現有技術中電阻分壓來進行衰減，避免了分壓衰減電路對測量的精度、線性度和靈敏度的影響；由于本發明所使用的部件均為高穩定性的部件，因此更能適應高溫和數百伏以上的高電壓等惡劣應用環境，例如ESP井下工礦測量；本發明的電路很容易做成微型化的專用集成芯片，替代部分無源器件應用于強交流環境下實現直流分量的抗干擾隔離測量。如圖3所示為本發明實施例一種交流電中檢測直流分量裝置的結構示意圖。包括待測交流電源301，極性分離電路302，極性抵消電路303，直流檢測電路304。所述極性分離電路302將所述待測交流電源輸出的電信號分離為正半周和負半周的電信號；所述極性抵消電路303將所述極性分離電路302輸出的正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消；所述直流檢測電路304檢測所述極性抵消電路303輸出的直流分量。所述極性分離電路302進一步包括正半周峰值獲取電路3021和負半周峰值獲取電路3022，所述正半周峰值獲取電路3021用于獲取所述正半周電信號的峰值，所述負半周峰值獲取電路3022用于獲取所述負半周電信號的峰值。所述極性分離電路302進一步包括正半周谷值獲取電路3023和負半周谷值獲取電路3024，所述正半周谷值獲取電路3023用于獲取所述正半周電信號的谷值，所述負半周谷值獲取電路3024用于獲取所述負半周電信號的谷值。所述極性分離電路302進一步包括正半周峰值獲取電路3021，正半周谷值獲取電路3023，負半周峰值獲取電路3022，負半周谷值獲取電路3024，求平均值電路3025，根據所述正半周峰值獲取電路3021、正半周谷值獲取電路3023，負半周峰值獲取電路3022和負半周谷值獲取電路3024的輸出，分別獲得所述正半周電信號峰值和谷值之和的平均值，并獲得所述負半周電信號峰值和谷值之和的平均值。所述極性抵消電路303可以采用晶體管，將所述正半周電信號和負半周電信號的峰值分別連接到晶體管的發射極和基極，當所述晶體管導通時輸出所述峰值正半周電信號和負半周電信號峰值之間的差值；將所述正半周電信號和負半周電信號的谷值分別連接到晶體管的發射極和基極， 當所述晶體管導通時輸出所述峰值正半周電信號和負半周電信號谷值之間的差值；將所述正半周電信號的平均值和負半周電信號的平均值分別連接到晶體管的發射極和基極，當所述晶體管導通時輸出所述正半周電信號的平均值與負半周電信號的平均值之間的差值。上述晶體管也可以由減法器代替等具有邏輯計算能力的芯片或者部件實現。上述直流檢測電路304可以由線性光耦隔離輸出電路構成，或者還可以采用隔離的霍爾傳感器、電流互感器、隔離運算放大器等間接實現隔離測量。當由線性光耦隔離輸出電路構成時，為簡化隔離電路的設計并提高其耐壓特性，通常將直流輸出再根據正負極性分開為兩路輸出，一路為正極性而另一路為負極性，即輸出格式以“輸出幅度(絕對值)” 和“輸出極性(正、負號)，，的方式來表示，以便于采用二極管進行高壓保護，同時適應二極管或三極管的單向導通特性；隔離輸出后一般耐壓要求較低，后續的電路可再將分離的兩路直流偏移進行合成得到具有正負輸出的單路信號格式，比如采用減法器合并兩路輸出信號，或對負偏移輸出反相，然后再相加合并成一路輸出。
檢測電路304可以獨立存在，也可以合并集成到極性抵消電路303中，比如采用基于運算放大器集成減法器來實現抵消的同時也完成測量任務，即減法器的輸出就是測量結果。如果再加上線性光耦隔離輸出電路，就可以在一個模塊內實現隔離測量。所述裝置在電路303和304中可以針對交直流混合信號雙極性進行分別處理，一路針對直流正偏移，另一路針對直流負偏移，這樣無論輸入信號是哪種偏移均可以輸出直流分量信號，并且根據是哪一路存在有輸出的直流分量信號，就可以判斷直流分量是正偏移還是負偏移，即輸出格式以“輸出幅度(絕對值)”和“輸出極性(正、負號)”的方式來表示。檢測完成后一般耐壓要求較低，可以再合并兩路信號，比如采用減法器合并兩路輸出信號，或對負偏移輸出反相，然后再相加合并成一路輸出。所述裝置還包括運算放大器305，連接在待測交流電源301和極性分離電路302之間，放大所述待測交流電信號，這樣可以實現對微弱信號的測量和檢測。通過上述實施例，可以以簡單的結構、微型化的體積實現對交流電信號中的直流分量進行檢測，然后利用現有技術中的裝置或者部件對檢測到的直流分量進行后繼處理， 例如背景技術中的變壓器或電潛泵或潛油泵等，當然對于后繼處理本發明不作任何限制； 并且無需采用現有技術中電阻分壓來進行衰減，避免了分壓衰減電路對測量的精度、線性度和靈敏度的影響；由于本發明所使用的部件均為高穩定性的部件，因此更能適應高溫和數百伏以上的高電壓等惡劣應用環境，例如ESP井下工礦測量；本發明的電路很容易做成微型化的專用集成芯片，替代部分無源器件應用于強交流環境下實現直流分量的抗干擾隔離測量。如圖4所示為本發明實施例一種直流偏移雙極性檢測電路的電路圖。圖中包括交直流混合信號正半周的整流電路401、峰值獲取電路402、谷值獲取電路403，負半周的整流電路404、峰值獲取電路405、谷值獲取電路406，射隨緩沖輸出電路 407，以及由PNP晶體管TA2、TB2完成的極性抵消電路408，其中，負載電阻RA和RB取100k， PNP晶體管的集電極限流電阻Rs為0 ；輸入交流幅度一定，但疊加的直流偏移為慢速變化且正負對稱的三角波，以測試交、直流幅度相對變化的情況下，電路檢測的線性度和跟蹤效果。其中，正半周的整流電路401和負半周的整流電路404可以但不局限于采用二極管、各種晶體管或可控硅開關電路、集成運算放大器等單元或器件完成，極性抵消電路408可以但不局限于采用電阻采樣、各種PNP或NPN晶體管或可控硅開關電路、集成運算放大器等單元或器件完成，但其最佳實施例為采用PNP晶體管和/或采用運算放大器組成的減法器來實施。其中，交直流混合信號的正半周處理電路如圖5所示，二極管DAl為正半周的半波整流，DAl和電容CAl組成正半周峰值獲取電路，它跟蹤輸入Vin正半周的最大值VAmax ；而二極管D3、電容CA2、電阻RAl和RA2共同組成正半周谷值獲取電路，它通過RAl和RA2給 CA2緩慢充電并通過D3快速放電直到電壓VAmin等于輸入Vin正半周的最小值，所以這部分跟蹤輸入Vin正半周的谷值VAmin ；電容CAl和CA2兩端的電壓差為VAmax-VAmin，經過電阻RAl和RA2的加權分壓，得到VA對參考地GND的電壓為VA = VAmin+(VAmax-VAmin) *RA2/(RA1+RA2)公式(1)當RAl = RA2時，將得到VA為VAmax和VAmin的加權平均值，即VA = (VAmax+VAmin) /2公式(2)
由于電路的對稱性，對圖4中處理負半周電路的實施例也有類似的結果，即RBl = RB2時，將得到VB對參考地GND的電壓為VBmax和VBmin的加權平均值VB = (VBmax+VBmin) /2公式(3)先假設直流偏移為Vdc，交流部分Vac = Vm*sin (wt)，則總的輸入為Vin = Vdc+Vac = Vdc+Vm*sin (wt)^ ζ (4)則Vin正半周根據Vdc和Vm的幅度大小不同，可分為下面兩種情況(1)直流偏移的幅度Vdc為正值并且大于交流幅度Vm，如圖6a所示，如果整流二極管DAl和DA3的PN結壓降都為Vpn，則經過圖5的正半周整流、峰值和谷值檢測后，檢測輸出的波形如圖6b(注為突出交流紋波干擾，這里特地把輸出波動加以放大，而實際應用時負載RA為隔離電路很高的輸入等效電阻，RA需要的電流很小，波動也會小很多)，因此我
們得到
正半周峰值檢波輸出VAmax = Vdc+Vm-Vpn公式(5)
正半周谷值檢波輸出VAmin = Vdc-Vm+Vpn公式(6)
正半周加權平均輸出VA = (VAmax+VAmin) /2 = Vdc公式(7)
而Vdc > 0，Vdc > Vm時，負半周沒有輸出，即
負半周峰值檢波輸出VBmax = 0公式(8)
負半周谷值檢波輸出VBmin = 0公式(9)
負半周加權平均輸出VB = (VBmax+VBmin) /2 = 0公式(10)
(2)直流偏移的幅度Vdc為正值但Vdc < Vm,如圖7a所示，則正半周經過圖5的
整流、峰值和谷值檢測后，檢測輸出的波形如圖7b中的VA，因此得到正半周峰值檢波輸出VAmax = Vdc+Vm-Vpn公式(11)正半周谷值檢波輸出VAmin = Vpn公式(12)正半周加權平均輸出VA = (VAmax+VAmin)/2 = (Vdc+Vm)/2 公式(13)而Vdc < Vm時，負半周有輸出，為負半周峰值檢波輸出VBmax = Vm-Vdc-Vpn公式(14)負半周谷值檢波輸出VBmin = Vpn公式(15)負半周加權平均輸出VB = (VBmax+VBmin) /2 = (Vm-Vdc) /2 公式(16)由上面公式(7)和(10)，以及(13)和(16)不難看出，只要輸入交直流混合信號 Vin幅度足夠大，使得整流二極管的PN結能夠正向導通，則其壓降Vpn對直流檢測結果沒有影響；而且，Vdc > 0的兩種情況下，如果將正半周的加權平均值VA減去負半周的加權平均值VB，即經過交流抵消電路后得到的輸出，就是直流偏移Vdc，即當 Vdc > 0 時，Vdc = VA-VB公式(17)為了減少圖4后續處理電路對輸出VA的影響，通常增加TAl和TBl作為射隨緩沖電路，而Vdc>0時公式(17)的減法(抵消電路)是由PNP晶體管TB2來實現的，所以有Vdc > 0 時，VOA = VA1-VB2 = VA_VB_2*Vbe ^ VA-VB = | Vdc | | 公式(18)，其中 .· I為求絕對值，Vbe為晶體管BE結的電壓，通常硅管約0.6-0. 7V，鍺是0. 2-0. 3V。前面的實施例雖然是在假設直流為正偏移Vdc > 0時得到的，當Vdc彡0時，由于信號波形和電路結構的對稱性，對圖4中VOB的實施例也有類似的結果，即Vdc 彡 0 時，VOB = VB1-VA2 = VB_VA_2*Vbe ^ VB-VA = -Vdc = | | Vdc | | 公式
10(19)而Vdc彡0時公式(20)的減法(抵消電路)是由圖4中的PNP晶體管TA2來實現的。不難看出，當沒有直流偏移時Vdc = 0，由于波形的對稱性，如圖7c和d所示，檢測輸出VA = VB,因此VOA = VOB = 0，這顯然是上面結果的特例。由上述討論可知，交流抵消后的直流偏移檢測輸出VOA和VOB的幅度只和直流分量Vdc的大小有關，與交流干擾的幅度Vm沒有關系，而很多情況下Vdc的幅度要比Vm小很多，所以對隔離輸出的耐壓要求將大大降低。在這種情況下最簡單的就是采用線性光藕 (比如HCNR200或IL300)隔離輸出，如圖8a所示，其輸入輸出關系為(其中，CTR為光藕的電流傳輸率，IF為光藕器件的前向輸入電流)Io = IF*CTR公式(20)Vo = Ro/RF*CTR* (Via-Vib)公式(21)本專利中我們將采用晶體管和HCNR200實現的一種高線性度光藕隔離電路來實現輸出隔離，以同時適應大動態范圍輸入、高輸入等效電阻和高精度隔離輸出的要求。其內部電路如圖8b，其輸入端的電源Vccl無須額外隔離電源，只要Vccl不低于Vin就可以，可以直接連到峰值獲取電路輸出的VAmax或VBmax上；其中LED、PDU PD2均集成在HCNR200 內部，光電管PDl和PD2性能一致且功耗很小(uA級別)，因此輸入端等效電阻很大；只要其他電路參數是對稱的，即Rbl = Rb2, Rel = Re2，晶體管Tl和T2取相同類型的管子，則在很大的輸入范圍內其輸入輸出關系為Vo ^ Vin公式(22)特別指出的是，所提出的電路和測量方法在實施例中雖然以大信號為例，即假設輸入混合信號Vin幅度足夠大，使得整流二極管的PN結能夠正向導通，并在很多地方都忽略整流管和射隨器PN結壓降Vbe (約為0.3-0. 7V)的影響，但其思路同樣適用于小信號的情況。只要適當選擇器件的耐壓和電源供電方式，本發明的電路可采取很多提高精度的方法例如可以采用基于運算放大器的各種精密測量、檢測電路、隔離運放等，來替代上述電路中完成相應操作的二極管、三極管和光藕隔離器件等元件，實現高精密的半波整流、峰值檢波、谷值檢波、加法器、減法器以及射隨器緩沖輸出和隔離運放檢測輸出等功能，將可以大大提高微小信號測量的精度。除了如圖所示的這些可替代的電路模塊，只要不偏離本發明的核心思想，其它可替代二極管、三極管實現低功耗、高輸入阻抗和高耐壓的元器件包括金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET), 場效應晶體管(Junction FET，JFET)，絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)等電路元件，以及包括可替代三極管、運算放大器或電阻網絡結構完成加、減法運算與測量等功能的各種ADC電路和CPU(單片機)電路等，這里不再一一列出。如圖9所示為本發明實施例強交流干擾下的單極性檢測電路的電路圖。在本例中，當強交流Vm > Vdc時，VAmin = 0和VBmin = 0，所以圖4中的谷值檢測電路CA2、DA3和CB2、DB3都可以省去；再由公式(1):VA = VAmin+(VAmax-VAmin) *RA2/(RA1+RA2)，令 RAl = 0 (短路)， RA2 = RA，以及 RBl = 0 (短路)，RB2 = RB 得到 VA = VAmax = Vdc+Vm-Vpn, VB = VBmax = Vdc-Vm-Vpn，所以有VOA = VAmax-VBmax = 2*Vdc 公式(23)
由于采用本發明給出的線性光藕電路做隔離輸出，其等效電阻很大，所以TAl和 TBl的射隨緩沖也沒有必要，在本實施例中省略；直流Vdc保持A端是正電壓時只需檢測V0A，所以晶體管TA2也可以省略，只留下 TB2(在本例中為TB)；其中DA1，DA2實現正極性分離整流電路，CA實現正極性信號濾波，RA兩端得到正半周信號(這里可以開路輸出，從而可以省去RA)；同理，DBl, DB2實現負極性分離整流電路，CB實現負極性信號濾波，RB兩端得到負半周信號；RB和PNP晶體管TB共同實現交流成分的極性抵消電路，其中RB給TB提供很小的基極偏置電流從而可取很大阻值，在RL兩端得到直流偏移信號的幅度，再通過線性光藕隔離檢測即可得到輸出信號。線性光藕可采用圖8b給出的電路，其輸入端的Vccl連接到A 點即可，無需額外的隔離電源供電。由于三極管TB的be結和光藕輸入端二極管的單向導通特性，只有偏移監測輸出為正極性時才有輸出信號。由公式(23)可知，只要交流Vm > Vdc時，檢測輸出取決于直流分量而不受交流干擾幅度的影響，由于采用交流干擾抵消，本檢測電路對輸入直流偏移有兩倍的放大作用，因此交流干擾存在反而放大了待檢測的直流成分，這對像ESP井下工礦測量這樣的應用環境是很有利的，如果不需要放大而仍保留Vo = VinWl 1比例輸出，這種情況下可以用電阻RS和RL來限流和分壓，從而起到調節或補償輸出的功能(比如，對ESP測量傳感器電阻 Rs的補償或矯正)。如圖10所示為本發明實施例強交流干擾下的雙極性檢測電路的電路圖。和上述圖9所示實施例類似，除了需要保留雙向的交流抵消回路，強交流Vm > Vdc 時，VAmin = 0和VBmin = 0，所以可以做類似的簡化和優化，省去谷值檢測電路CA2、DA3和 CB2、DB3。因為TAl和TA2不可能同時導通，這里把圖4中的VAl和VA2短接起來，并增加了一個上拉電阻Ra3，以便讓TA2在VAB > 0時截止更可靠，功耗更低。同理，可對TB2和RB3 做同樣的優化，得到另一個公共輸出端B。連接在公共輸出端A、B之間是兩路線性光藕隔離輸出，分別得到正、負偏移的監測結果，以提供后續的處理(補償、放大、A/D轉換、顯示等)。線性光藕可采用圖8b給出的電路，其輸入端的Vccl連接到A點或B點即可，無需額外的隔離電源供電。二極管DA和DB 的引入可以提高電路的反向耐壓，由于二極管DA和DB的單向導通特性，無需在這部分考慮輸出信號的正、負極性問題，而是將極性的處理交給后續的電路或應用來完成，比如采用減法器合并兩路輸出信號，或對負偏移輸出反相，然后再相加合并成一路輸出。本發明實施例還可以應用于微弱信號的直流分量檢測，例如可采用基于運算放大器的各種精密測量、檢測電路，來替代上述電路中完成相應操作的二極管、三極管和光藕隔離器件等電路元件，實現毫伏級(mV)微小信號的放大和檢測。如圖Ila所示的精密半波整流電路圖，如果整流二極管導通壓降Dl、D2為Vpn = 0. 7V，集成運放的開環差模放大倍數為50萬倍，那么為使二極管Dl導通，集成運放的凈輸入電壓應為
權利要求
1.一種交流電中檢測直流分量的方法，其特征在于包括，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號；將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消；檢測所述抵消后的直流分量。
2.根據權利要求1所述的一種交流電中檢測直流分量的方法，其特征在于，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號包括，獲取所述正半周電信號和負半周電信號的峰值；在所述將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消中還包括，獲得所述峰值正半周電信號和負半周電信號峰值之間的差值。
3.根據權利要求1所述的一種交流電中檢測直流分量的方法，其特征在于，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號還包括，獲取所述正半周電信號和負半周電信號的谷值；在所述將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消中還包括，獲得所述峰值正半周電信號和負半周電信號谷值之間的差值。
4.根據權利要求1所述的一種交流電中檢測直流分量的方法，其特征在于，將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號還包括，分別獲取所述正半周電信號的峰值和谷值，獲取負半周電信號的峰值和谷值，獲得所述正半周電信號峰值和谷值之和的平均值，獲得所述負半周電信號峰值和谷值之和的平均值；在所述將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消中還包括，計算所述正半周電信號的平均值與負半周電信號的平均值之間的差值。
5.根據權利要求1所述的一種交流電中檢測直流分量的方法，其特征在于，將待測的交流電信號進行極性分離中包括，使用運算放大器對待測交流電信號進行放大。
6.一種交流電中檢測直流分量的裝置，其特征在于包括，待測交流電源，極性分離電路，極性抵消電路，直流檢測電路；所述極性分離電路將所述待測交流電源輸出的電信號分離為正半周和負半周的電信號；所述極性抵消電路將所述極性分離電路輸出的正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消；所述直流檢測電路檢測所述極性抵消電路輸出的直流分量。
7.根據權利要求6所述的一種交流電中檢測直流分量的裝置，其特征在于，所述極性分離電路進一步包括正半周峰值獲取電路和負半周峰值獲取電路，所述正半周峰值獲取電路用于獲取所述正半周電信號的峰值，所述負半周峰值獲取電路用于獲取所述負半周電信號的峰值。
8.根據權利要求6所述的一種交流電中檢測直流分量的裝置，其特征在于，所述極性分離電路進一步包括正半周谷值獲取電路和負半周谷值獲取電路，所述正半周谷值獲取電路用于獲取所述正半周電信號的谷值，所述負半周谷值獲取電路用于獲取所述負半周電信號的谷值。
9.根據權利要求6所述的一種交流電中檢測直流分量的裝置，其特征在于，所述極性分離電路進一步包括正半周峰值獲取電路、正半周谷值獲取電路、負半周峰值獲取電路、負半周谷值獲取電路、求平均值電路，所述求平均值電路根據所述正半周峰值獲取電路、正半周谷值獲取電路，負半周峰值獲取電路和負半周谷值獲取電路的輸出，分別獲得所述正半周電信號峰值和谷值之和的平均值，并獲得所述負半周電信號峰值和谷值之和的平均值。
10.根據權利要求6所述的一種交流電中檢測直流分量的裝置，其特征在于，還包括運算放大器，連接在待測交流電源和極性分離電路之間，放大所述待測交流電信號。
全文摘要
本發明涉及電學領域，尤其是一種交流電中檢測直流分量的方法及裝置，其中方法包括將待測的交流電信號進行極性分離，分為正半周和負半周的電信號；將所述正半周的電信號和負半周的電信號進行抵消；檢測所述抵消后的直流分量。通過本發明實施例，通過將交直流混合信號分離為正半周和負半周的信號，并進行抵消后，獲得直流分量，可以以簡單的電路結構實現高度集成化，并且工作可靠、穩定，適用于多種惡劣環境下。
文檔編號G01R19/00GK102435810SQ201110272050
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者韋雄觀, 黃建寧 申請人:北京國基科技股份有限公司