交流電壓頻率采集裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種交流電壓頻率采集裝置，包括：峰值檢波電路，用于檢測輸入信號的交流電壓的幅值；增益控制電路，用于對所述峰值檢波電路輸出的幅值進行等級劃分，并對具有相對較小幅值的等級設定相對較大的增益放大倍數；放大整形電路，用于根據所述增益放大倍數對所述交流電壓進行放大整形后輸出；以及脈沖采集電路，用于接收所述放大整形電路輸出的交流電壓并進行脈沖計數，從而確定所述交流電壓的頻率。上述交流電壓頻率采集裝置具有電壓測量范圍較寬且測量精度較高的優點。
【專利說明】交流電壓頻率采集裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電壓頻率測量【技術領域】，特別是涉及一種交流電壓頻率采集裝置。
【背景技術】
[0002]配網自動化終端(簡稱配網終端)是安裝在配電網的各類遠端監測、控制單元的總稱，以完成數據采集、控制、通信等功能。配網終端需要采集交流、直流信號，特別還需要采集交流頻率。在配網終端對電網做合環等操作時對采集交流頻率精度要求較高。傳統的交流電壓頻率測試裝置的測試范圍較窄，且測量精度不高，對輸入信號要求較高，不利于高性能場合應用。
【發明內容】
[0003]基于此，有必要針對上述問題，提供一種具有寬電壓測量范圍且測量精度較高的交流電壓頻率采集裝置。
[0004]一種交流電壓頻率采集裝置，包括依次電性連接的峰值檢波電路、增益控制電路、放大整形電路以及脈沖采集電路；所述峰值檢波電路用于檢測輸入信號的交流電壓的幅值；所述增益控制電路用于對所述峰值檢波電路輸出的幅值進行等級劃分，并對具有相對較小幅值的等級設定相對較大的增益放大倍數；所述放大整形電路用于根據所述增益放大倍數對所述交流電壓進行放大整形后輸出；所述脈沖采集電路用于接收所述放大整形電路輸出的交流電壓并進行脈沖計數，從而確定所述交流電壓的頻率。
[0005]在其中一個實施例中，所述增益控制電路包括幅值比較電路以及信號選通電路；所述幅值比較電路的輸入端與所述峰值檢波電路的輸出端電性連接，所述幅值比較電路的輸出端與所述信號選通電路的輸入端電性連接；所述信號選通電路的輸出端與所述放大整形電路的輸入端電性連接；所述幅值比較電路用于將所述幅值與參考電壓進行比較后對所述幅值進行等級劃分，并將劃分后的等級輸出給所述信號選通電路，所述信號選通電路用于根據所述等級選擇對應增益放大倍數的信號通道與所述放大整形電路連接。
[0006]在其中一個實施例中，所述幅值比較電路包括第一電壓比較器、第二電壓比較器以及電壓放大器；所述幅值比較電路用于將所述幅值劃分為三個等級；所述第一電壓比較器的同相輸入端與所述峰值檢波電路的輸出端連接，所述第一電壓比較器的反相輸入端為第一參考電壓端；所述第一電壓比較器的輸出端與所述信號選通電路連接；所述電壓放大器的同相輸入端與所述峰值檢波電路的輸出端連接，所述電壓放大器的反相輸入端接地，所述電壓放大器的輸出端與所述第二電壓比較器的同相輸入端連接；所述第二電壓比較器的反相輸入端為第二參考電壓端；所述第二電壓比較器的輸出端與所述信號選通電路連接。
[0007]在其中一個實施例中，所述第一電壓比較器的輸出端以及所述第二電壓比較器的輸出端輸出的信號均為電平信號；不同的電平信號對應不同的幅值等級；所述信號選通電路在所述第一電壓比較器和所述第二電壓比較器輸出均為高電平時，選擇具有第一增益放大倍數的信號通道；所述信號選通電路在所述第一電壓比較器輸出低電平且所述第二電壓比較器輸出高電平時，選擇具有第二增益放大倍數的信號通道；所述信號選通電路在所述第一電壓比較器和所述第二電壓比較器均輸出低電平時，選擇具有第三增益放大倍數的信號通道；所述第一增益放大倍數小于所述第二增益放大倍數且所述第二增益放大倍數小于所述第三增益放大倍數。
[0008]在其中一個實施例中，所述第一增益放大倍數、所述第二增益放大倍數以及所述第三增益放大倍數為等比遞增關系。
[0009]在其中一個實施例中，所述信號通道上串聯有增益電阻；所述增益電阻的阻值與所述信號通道的增益放大倍數相匹配。
[0010]在其中一個實施例中，所述脈沖采集電路包括過零比較電路和主控芯片；所述過零比較電路的輸入端與所述放大整形電路的輸出端電性連接，所述過零比較電路的輸出端與所述主控芯片電性連接；所述過零比較電路用于將所述輸入信號轉換為同周期的方波并輸出給所述主控芯片進行脈沖計數；所述主控芯片根據所述脈沖計數確定所述輸入電壓的頻率。
[0011]在其中一個實施例中，所述峰值檢波電路包括第一電壓跟隨器、二極管以及第一電容；所述第一電壓跟隨器的同相輸入端用于接收所述輸入信號；所述第一電壓跟隨器的輸出端串聯所述二極管后與所述增益控制電路連接；所述第一電壓跟隨器的反相輸入端與所述二極管的負極連接；所述第一電容一端連接所述二極管的負極，另一端接地。
[0012]在其中一個實施例中，所述放大整形電路包括第二電壓跟隨器以及與之串聯的同相比例放大器。
[0013]在其中一個實施例中，還包括低通濾波電路，用于過濾附加在所述輸入信號上的高頻干擾；所述低通濾波電路分別與所述放大整形電路、所述峰值檢波電路電性連接。
[0014]上述交流電壓頻率采集裝置，峰值檢波電路對輸入信號的交流電壓的幅值進行檢測，獲取到輸入電壓的幅值后輸出給增益控制電路。增益控制電路則對幅值進行等級劃分，并對具有相對較小幅值的等級設定相對較大的增益放大倍數。因此，當采集信號具有較小電壓幅值時，能夠獲得相對較大的增益放大倍數，從而能夠提高脈沖采集電路的精準度，進而提高整個測量的精準度。上述交流電壓頻率采集裝置可以根據輸入信號的幅值大小自動調節放大整形電路的增益放大倍數，從而使得交流電壓頻率采集裝置具有較寬電壓測量范圍，且提聞了測量的精準度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為一實施例中的交流電壓頻率采集裝置的結構框圖；
[0016]圖2為一實施例中的交流電壓頻率采集裝置的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0018]圖1所示為一實施例中的交流電壓頻率采集裝置，可用于配網終端等自動化設備采集交流電壓頻率，包括依次電性連接的峰值檢波電路110、增益控制電路120、放大整形電路130以及脈沖采集電路140。
[0019]峰值檢波電路110用于對輸入信號的交流電壓的幅值進行檢測并在獲取到交流電壓的幅值后輸出給增益控制電路120。增益控制電路120用于對峰值檢波電路110輸出的幅值進行等級劃分，并對具有相對較小幅值的等級設定相對較大的增益放大倍數。通過對具有較小幅值的電壓等級采用相對較大的增益放大倍數，使得較小幅值的電壓能夠獲得相對較大倍數的放大處理，確保脈沖采集過程的精準度，從而提高整個測量過程的精準度。具體地，判斷某一等級是否具有相對較小幅值是相對于劃分后各等級的幅值而言的，同理相對較大的增益放大倍數也是相對于各等級所對應的增益放大倍數而言的。例如，當劃分后的等級包括大于0.5V、0.5?0.1V以及小于0.1V三個級別時，小于0.1V的等級相對于0.5?0.1V的等級具有相對較小的幅值，因此其設定的增益放大倍數相對于0.5?0.1V的等級的增益放大倍數要大，即具有相對較大的增益放大倍數。具體的增益放大倍數與幅值的對應關系可以根據實際需要進行設定，并不限于一具體的數值范圍。在本實施例中，判定該等級是否具有相對較小幅值的基準也可以通過將幅值與O進行比較，即幅值越靠近O的等級其幅值相對越小，因此其設定的增益放大倍數也相應的越大。
[0020]增益控制電路120包括幅值比較電路和信號選通電路。幅值比較電路的輸入端與峰值檢波電路110的輸出端電性連接，其輸出端則與信號選通電路的輸入端電性連接。信號選通電路的輸出端與放大整形電路130的輸入端電性連接。幅值比較電路用于將接收到的幅值與預設的參考電壓進行比較后對幅值進行等級劃分，并將劃分后的等級輸出給信號選通電路。信號選通電路用于根據劃分后的等級選擇對應增益放大倍數的信號通道與放大整形電路130連接。信號選通電路中的信號通道的數量與幅值比較電路的劃分等級數量相對應。
[0021 ] 幅值比較電路包括第一電壓比較器、第二電壓比較器以及電壓放大器。第一電壓比較器的同相輸入端與峰值檢波電路110的輸出端連接，第一電壓比較器的反相輸入端則為第一參考電壓端。第一電壓比較器的輸出端與信號選通電路連接。電壓放大器的同相輸入端與峰值檢波電路110的輸出端連接，反相輸入端接地，輸出端則與第二電壓比較器的同相輸入端連接。第二電壓比較器的反相輸入端則為第二參考電壓端。第二電壓比較器的輸出端與信號選通電路連接。電壓放大器可以對輸入到第二電壓比較器的同相輸入端的電壓進行放大處理，從而使得具有較小幅值的電壓能夠被精確地劃分到對應的幅值等級中去，進一步提高測量過程的精準度。
[0022]第一電壓比較器的輸出端以及第二電壓比較器的輸出端輸出的信號均為電平信號。不同的電平信號對應不同的幅值等級。信號選通電路在第一電壓比較器和第二電壓比較器輸出均為高電平時，選擇具有第一增益放大倍數的信號通道。信號選通電路在第一電壓比較器輸出低電平且第二電壓比較器輸出高電平時，選擇具有第二增益放大倍數的信號通道。信號選通電路在第一電壓比較器和第二電壓比較器均輸出低電平時，選擇具有第三增益放大倍數的信號通道。其中，第一增益放大倍數小于第二增益放大倍數，且第二增益放大倍數小于第三增益放大倍數。在本實施例中，第一增益放大倍數、第二增益放大倍數以及第三增益放大倍數為等比遞增關系。信號通道上串聯有增益電阻。增益電阻的阻值與信號通道的增益放大倍數相匹配。
[0023]放大整形電路130根據增益控制電路120設定的增益放大倍數對輸入信號進行放大整形后輸出給脈沖采集電路140。脈沖采集電路140對輸出信號的脈沖進行計數，從而得出交流電壓的頻率值。其中，脈沖采集電路140包括過零比較電路142以及主控芯片144。過零比較電路142的輸入端與放大整形電路130的輸出端電性連接，其輸出端則與主控芯片144電性連接。過零比較電路142用于將輸入信號轉換為同周期的方波后輸出給主控芯片144。放大整形電路130對具有相對較小幅值的等級采用相對較大的增益放大倍數進行放大處理，從而能夠提高過零比較電路142的轉換精確度，進而提高整個測試過程的精準度。主控芯片144根據接收到的方波進行脈沖計數，同時進行計時。因此，在計時為t時刻的脈沖數為η時，可以確定頻率f = n/t。
[0024]在本實施例中，還包括低通濾波電路150。低通濾波電路150分別與峰值檢波電路110、放大整形電路130連接。低通濾波電路150用于過濾附加在輸入信號上的高頻干擾，提高測量的精度。
[0025]上述交流電壓頻率采集裝置，峰值檢波電路110對輸入信號的交流電壓的幅值進行檢測，獲取到輸入電壓的幅值后輸出給增益控制電路120。增益控制電路120則對幅值進行等級劃分，并對具有相對較小幅值的等級設定相對較大的增益放大倍數。因此，當采集信號具有較小電壓幅值時，能夠獲得相對較大的增益放大倍數，從而能夠提高脈沖采集電路140的精準度，進而提高整個測量的精準度。上述交流電壓頻率采集裝置可以根據輸入信號的幅值大小自動調節放大整形電路130的增益放大倍數，從而使得交流電壓頻率采集裝置具有較寬電壓測量范圍，且提高了測量的精準度。并且，上述交流電壓頻率采集裝置通過采用主控芯片144來實現脈沖檢測，有利于提高裝置的集成度且有利于實現裝置的小型化。
[0026]圖2所示為一實施例中的交流電壓頻率采集裝置的電路原理圖。交流電壓頻率采集裝置包括低通濾波電路、峰值檢波電路、增益控制電路、放大整形電路以及脈沖采集電路。其中，脈沖采集電路包括過零比較電路和主控芯片。
[0027]低通濾波電路包括電阻Rl和電容Cl。電阻Rl的一端用于與信號輸入端AIN連接以接收輸入信號，另一端分別與電容Cl的正極、峰值檢波電路以及放大整形電路連接。電容Cl的負極接地。在本實施例中，電容Cl為極性電容。通過電阻Rl和電容Cl形成的低通濾波電路可以對附加在輸入信號上的高頻干擾進行過濾，提高測量的精準度。
[0028]峰值檢波電路包括第一電壓跟隨器U4A、二極管D1、電容El以及電阻R14。第一電壓跟隨器U4A的同相輸入端串聯電阻R14后與電阻Rl連接。第一電壓跟隨器U4A的輸出端與二極管Dl的正極連接。二極管Dl的負極分別與增益控制電路、電容El的一端連接。電容El的另一端接地。第一電壓跟隨器U4A的反相輸入端與二極管的負極連接。在本實施例中，第一電壓跟隨器U4A采用型號為LM358的電壓比較器。二極管Dl的型號為1N4148。電容El則為電解電容。
[0029]增益控制電路包括幅值比較電路和信號選通電路。其中，幅值比較電路包括電壓放大器U4B、第一電壓比較器U5、第二電壓比較器U6，以及電阻R13、R15?R20。信號選通電路則為集成芯片U3。電壓放大器U4B的同相輸入端串聯電阻R18后連接于二極管Dl的負極。電壓放大器U4B的反向輸入端串聯電阻R19后接地。電壓放大器U4B的輸出端與第二電壓比較器U6的同相輸入端連接。電壓放大器U4B的同相輸入端和輸出端之間還連接有電阻R16。電壓放大器U4B可以通過對電阻R16以及電阻R18的阻值進行調整以實現對放大比例的調整，從而對輸入到第二電壓比較器U6的同相輸入端的電壓進行放大，提高第二電壓比較器U6的精準度。在本實施例中，電壓放大器U4B的放大比例為10。
[0030]第一電壓比較器U5的同相輸入端與二極管Dl的負極連接，反相輸入端串聯電阻R13后與參考電壓電源端連接。第一電壓比較器U5的反相輸入端作為第一參考電壓端。第一電壓比較器U5的反相輸入端還串聯電阻R15后接地。第一電壓比較器U5的輸出端輸出電平信號SELA給集成芯片U3。第二電壓比較器U6的同相輸入端與電壓放大器U4B的輸出端連接，反相輸入端則串聯電阻R17后與參考電壓電源端連接。第一電壓比較器U6的反相輸入端作為第二電壓參考端。第二電壓比較器U6的反相輸入端還串聯電阻R20后接地。第二電壓比較器U6的輸出端輸出電平信號SELB給集成芯片U3。
[0031]通過調整電阻R13和電阻R15的阻值可以實現對第一電壓比較器U5的反相輸入端輸入的第一參考電壓進行設定以及調整。通過調整電阻R17以及電阻R20可以實現對第二電壓比較器U6的反相輸入端輸入的第二參考電壓進行設定以及調整。通過第一電壓比較器U5和第二電壓比較器U6可以將輸入的交流電壓的幅值大小分為三個等級。因此，集成芯片U3可以根據該等級選擇對應的信號通道，控制放大整形電路對輸入信號進行放大整形。在本實施例中，將交流電壓的幅值的等級分為:大于0.5V、0.5?0.1V以及小于0.1V。即，第一參考電壓為0.5V，第二參考電壓為0.1V。由于第二電壓比較電路U6接收到的交流電壓是經過電壓放大器U4B的放大后的電壓，因此其反向輸入端實際的第二參考電壓應該為第二參考電壓與電壓放大器U4B放大比例的積。在本實施例中，電壓放大器U4B的放大比例為10，因此第二電壓比較器U6的反相輸入端的參考電壓值為IV。通過電壓放大器U4B的放大作用可以進一步提高頻率采集的精準度。
[0032]具體地，當輸入電壓的幅值大于0.5V時，第一電壓比較器U5和第二電壓比較器U6均輸出高電平，即電平信號SELA和SELB都是高電平。當輸入電壓的幅值在0.5?0.1V時，第一電壓比較器U5輸出的電平信號SELA為低電平,第二電壓比較器U6輸出的電平信號SELB則為高電平。當輸入電壓的幅值小于0.1V時，第一電壓比較器U5和第二電壓比較器U6均輸出低電平，即電平信號SELA和SELB都是低電平。
[0033]集成芯片U3上具有與幅值比較電路形成的幅值等級數量相同的信號通道。集成芯片U3根據第一電壓比較器U5和第二電壓比較器U6輸出的電平信號選擇具有相應增益放大倍數的信號通道與放大整形電路連接。信號通道上串聯有增益電阻R7、R8以及R12，增益電阻的阻值與信號通道的增益放大倍數相匹配。集成芯片U3對具有相對較小電壓幅值的等級采用相對較大的增益放大倍數。在本實施例中，集成芯片U3上對應設置有3條信號通道，其增益放大倍數分別為1、10以及100。即當電壓幅值大于0.5V時，增益放大倍數為I ;當幅值在0.5?0.1V時，增益放大倍數為10 ;當幅值小于0.1V時，增益放大倍數為100。
[0034]放大整形電路包括第二電壓跟隨器UlA以及同相比例放大器U1B。第二電壓跟隨器UlA的輸出端串聯電阻R3后與同相比例放大器UlB連接。同相比例放大器UlB的同相輸入端還與集成芯片U3的信號通道輸出端連接。同相比例放大器UlB的反相輸入端串聯電阻R4后接地。放大整形電路通過與集成芯片U3連接的信號通道確定增益放大倍數。
[0035]同相比例放大器UlB對交流電壓進行放大整形后輸出給過零比較電路。在本實施例中，過零比較電路包括電壓比較器U2。電壓比較器U2在輸入電壓大于OV時，輸出高電平，反之輸出低電平。由于放大整形電路對具有較小電壓幅值的等級采用相對較大的增益放大倍數進行放大處理(例如在本實施例中，對電壓小于0.1V的等級采用的增益放大倍數為100)，使得過零比較電路的過零比較較為準確。過零比較電路將輸入信號轉換為同周期的方波后輸出給主控芯片(圖中未示)。主控芯片對輸入的方波進行脈沖計數從而確定出輸入電壓的頻率。
[0036]上述交流電壓頻率采集裝置能夠根據輸入信號的電壓幅值的大小自動調節放大整形電路的增益放大倍數，達到更寬輸入幅值范圍的頻率測量。同時對具有相對較小幅值的等級采用相對較大的增益放大倍數，可以提高測量的精準度，可以降低對輸入信號的要求，且有利于高性能場合的應用。
[0037]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，包括依次電性連接的峰值檢波電路、增益控制電路、放大整形電路以及脈沖采集電路； 所述峰值檢波電路用于檢測輸入信號的交流電壓的幅值； 所述增益控制電路用于對所述峰值檢波電路輸出的幅值進行等級劃分，并對具有相對較小幅值的等級設定相對較大的增益放大倍數； 所述放大整形電路用于根據所述增益放大倍數對所述交流電壓進行放大整形后輸出；所述脈沖采集電路用于接收所述放大整形電路輸出的交流電壓并進行脈沖計數，從而確定所述交流電壓的頻率。
2.根據權利要求1所述的交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，所述增益控制電路包括幅值比較電路以及信號選通電路；所述幅值比較電路的輸入端與所述峰值檢波電路的輸出端電性連接，所述幅值比較電路的輸出端與所述信號選通電路的輸入端電性連接；所述信號選通電路的輸出端與所述放大整形電路的輸入端電性連接；所述幅值比較電路用于將所述幅值與參考電壓進行比較后對所述幅值進行等級劃分，并將劃分后的等級輸出給所述信號選通電路，所述信號選通電路用于根據所述等級選擇對應增益放大倍數的信號通道與所述放大整形電路連接。
3.根據權利要求2所述的交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，所述幅值比較電路包括第一電壓比較器、第二電壓比較器以及電壓放大器；所述幅值比較電路用于將所述幅值劃分為三個等級； 所述第一電壓比較器的同相輸入端與所述峰值檢波電路的輸出端連接，所述第一電壓比較器的反相輸入端為第一參考電壓端；所述第一電壓比較器的輸出端與所述信號選通電路連接； 所述電壓放大器的同相輸入端與所述峰值檢波電路的輸出端連接，所述電壓放大器的反相輸入端接地，所述電壓放大器的輸出端與所述第二電壓比較器的同相輸入端連接； 所述第二電壓比較器的反相輸入端為第二參考電壓端；所述第二電壓比較器的輸出端與所述信號選通電路連接。
4.根據權利要求3所述的交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，所述第一電壓比較器的輸出端以及所述第二電壓比較器的輸出端輸出的信號均為電平信號；不同的電平信號對應不同的幅值等級； 所述信號選通電路在所述第一電壓比較器和所述第二電壓比較器輸出均為高電平時，選擇具有第一增益放大倍數的信號通道； 所述信號選通電路在所述第一電壓比較器輸出低電平且所述第二電壓比較器輸出高電平時，選擇具有第二增益放大倍數的信號通道； 所述信號選通電路在所述第一電壓比較器和所述第二電壓比較器均輸出低電平時，選擇具有第三增益放大倍數的信號通道；所述第一增益放大倍數小于所述第二增益放大倍數且所述第二增益放大倍數小于所述第三增益放大倍數。
5.根據權利要求4所述的交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，所述第一增益放大倍數、所述第二增益放大倍數以及所述第三增益放大倍數為等比遞增關系。
6.根據權利要求2?5任一所述的交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，所述信號通道上串聯有增益電阻；所述增益電阻的阻值與所述信號通道的增益放大倍數相匹配。
7.根據權利要求1所述的交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，所述脈沖采集電路包括過零比較電路和主控芯片；所述過零比較電路的輸入端與所述放大整形電路的輸出端電性連接，所述過零比較電路的輸出端與所述主控芯片電性連接；所述過零比較電路用于將所述輸入信號轉換為同周期的方波并輸出給所述主控芯片進行脈沖計數；所述主控芯片根據所述脈沖計數確定所述輸入電壓的頻率。
8.根據權利要求1所述的交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，所述峰值檢波電路包括第一電壓跟隨器、二極管以及第一電容；所述第一電壓跟隨器的同相輸入端用于接收所述輸入信號；所述第一電壓跟隨器的輸出端串聯所述二極管后與所述增益控制電路連接；所述第一電壓跟隨器的反相輸入端與所述二極管的負極連接；所述第一電容一端連接所述二極管的負極，另一端接地。
9.根據權利要求1所述的交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，所述放大整形電路包括第二電壓跟隨器以及與之串聯的同相比例放大器。
10.根據權利要求1所述的交流電壓頻率采集裝置，其特征在于，還包括低通濾波電路，用于過濾附加在所述輸入信號上的高頻干擾；所述低通濾波電路分別與所述放大整形電路、所述峰值檢波電路電性連接。
【文檔編號】G01R19/04GK104459310SQ201410583699
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】肖遠超 申請人:航天科工深圳（集團）有限公司