一种直流小信号测量装置及方法与流程

本发明涉及直流电压小信号测量技术领域，尤其涉及一种直流小信号测量装置及方法。

背景技术：

变电站设备状态监测要采集环境温度、湿度等信息，有些型号温度、湿度传感器输出信号为直流电压小信号，常见直流电压小信号电压范围±5v、±10v。由于变电站工频干扰比较强或者连接传感器至数据采集系统的线束比较长，数据采集系统接收到的直流电压信号中会耦合工频干扰，工频干扰甚至会淹没直流电压信号。为准确对直流电压小信号进行采样，需抑制工频干扰。

技术实现要素：

基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种直流电压小信号测量装置以及相应的测量方法，该方法能有效抑制工频干扰，并且该方法只需要零点校准，可有效消除数据采集系统的增益误差引起的测量误差。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种直流小信号测量装置，包括积分电路、控制电路和切换电路，其中，

所述切换电路与积分电路的输入端连接，控制所述积分电路的输入端进行切换，以分别将直流小信号输入电压vi、内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref与所述积分电路连接，并对所述积分电路中的电容进行积分或反向积分；

所述控制电路分别连接所述积分电路和切换电路，对所述积分电路的输出电压vo进行极性检测，并根据检测结果对所述切换电路进行控制；

所述控制电路还根据积分时长、以及内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref计算直流小信号输入电压vi的值并判断该输入电压vi的极性。

进一步的，所述切换电路将直流小信号输入电压vi与所述积分电路连接，对所述积分电路中的电容进行积分的时长为n个工频周期t，n＝1，2，3……。

进一步的，所述控制电路根据极性检测结果对所述切换电路进行控制，包括：若所述输出电压vo为正极性，则输入电压vi为负极性，将所述内部负精密基准-vref连接至积分电路的输入端，若所述输出电压vo为负极性，则输入电压vi为正极性，将所述内部正精密基准+vref连接至积分电路的输入端。

进一步的，所述切换电路将所述内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref与所述积分电路连接，对所述积分电路中的电容进行反向积分直至所述输出电压vo为0，所述反向积分的时长为t。

进一步的，所述控制电路依据下式计算直流小信号输入电压vi的值：

进一步的，所述积分电路包括运算放大器、电容、以及电阻，所述电阻的一端连接所述运算放大器的反相输入端并通过所述电容与运算放大器的输出端相连，所述电阻的另一端连接所述切换电路。

根据本发明的另一个方面，提供了一种直流小信号测量方法，包括如下步骤：

s1、将直流小信号输入电压vi连接至积分电路的输入端，对所述积分电路的电容积分n个工频周期t，n＝1，2，3……；

s2、对输出电压vo的极性进行检测，并依据极性检测的结果将内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref连接至所述积分电路的输入端；

s3、所述内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref对所述电容反向积分并开始计时，直至所述输出电压vo为0，此时计时为t；

s4、根据所述积分时间、反向积分时间、以及内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref，计算所述直流小信号输入电压vi的值并判断该输入电压vi的极性。

进一步的，依据极性检测的结果将内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref连接至所述积分电路的输入端，包括若所述输出电压vo为正极性，则输入电压vi为负极性，将所述输入端连接至内部负精密基准-vref，若所述输出电压vo为负极性，则输入电压vi为正极性，将所述输入端连接至内部正精密基准+vref。

进一步的，依据下式计算所述直流小信号输入电压vi的值：

进一步的，所述积分电路包括运算放大器、电容、以及电阻，所述电阻的一端连接所述运算放大器的反相输入端并通过所述电容与运算放大器的输出端相连，所述电阻的另一端连接所述切换电路。

综上所述，本发明提供了一种直流电压小信号测量装置以及相应的测量方法，由于直流电压小信号输入电压对电容充电积分时间为工频周期的整数倍，整个工频周期内，工频干扰在电容上积分电压为0，从而能消除工频干扰对直流电压信号的影响。本发明提供的该测量方法能有效抑制工频干扰，并且该方法只需要零点校准，可有效消除数据采集系统的增益误差引起的测量误差。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)能够有效抑制工频干扰，即使直流电压小信号被工频干扰淹没也能实现准确测量；

(2)只需要对零点进行校准，不需全范围校准，降低了测量过程的复杂度，并且能够有效消除数据采集系统的增益误差引起的测量误差。

附图说明

图1是本发明直流电压小信号测量装置的整体结构框图；

图2是本发明直流电压小信号测量装置的电路原理图；

图3是本发明直流电压小信号测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种直流小信号测量装置，图1为该测量装置的整体结构框图，如图1所示，该测量装置包括：积分电路、控制电路和切换电路。

其中，所述切换电路与积分电路的输入端连接，控制所述积分电路的输入端进行切换，以分别将直流小信号输入电压vi、内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref与所述积分电路连接，并对所述积分电路中的电容进行积分或反向积分。图2示出了该直流小信号测量装置的电路原理图，如图2所示，该积分电路可以包括运算放大器、电容、以及电阻，所述电阻的一端连接所述运算放大器的反相输入端并通过所述电容与运算放大器的输出端相连，所述电阻的另一端连接所述切换电路。

当所述切换电路将直流小信号输入电压vi与所述积分电路连接时，对所述积分电路中的电容进行积分的时长为n个工频周期t，n＝1，2，3……。当所述切换电路将所述内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref与所述积分电路连接时，对所述积分电路中的电容进行反向积分直至所述输出电压vo为0，所述反向积分的时长为t。

根据某些实施例，切换电路可以通过控制开关k来实现，通过将所述积分电路的输入端与直流小信号输入电压vi、内部负精密基准-vref以及内部正精密基准+vref通过控制开关k连接，通过对控制开关k的切换，可以实现将各电压输入连接至所述积分电路的输入端以对所述积分电路进行充电积分。

所述控制电路分别连接所述积分电路和切换电路，对所述积分电路的输出电压vo进行极性检测，并根据检测结果对所述切换电路进行控制，该控制电路还可以对积分电路的输出电压vo进行零值检测并同时计时，在所述内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref对所述积分电路中的电容进行反向积分的过程中，该控制电路开始计时并同时进行零值检测，当检测到输出电压vo为0时，控制电路的计时结束，从而可以得到反向积分的时长t。

具体来说，所述控制电路根据极性检测结果对所述切换电路进行控制，包括：若所述输出电压vo为正极性，则判断输入电压vi为负极性，将所述内部负精密基准-vref连接至积分电路的输入端，若所述输出电压vo为负极性，则判断输入电压vi为正极性，将所述内部正精密基准+vref连接至积分电路的输入端。所述控制电路还根据积分时长、以及内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref计算直流小信号输入电压vi的值，可根据下式计算所述直流小信号输入电压vi的值：

根据某些实施例，所述控制电路可以通过mcu来实现，mcu连接至所述积分电路的输出端，对积分电路的输出电压进行极性检测、零值检测，并可以利用mcu中的计时器对积分以及反向积分的时间进行计时。该mcu同时还连接至控制开关k的控制端，用以根据检测结果对控制开关k进行切换控制。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种直流电压小信号测量方法，该测量方法的流程图如图3所示，包括步骤：

s1、将直流小信号输入电压vi连接至积分电路的输入端，对所述积分电路中的电容积分n个工频周期t，n＝1，2，3……。通常来说，积分时间越长对噪声的抑制能力越强，但需要的测量时间也越长，从而可以根据实际的需求来对该积分时间进行确定。其中，该积分电路可以采用下述结构的电路：包括运算放大器、电容、以及电阻，所述电阻的一端连接所述运算放大器的反相输入端并通过所述电容与运算放大器的输出端相连，所述电阻的另一端连接所述切换电路。

s2、积分结束后，对输出电压vo的极性进行检测，并依据极性检测的结果将内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref连接至所述积分电路的输入端。其中，依据极性检测的结果将内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref连接至所述积分电路的输入端，包括若所述输出电压vo为正极性，则判定输入电压vi为负极性，将所述输入端连接至内部负精密基准-vref，若所述输出电压vo为负极性，则输入电压vi为正极性，将所述输入端连接至内部正精密基准+vref。

s3、所述内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref对所述电容反向积分并计时，同时，计时器来时计时，直至所述输出电压vo为0，此时计时为t。

s4、根据所述积分时间、反向积分时间、以及内部负精密基准-vref或内部正精密基准+vref，计算所述直流小信号输入电压vi的值，具体来说，可以依据下式计算所述直流小信号输入电压vi的值：

综上所述，本发明涉及一种直流电压小信号测量装置以及相应的测量方法，由于直流电压小信号输入电压对电容充电积分时间为工频周期的整数倍，整个工频周期内，工频干扰在电容上积分电压为0，从而能消除工频干扰对直流电压小信号测量的影响。在反向积分过程中，零值检测电路检测到输出电压为0时，mcu计时器计时结束。只需要校准零点、提高计时器计时精度就能保证系统采样精度，不需要全采样电压范围内校准。本发明提供的该测量方法能有效抑制工频干扰，有效消除数据采集系统的增益误差引起的测量误差。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。