专利名称：：波形纯化器和波形纯化方法
技术领域：
：本发明涉及一种建立精密测量仪器的新技术，具体而言，涉及一种波形纯化器及其操作方法。
背景技术：
：谐波问题是交流精密测量中经常遇到的问题。近年来飞速发展的各种新型电器(如节能灯、逆变器)往往会应用非线性器件，因而产生50Hz的谐波使电网受到污染。在精密测量电路中被测电量(电压、电流等)如是非正弦的，其中所含的谐波分量会引起附加的测量误差。所以会提出去除被测对象中的谐波的要求。目前文献上见到的去除谐波的方法是采用选频网络或选频放大器。这些方法确实能很好地去除谐波，但也会对基波产生影响，影响基波的准确度。所以在精密测量电路中希望在去除谐波的过程中基波的大小及相位都保持不变。以往的文献中未见到能真正满足这样要求的方法，本申请书则提出了这样的一种方法，在去除被测量中谐波的过程中，能保持基波的大小及相位都不变。从而提高存在谐波时的测量准确度。因此，本申请书中所提出的装置可以称为“波形纯化器”。
发明内容根据本发明的第一个方面，提供一种波形纯化装置，用于将被测波形中的谐波分量除去而保持基波分量不变，其特征在于所述装置由比例放大器(1)、双T滤波网络(2)、输出电压跟随器(3)、反馈电压跟随器(4)、反馈比例放大器(5)、接地点(6)和分压电阻器(7)构成。优选地，输入信号由比例放大器(1)的正输入端输入，经分压电阻器(7)调节后，经输出电压跟随器⑶输出，从比例放大器⑴输出的信号经双T滤波网络(2)、反馈比例放大器(5)、反馈电压跟随器⑷后，反馈到电压跟随器(1)的负输入端。优选地，比例放大器(1)、输出电压跟随器(3)、反馈电压跟随器⑷和反馈比例放大器(5)采用频率特性不相同的比例放大器。优选地，比例放大器⑴和反馈电压跟随器⑷所使用的运算放大器型号为NationalSemiconductor公司的LF356N，输出电压跟随器(3)所使用的运放型号为MaximIntegratedProducts的MAX400，反馈比例放大器(5)所使用的运放型号为AnalogDevices公司的0P177，电阻的类型为RX-70精密绕线电阻。优选地，所述双T滤波网络(2)包括三个电阻(RpR^R3)和三个电容(CpC^C3)，其中，R1和C1之间经导线引出为输入端子，R2和C2之间经导线引出为输出端子，R3和C3之间经导线接地。优选地，所述R1和R2是阻值为10kohm的精密绕线电阻，R3由阻值为5kohm的精密绕线电阻和阻值为IOOohm或200ohm的可调电阻器组成，用于调节双T电桥的平衡。优选地，所述三个电容(CpCyC3)是薄膜电容，其值可以通过多档可调开关进行不同谐振频率的切换。根据本方面的第二个方面，提供一种波形纯化方法，用于将被测波形中的谐波分量除去而保持基波分量不变，其特征在于，所述方法使用比例放大器(1)、双T滤波网络(2)、输出电压跟随器(3)、反馈电压跟随器(4)、反馈比例放大器(5)、接地点(6)和分压电阻器(7)构成的装置对被测波形进行处理，所述方法包括以下步骤(a)调节电阻R3,使得电阻R1并电阻R2的阻值与电阻R3阻值之比等于电容C3的电容值比电容C1和电容C2并联的电容值，以实现双T滤波网络⑵的电桥平衡；以及(b)微调电阻R3和输入信号的频率f，使得双T网络⑵的输出为零，从而双T网络对基波信号完全截止。图1为本发明中波形纯化器的原理图；图2为本发明中波形纯化器电路示意图；图3为本发明中调节双T网络电桥平衡示意图；图4为本发明中双T滤波网络频率响应特性(纵轴_幅度，横轴_归一化频率)；图5为本发明中R7/R6取不同值时波形纯化器频率响应特性(坐标轴同上)。具体实施例方式图1中是本申请书中提出的波形纯化器的原理图。这是一个负反馈系统。其中反馈环路中包含了三个运算放大器。假设要测量一个含有谐波的非正弦电压仏。运算放大器A1对于U1而言是一个正端输入的比例放大器，其放大倍数为(R5+R4)/R4，当R1=R2时放大倍数就等于2。R8、R9是一个电阻分压器，当R8=R9时，电压跟随器A4输出信号的基波与输入信号的基波完全相等。运算放大器A2则是一个正端输入的比例放大器。其放大倍数为R7/R6。运算放大器A3是一个跟随器，在运算放大器A2与R4之间作缓冲器。发明的关键点在于运算放大器~的输出后面插入了一个双T滤波网络。若双T滤波网络的平衡频率调节得正好等于被测电压基波的频率。此时双T滤波网络对基波的传输系数等于0，即对于基波不会由于运算放大器A2而产生附加的负反馈。对于谐波而言，双T滤波网络的传输系数不为0，因而就会由于运算放大器A2而产生附加负反馈。运算放大器A2的放大倍数R7/R6越大，对于谐波的附加负反馈也越大，从而对谐波产生很大的衰减。这样，在保证基波信号没有衰减的情况下，谐波成分被抑制，从而实现波形纯化的目的。下面具体说明两个关键问题a)如何调节双T网络平衡首先，调节双T滤波网络的电桥平衡(粗调)。双T滤波网络平衡时具有电桥特性，满足式(1)。所以应首先调节双T滤波网络的电桥平衡。R-,C、I丨C7^f~=—---(1)R^//R2C3具体操作是调节电阻R3,使得电阻R1并电阻R2的阻值与电阻R3阻值之比等于电容C3的电容值比电容C1和电容C2并联的电容值，电桥见图3。然后，调节双T使其对基波完全截止(细调)。双T滤波网络调节电桥平衡之后，按波形纯化的原理连接双T网络的电阻电容，微调电阻R3和输入信号的频率f，使得双T网络的输出为零，从而双T网络对基波信号完全截止，输入信号频率f即基波频率(谐振频率)。b)波形纯化器的频率响应特点双T滤波网络归一化的网络传递函数为式(2)，频率响应曲线见图4。实际上，它是一个仅对谐振频率进行阻止的网络，在调节平衡的条件下，它可以使得基波频率输出为零。Η(χ)=1χ=)1+.4χ,崎(2)反馈比例运算放大器的放大倍数为R7/R6，那么，波形纯化器的网络传递函数为式(3)。图5给出了R7/R6分别等于10、100和1000时的频率响应曲线。^7、0.5H(χ)=-=—0.5+H(xA⑴Re显然，&/16越大，对于谐波的附加负反馈也越大，从而对谐波产生的衰减也越大。整个反馈回路由三个运算放大器组成的，假设三个运算放大器的时间常数为τρτ2，τ3，系统的闭环特征方程为式(4)。T1T2T3ρ3+(τjτ2+τ2τ3+τjτ3)ρ2+(τj+τ2+τ3)ρ+1+Κ0=0(4)根据Routh判据，在比例放大器(1)和反馈电压跟随器⑷放大倍数确定的情况下，反馈比例放大器(5)的放大倍数Ktl应该满足式(5)，系统才是稳定的。K0=^-+^+^+++(5)Λ6T2T1T3T2T1T3由于Ktl的值越大滤波效果越好，所以波形纯化器的一个关键技术在于寻找相匹配的三个时间常数τ”τ2，τ3，使得Ktl的值尽可能的大。实际匹配的结果是在采用权利5所述的器件时，放大倍数达到200倍，这时，保证系统稳定的同时获得好的滤波特性。系统连接方式按照图2所示连接，运算放大器A1选用LF356N，系统的输入信号由A1的3脚输入,A1的2脚和6脚之间接入阻值为IOkOhm(R5)的精密绕线电阻，A1的6脚为输出端子。输出信号有分成两路第一路作为输出与输出分压电阻器R8的一个端子相连，第二路作为双T网络的输入。双T网络由三个电阻R1R3和三个电容C1C3组成，其中R1和R2是阻值为IOkohm的精密绕线电阻，R3由阻值为5kohm的精密绕线电阻和阻值为IOOohm或200ohm的可调电阻器串联而成，可调电阻器主要用于调节双T电桥的平衡(粗调和细调)。(^(3为薄膜电容，其值可以通过多档可调开关进行不同谐振频率的切换，在确定谐振频率fo和电阻值R1=R2=2R3=R的情况下，不同档位下C1C3的数值如下表。表1.不同档位下C1C3的数值<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>双T网络R3和C3之间经导线接地，R1和C1之间经导线引出为输入端子，R2和C2之间经导线引出为输出端子。输出端经阻值为IOOohm的电阻R6输入到运算放大器A2(0P177)的2脚。运算放大器A2选用0P177，输入信号(来自双T网络的输出)从2脚输入，3脚接地，2脚和6脚之间接电阻值为20kohm的电阻R7,6脚为输出端子，输入到电压跟随器的3脚。反馈回路中的电压跟随器A3型号为LF356N，它的输出经阻值为IOkohm的精密绕线电阻R4反馈到运算放大器A1的负输入端子(2脚)。输出电阻分压器由电阻R8和R9串联构成，其阻值均为IOkohm,由A1输出的信号输入到R8的上端子，R8和R9之间由导线引出作为输出端子。在R8和R9的两端各并联若干高阻值电阻(1M-20Mohm)用于细调二者之间的比例，以保证输出的基波电压幅值不会发生变化。输出电压跟随器的运放A4选用MAX400，用于与测量回路隔离。在基波频率为&=15.25Hz的情况下，测得波形纯化器的频率特性如下表表2.基波频率&=15.25Hz时波形纯化器的频率特性<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>在波形纯化器调节平衡的情况下，对输出信号稳定性进行了测试，测试结果如下。去除温漂后，短期内输出的稳定性能达到10_8量级。表3.输出信号稳定性测试<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注表中不确定度是指A类不确定度，计算方法为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>权利要求一种波形纯化装置，用于将被测波形中的谐波分量除去而保持基波分量不变，其特征在于所述装置由比例放大器(1)、双T滤波网络(2)、输出电压跟随器(3)、反馈电压跟随器(4)、反馈比例放大器(5)、接地点(6)和分压电阻器(7)构成。2.根据权利要求1所述的波形纯化装置，其特征在于输入信号由比例放大器(1)的正输入端输入，经分压电阻器(7)调节后，经输出电压跟随器(3)输出，从比例放大器(1)输出的信号经双T滤波网络(2)、反馈比例放大器(5)、反馈电压跟随器(4)后，反馈到电压跟随器(1)的负输入端。3.根据权利要求1或2所述的波形纯化装置，其特征在于比例放大器(1)、输出电压跟随器(3)、反馈电压跟随器(4)和反馈比例放大器(5)采用频率特性不相同的比例放大4.根据权利要求3所述的波形纯化装置，其特征在于，比例放大器(1)和反馈电压跟随器(4)所使用的运算放大器型号为NationalSemiconductor公司的LF356N，输出电压跟随器(3)所使用的运放型号为MaximlntegratedProducts的MAX400，反馈比例放大器(5)所使用的运放型号为AnalogDevices公司的0P177，电阻的类型为RX-70精密绕线电阻。5.根据权利要求1或2所述的波形纯化装置，其特征在于，所述双T滤波网络(2)包括三个电阻(R1>R2>R3)和三个电容和、(2、(3)，其中，R1和C1之间经导线引出为输入端子，R2和C2之间经导线引出为输出端子，R3和C3之间经导线接地。6.根据权利要求2所述的波形纯化装置，其特征在于，所述R1和R2是阻值为IOkohm的精密绕线电阻，R3由阻值为5kohm的精密绕线电阻和阻值为IOOohm或200ohm的可调电阻器组成，用于调节双T电桥的平衡。7.根据权利要求2或3所述的波形纯化装置，其特征在于，所述三个电容(CpC^C3)是薄膜电容，其值可以通过多档可调开关进行不同谐振频率的切换。8.一种波形纯化方法，用于将被测波形中的谐波分量除去而保持基波分量不变，其特征在于，所述方法使用比例放大器(1)、双T滤波网络(2)、输出电压跟随器(3)、反馈电压跟随器(4)、反馈比例放大器(5)、接地点(6)和分压电阻器(7)构成的装置对被测波形进行处理，所述方法包括以下步骤(a)调节电阻R3，使得电阻R1并电阻R2的阻值与电阻R3阻值之比等于电容C3的电容值比电容C1和电容C2并联的电容值，以实现双T滤波网络⑵的电桥平衡；以及(b)微调电阻R3和输入信号的频率f，使得双T网络(2)的输出为零，从而双T网络对基波信号完全截止。全文摘要目前文献上见到的去除谐波的方法是采用选频网络或选频放大器。这些方法确实能很好地去除谐波，但也会对基波产生影响，影响基波的准确度。所以在精密测量电路中希望在去除谐波的过程中基波的大小及相位都保持不变，以往的文献中未见到能真正满足这样要求的方法。本申请书则提出了这样的一种方法，在去除被测量信号中的谐波分量过程中，能保持基波的大小及相位都不变。从而提高存在谐波时的测量准确度。因此，本申请书中所提出的装置可以称为“波形纯化器”。波形纯化器通过双T网络组成闭环负反馈，保持基波幅值和相位不变的情况下，通过匹配负反馈回路中运算放大器的时间常数能极大的消除谐波的含量。从而提高波形纯化的目的，提高测量准确度。测试结果表明，本申请书提出的波形纯化器完全达到了波形纯化的技术指标和目的。文档编号H03H7/01GK101820260SQ20101015638公开日2010年9月1日申请日期2010年4月27日优先权日2010年4月27日发明者张钟华,李世松,李正坤,贺青申请人:中国计量科学研究院