基于模拟乘法器用于交流电源的有效功率测量方法及装置与流程

本发明涉及有效功率测量领域，尤其是一种基于模拟乘法器用于交流电源的有效功率测量方法及装置。

背景技术：

交流电源需要测量有效功率等参数，现有的技术可以通过分别采集负载对应的交流电流和输出的交流电压经处理后送到dsp，在一个周期内同步逐次采点做乘积求平均值的方式来计算得出有效功率。其主要通过软件的方法在dsp中通过计算得出有效功率。其速度主要取决于dsp中ad的采样速率，其精度主要取决于一个周期采样点数的多少，高速会使dsp成本增加，高精度需一个周期采样的点数多，其速度会变慢。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于模拟乘法器用于交流电源的有效功率测量方法及装置，主要用于交流电源有效功率测量，交流负载变化时可实时检测出其有效功率。

本发明所采用的技术方案为：一种基于模拟乘法器用于交流电源的有效功率测量方法，包括以下步骤：

1)将交流电压的波形实时瞬时的变化转化为无数个非常微小的脉宽的变化；

2)取微小的脉宽区间；

3)用两个脉宽相反且随着交流电压作实时变化的矩形波和交流电流的瞬时值作无数次的瞬时积分，求平均值；

4)得出正弦包络的脉宽波形，经滤波得一直流电平。

进一步的说，本发明所述的步骤1)中，对交流电压进行积分，将其转化为无数个脉宽变化的方波信号。

再进一步的说，本发明所述的步骤4)中，正弦包络内具有无数幅值瞬时变化的脉宽波形，包络在x轴上下对称。

本发明还提供了一种基于模拟乘法器用于交流电源的有效功率测量装置，包括，

积分电路，对输入的电压进行积分，将其转化成无数个脉宽变化的方波信号；

电压跟随器，连接到第一模拟开关的一端；

反向比例运算电路，连接到第二模拟开关的一端；

第一与非门，控制第一模拟开关，实现第一模拟开关两端的导通；

第二与非门，控制第二模拟开关，实现第二模拟开关两端的导通；

比较器，输出端连接第一与非门；

自维持充放电电路，对得到的正弦包络的脉宽波形uo进行不停的充放电，不停进行调整，最终得到一直流电平uo。

进一步的说，本发明所述的第一与非门和第二与非门取同一组正负电源供电电源；所述的第一模拟开关与第二模拟开关的供电电源和与非门的供电电源相同。

再进一步的说，本发明所述的比较器的同相输入电压大于等于0时，第二模拟开关闭合；当比较器的同相输入电压小于0时，第二模拟开关断开。

本发明的发明点在于，创造了一种高速度、高精度且输入的交流电流和交流电压变化时，可以实时准确的测量出负载对应的有效功率。

其关键点一在于如何控制有效功率的精度问题，其精度主要取决于给与非门供电的正负电源的性能。同时其精度还受到r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，c1的影响。电阻选择高精度低温飘的，电源选择噪声小且稳定的；其关键点二在于模拟开关k1，k2的交替导通情况，其交替导通时间在us级别，随着vu的瞬时电压的改变其交替导通也在不停的变化，选择模拟开关时，需考虑提供给与非门芯片供电电源在模拟开关导通和断开瞬间的噪声影响。

其创新点在于，将交流电压的波形实时瞬时的变化转化为无数个非常微小的脉宽的变化，取微小的脉宽区间，用两个脉宽相反且随着vu作实时变化的矩形波和交流电流的瞬时值作无数次的瞬时积分，求平均值，得出正弦包络的脉宽波形，经滤波得一直流电平。

本发明可以用在交流电源有效功率测量或者其他需要进行交流信号有效功率测量的领域；可以用来替代dsp逐点采样乘积求平均值的方法。

本发明的有益效果是：本发明可以对负载对应的交流电流信号和输出的交流电压信号处理后做运算，实现交流有效功率的测量；精度可达到线性可编程交流电源的使用要求，有效功率的实现速度比在dsp中通过计算要快；对有相位差的交流电流和交流电压信号，可实时检测出其对应的交流有效功率；实现的硬件电路简单，所用的集成芯片都可以国产化，价格低廉。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明装置的电路原理图；

图2是vu对应瞬时值的波形示意图；

图3是vi实时变化与vu对应瞬时值积分波形示意图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种基于模拟乘法器用于交流电源的有效功率测量装置，图中，r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r10为电阻；c1，c2为电容；k1，k2为模拟开关；u1，u3，u4为运算放大器；u2为比较器；nand1，nand2为与非门；vu为输出的交流电压经乘以比例系数k1后的电压值。vi为输出的交流电流经处理过后的电压值，此处理过程为，使输出的交流电流通过一锰铜丝电阻，再采样锰铜丝电阻两端的电压，在经比例运算后得到交流电流所对应的电压值vi，此过程将比例系数视作k2。其中r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8,c1值得变化以及正负5v电源的变化对电路的功能实现没有实质性影响。需注意公式系数的调整。在满足模拟开关导通断开的时间的基础上，尽量使转化后的△t1和△t2的时间短。正负电源需低噪声、高稳定。电阻、电容的温飘系数要小，精确度高。

提供给与非门nand1，nadn2和模拟开关k1，k2电源为相同的、稳定的、噪声小的正负电源。

模拟开关k1由与非门nand1控制，模拟开关k2由与非门nand2控制，分别实现k1两端的导通或者k2两端的导通功能。

r5，r6的比例与r7，r8的比例相同且r5，r6，u3的运算方向和r7，r8，u4的运算反向相反。

+5v为正5伏电压，由整流、滤波、稳压或者其它电路产生一个正电压。-5v为负5伏电压，由整流、滤波、稳压或者其它电路产生一个负电压。

工作原理如下：

vu是输出的交流电压经乘以比例系数k1后的电压，vi是采样的输出电流经乘以比例系数k2后的电压。

r1，r2，r3，r4，c1，u1构成一个积分电路。对输入的电压进行积分，目的是将vu转化成无数个脉宽变化的方波信号5a和此方波信号的脉宽大小是与r1，r2，r3，r4，c1的参数和nand1，nand2的供电电源有关。nand1和nand2芯片需取同一组正负电源供电电源，此处取正负5v给与非门芯片提供电源。在r1，r2，r3，r4，c1，参数不变，nand1的nand2芯片的供电电源不变的情况下，此方波的脉宽宽度仅与vu的瞬时电压值有关。此方波的脉宽宽度在vu的一个周期内是实时变化的。

u2是一比较器，nand1和nand2是两个与非门。

vi一组通过r7，r8分压，后接一u4构成一个电压跟随器，连接到模拟开关k1的一端。

vi另一组通过r5，r6，u3构成的一反向比例运算电路，再连接到模拟开关k2的一端。

模拟开关k1，k2的供电电源与与非门的供电电源相同。

us为一正弦包络，包络内是无数幅值瞬时变化的脉宽波形，包络在x轴上下对称。为了避免上下不对称以致影响后续处理。vi在经r7，r8，u4的信号比例与vi在经r5，r6，u3的的信号比例需一致，运算方向相反，此处取r7＝r8，r5＝2r6。

vu瞬时值的变化转化为无数脉宽的变化，将无数变化的脉宽抽象为无数个微小的段，每一个微小的段分别于vi进行瞬时积分，求其平均值，得到正弦包络的脉宽波形us。

r9，r10，c2构成以自维持的充放电电路。目的是对得到的正弦包络的脉宽波形uo进行不停的充放电，不停进行调整，最终得到一直流电平uo。

公式推导过程为：

vu通过电阻r1作为运算放大器u1的一个反向输入，通过电阻r2作为运算放大器u1的另一个反向输入，运算放大器u1的同相输入端接地，c1在u1的反相输入端和输出端u'之间。

连接r4的一端，r4的另一端与r3的一端相连在共同作为比较器u2的同相输入u”，r3的另一端连接到u'，u2的反相输入端接地。

当u”≥0代表高电平，使模拟开关k2闭合；

u”<0代表低电平，使模拟开关k2断开；

则调整r3，r4的值使其等于-1.5v，此时

调整r3，r4的值使其等于1.5v，此时

u2的输出端连接nand1的输入，nand1由正负5v电源供电，nand1的输出5a一方面作为nand2的输入，另一方面作为模拟开关k1的控制信号；nand2的输出一方面分别连接r2和r4的一端，另外作为模拟开关k2的控制信号。

在△t1区间，

得出：

△t1的脉宽宽度与r1，r2，r3，r4，c1，与非门nand1，nand2的供电电源及vu有关，在r1，r2，r3，r4，c1,及nand1，nand2的供电电源稳定情况下，仅与vu的瞬时电压值有关。

在△t2区间，

得出：

vi一路连接r7的一端，r7的另一端与r8的一端相连同时作为u4的同相输入端，r8的另一端接地，u4的反相输入端与其输出端相连同时连接模拟开关k1的一端。

vi另一路连接r5的一端，r5的另一端一方面连接r6的一端，一方面作为u3的反相输入端，u3的同相输入端接地，r6的另一端连接u3的输出端同时连接模拟开关k2的一端。

k1的另一端与k2的另一端相连再连接到r9的一端和r10的一端，r9的另一端接地，r10的另一端连接c2的一端，c2的另一端接地。

与5a的波形相反；为高电平，k2导通；为低电平，k2断开；5a为高电平，k1导通；5a为低电平，k1断开。

以上公式，us，vi，vu可以理解为瞬时值。将实时的vu的变化转化为微小脉宽的变化，取微小的脉宽区间，在此时间宽度内与vi的瞬时值做积分，求其平均值，可以得出最终的有效功率。

因为vu是输出的交流电压经乘以比例系数k1后的电压值，vi是采样的输出电流经乘以比例系数k2后的电压值。此处的k1，k2是具体的数值，不是指模拟开关。

上述公式中的值“0.5”根据r5，r6，r7，r8的比例关系作相应的变化，r5，r6的比例与r7，r8的比例相同且运算方向相反。

上述公式中的值“5”根据与非门nand1，nand2的供电电源的变化而作相应的变化。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。