一种基于感应加热电源逆变侧的相位差检测系统

【】本发明属于相位差检测，具体涉及一种基于感应加热电源逆变侧的相位差检测系统。

背景技术

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背景技术：

1、在电子、通信、生物医学工程等领域中，常常需要测量两个信号之间的相位差。感应加热电源工作频率要时刻与谐振频率匹配，使得输出功率保持在一个稳定状态，但感应加热电源在工作过程中极易受到负载特性影响，导致谐振频率始终处于变化状态，为使工作频率时刻与谐振频率保持固定的关系，则需时刻调整工作频率来达到稳定，工作频率的变化与逆变侧输出电流电压的相位角息息相关，相位角的变化会影响感应加热电源工作频率的变化，而相位差的变化十分迅速，采集起来极易困难，而现阶段对于相位差检测系统设计存在一定的问题，由于采集过程中存在延时，易造成检测精度低，为了提升相位差检测精度，成本又会过高。因此一种高精度低成本的感应加热电源逆变侧的相位检测系统设计变得尤为重要。

2、现有的相位差检测电路往往结构复杂，测量范围窄，精度低，且易受环境干扰。因此，开发一种结构简单、高精度、宽测量范围、抗干扰能力强的感应加热电源逆变侧的相位差检测系统设计具有重要意义。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的：提供一种基于感应加热电源逆变侧的相位差检测系统，能够克服现有技术中的不足，是一种结构简单、容易实现的相位差检测系统。

2、本发明的技术方案：一种基于感应加热电源逆变侧的相位差检测系统，其特征在于它包括采集电路单元、差分电路单元、时钟芯片单元和标定系统单元；其中，所述采集电路单元的输入端采集感应加热电源逆变侧的待测电压信号和待测电流信号，其输出端与差分电路单元的输入端连接；所述时钟芯片单元的输入端与差分电路单元连接，其输出端输出待测电压信号和待测电流信号之间的相位差信号，与标定系统单元的输入端连接，所述标定系统的输出端输出标定后的准确相位差信号。

3、所述采集电路单元由电压采集模块以及电流采集模块组成；所述电压采集单元是由电压互感器、偏置电路i、稳压电路i、分压同相比例运算电路i、过零比较电路i构成；所述电压互感器对逆变测的待测电压信号进行采集，与偏置电路i的输入端连接；所述偏置电路i、分压同相比例运算电路i、过零比较电路i依次呈串联连接关系，所述过零比较电路i的输出端与差分电路单元的输入端连接。

4、所述偏置电路i是由电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c1、电容c2、电容c3及运算放大器a1构成；所述分压同相比例运算电路i是由电阻r6、电阻r8、电容c5及运算放大器a2构成；所述低通滤波器i是由电阻r7和电容c4组成；所述稳压电路i是由稳压二极管d1构成；所述过零比较电路i是由电阻r9、电阻r10、电阻r11、电容c6、电容c7、电容c8电容、c9及运算放大电路a3、光电耦合器t1构成；所述电阻r1的一端与电压互感器连接，其另一端分别与电容c1和电阻r2连接；所述电压互感器的另一端接地；所述电容c1的另一端接地；所述电阻r2的另一端分别连接电阻r3和运算放大器a1的正极输入端；所述电阻r3的另一端连接-5v电源端；所述电阻r4的一端接地，另一端分别连接电阻r5和运算放大器a1的负极输入端；所述电阻r5的另一端连接运算放大器a1的输出端；所述电容c2的一端接地，另一端连接+15v电源端和运算放大器a1；所述电容c3的一端接地，另一端连接+15v电源端和运算放大器a1；所述电阻r6的一端与运算放大器a1的输出端连接，其另一端与电阻r7的一端连接，同时还通过电容c5连接运算放大器a2的输出端；所述电阻r7的另一端分别与运算放大器a2的正极输入端和电容c4的一端连接；所述电容c4的另一端接地；所述稳压二极管d1连接于电容c4的接地端和运算放大器a2的输出端之间；所述电阻r7与电容c4构成低通滤波器去掉干扰信号后通过稳压二极管d1限幅，与运算放大器a2的输出端连接；所述运算放大器a2的负极输入端通过电阻r8与运算放大器a2的输出端连接；所述电阻r9的一端与运算放大器a2的输出端连接，其另一端分别与电容c7和运算放大器a3的正极输入端连接；所述电容c7的另一端接地；所述运算放大器a3的负极输入端与电容c6的接地端连接，其输出端与光电耦合器t1连接；所述电容c6的另一端与电阻r10连接；所述电阻r10的另一端与运算放大器a3的输出端和光电耦合器t1连接；所述运算放大器a3还分别连接+15v电源端和-15v电源端；所述电容c8的一端与运算放大器a3和-15v电源端连接，其另一端接地。所述光电耦合器t1与地之间按常规连接方式，其三极管输出端的一端连接电阻r11，另一端接地；所述电阻r11的另一端分别连接+3.3v电源端、电容c9的一端以及差分电路；所述c9的另一端接地。

5、逆变侧输出电压信号经过互感器转换为峰值5v的交流电压信号，经过偏置电路i和分压同相比例运算电路i后转换为0-3v的电压信号，经过低通滤波器去掉干扰信号，经稳压二极管限幅，再经过过零比较电路i，在负载过零点处发生电平跳变，变成标准电平下的同频率的方波信号。

6、所述电流采集模块是由电流互感、偏置电路ii、分压同相比例运算电路ii、、稳压电路ii、过零比较电路ii构成；所述电流互感器对逆变测的待测电流信号进行采集，与偏置电路ii的输入端连接；所述偏置电路ii、分压同相比例运算电路ii、过零比较电路ii依次呈串联连接关系，所述过零比较电路ii的输出端与差分电路单元的输入端连接。

7、所述偏置电路ii是由电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电容电容c10、c11、电容c12及运算放大器a4构成；所述分压同相比例运算电路ii是由电阻r17、电阻r19、电容c14及运算放大器a5构成；所述低通滤波器ii是由电阻r18和电容c13构成；所述稳压电路ii是由稳压二极管d2构成；所述过零比较电路ii是由电阻r20、电阻r21电阻r22、电容c15、电容c16、电容c17、电容c18及运算放大电路a6、光电耦合器t2构成；所述电阻r12的一端与电流互感器连接，其另一端分别与电容c10和电阻r13连接；所述电流互感器的另一端接地；所述电容c13的另一端接地；所述电阻r13的另一端分别连接电阻r14和运算放大器a4的正极输入端；所述电阻r14的另一端连接-5v电源端；所述电阻r15的一端接地，另一端分别连接电阻r16和运算放大器a4的负极输入端；所述电阻r16的另一端连接运算放大器a4的输出端；所述电容c11的一端接地，另一端连接+15v电源端和运算放大器a4；所述电容c14的一端接地，另一端连接+15v电源端和运算放大器a4；所述电阻r17的一端与运算放大器a4的输出端连接，其另一端与电阻r18的一端连接，同时还通过电容c14连接运算放大器a5的输出端；所述电阻r18的另一端分别与运算放大器a5的正极输入端和电容c13的一端连接；所述电容c13的另一端接地；所述稳压二极管d2连接于电容c13的接地端和运算放大器a5的输出端之间；所述电阻r18与电容c13构成低通滤波器去掉干扰信号后通过稳压二极管d2限幅，与运算放大器a5的输出端连接；所述运算放大器a5的负极输入端通过电阻r19与运算放大器a5的的输出端连接；所述电阻r20的一端与运算放大器a5的输出端连接，其另一端分别与电容c15和运算放大器a6的正极输入端连接；所述电容c15的另一端接地；所述运算放大器a6的负极输入端与电容c16的接地端连接，其输出端与光电耦合器t2连接；所述电容c16的另一端与电阻r21连接；所述电阻r21的另一端与运算放大器a6的输出端和光电耦合器t2连接；所述运算放大器a6还分别连接+15v电源端和-15v电源端；所述电容c17的一端与运算放大器a6和-15v电源端连接，其另一端接地。所述光电耦合器t2与地之间按常规连接方式，其三极管输出端的一端连接电阻r22，另一端接地；所述电阻r22的另一端分别连接+3.3v电源端、电容c18的一端以及差分电路；所述c18的另一端接地。

8、逆变侧输出电流信号经过电流互感器转换为峰值5v的交流电流信号，经过偏置电路ii和分压同相比例运算电路ii后转换为0-3v的电流信号，经过低通滤波器去掉干扰信号，经稳压二极管限幅，经过过零比较电路ii，在负载过零点处发生电平跳变，变成标准电平下的同频率的方波信号。

9、所述差分电路由差分运算放大电路单元组成，具体是由电阻r23、电阻r24、电阻r25、电阻r26和一个运算放大器a7组成；所述电阻r23的一端与采集电路单元的输出端连接，其另一端连接运算放大器a7的负极输入端；所述电阻r24的一端与采集电路单元的另一输出端连接，其另一端连接运算放大器a7的正极输入端；所述电阻r25的一端与运算放大器a7的正极输入端连接，其另一端接地；所述电阻r26并联于运算放大器a7的负极输入端与输出端之间；所述运算放大器a7的输出端连接时钟芯片单元的输入端。

10、所述电阻r23、电阻r24的电阻值均为11kω，用于匹配信号源和运算放大器a7之间的阻抗，以保证信号的传输质量。

11、所述时钟芯片单元采用ad9528-200-lite时钟芯片。

12、所述标定系统单元是由信号发生器、相位调节器和相位差检测器构成，其中，所示相位调节器的两个输入端分别与时钟芯片的输出端和信号发生器的输出端相连，相位调节器采集由信号发生器发出的标准相位差信号和由时钟芯片单元发出的采集信号之间的相位差信号，其输出端与相位差检测器连接；相位差检测器对两路相位差信号进行标定矫正，所述相位差检测器的输出端最终输出准确的相位差信号。

13、本发明的工作原理：相位差检测系统中采集电路将逆变侧输出的电流电压信号采集并进行处理，处理成同频方波信号，送到差分电路中，差分电路对方波信号进行处理得到相位差，对所得的相位差信号通过时钟芯片进行提取，最后送到标定系统将得到的信号与同频标准的相位差信号标定矫正。

14、采集电路包括输出电流与电压信号采集单元。输出电压和电流信号具有频率高、幅值大、干扰严重等特点，采用普通互感器很难对信号进行精确采集，因此本发明采用定制的电压和电流互感器作为采样互感器，具有抗干扰能力强、响应速度快、测量精度高的优点。

15、输出电压与电流信号经过过零比较电路，在负载过零点处发生电平跳变，变成标准电平下的同频率的方波信号。差分电路的两个输入端口接收采集电路信号输出端口输出的两路同频的电流电压方波信号，经过运算放大器，将两路信号做差放大即可得到相位差信号。采用了差分放大器使得该电路对环境干扰的抗干扰能力较强。同频率的方波信号输入到差分电路，经差分电路处理，共模信号得到有效抑制而只对差分信号进行放大，将放大的信号输入到时钟芯片中。

16、ad9528-200-lite时钟芯片它是一款高性能、低噪声、低抖动的时钟芯片，具有高精度的频率和相位调整能力，适用于各种需要高精度时钟的应用场景，具有以下特点：

17、高精度频率和相位调整：ad9528-200-lite时钟芯片采用高性能的晶振和pll技术，具有高精度的频率和相位调整能力，可以实现对输入信号的精确同步和时钟恢复。

18、低噪声和低抖动：ad9528-200-lite时钟芯片采用低噪声和低抖动的电路设计，可以有效地减少外部干扰和内部噪声对时钟信号的影响，保证时钟信号的稳定性和可靠性。

19、高性能：ad9528-200-lite时钟芯片采用高性能的数字信号处理技术，可以实现对高速数据信号的精确同步和时钟恢复，适用于各种需要高精度时钟的应用场景。

20、易于使用：ad9528-200-lite时钟芯片采用标准的spi接口进行控制和配置，可以方便地与其他数字信号处理芯片进行集成和控制。

21、时钟芯片捕获了相位差输入信号后能够快速进行相位检测。

22、所述标定电路主要包括一个信号发生器、一个相位调节器、一个相位差检测器和一个标定控制器。

23、所述标定系统中信号发生器用于产生标准信号，相位调节器用于调节信号的相位，相位差检测器用于检测待测信号与标准信号之间的相位差，标定控制器用于控制整个标定过程。

24、本发明通过电路结构便能实现相位差检测，极大的降低了成本，性能上不仅能够快速的将相位差测量出来，极大的避免了延时造成的精度差的问题，同时还增加了标定电路，对采集到的信号进行标定矫正，从而实现高精度的检测。本发明提供的相位差检测系统设计步骤简单，实现方便，成本较低，精度高。

25、本发明的工作过程：1、采集电路对输出电流、输出电压进行采集并处理输出同频方波信号。2、差分电路对信号做差，放大。3、时钟芯片对相位差信号进行捕捉。4、4、信号发生器产生标准信号，输入到相位调节器和相位差检测器。5、相位调节器根据标定控制器的指令，调节标准信号的相位，使其与待测信号的相位相同或相反。6、相位差检测器检测待测信号与标准信号之间的相位差，并将检测结果输出到标定控制器。7、标定控制器根据检测结果，计算出相位差检测系统的误差，并进行修正。8、标定完成后，标定控制器将修正后的参数保存到存储器中，以便后续使用。

26、本发明的优越性：采用自设计电路步骤简单，实用性大；使用的时钟芯片，高性能、低噪声、低抖动具有高精度的频率和相位调整能力；内含标定系统，可以提高精度，减小误差；本系统结构易于操作，成本低，检测效果好。