一种交流信号有效值及频率转换装置的制作方法

1.本发明属于测试设备技术领域，具体涉及一种交流信号有效值及频率转换装置。


背景技术：

2.交流电信号采集广泛应用于工业技术领域的各个方面，在测试设备中经常需要对交流电信号进行测试，获得交流电信号的电压和频率，进而用以判断被测设备的工作状态。如果将万用表或频率计嵌入产品中，体积无法满足要求，且成本高。且现某一具体的万用表或者频率计只能测量某一路电信号的电压或频率，通用性差。另外，若需要同时采集多路信号，万用表和频率计接线复杂，且不能对采集的原始数据进行处理，需要手动计算才能得到有效值和频率。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种交流信号有效值及频率转换装置，可方便嵌入有需求的设备中，采集高压交流信号的电压和频率。
4.为达到上述目的，本发明一种交流信号有效值及频率转换装置，包括电压传感器、电压采集电路、频率采集电路及处理单元，电压采集电路包括均方根
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直流转换器和ad转换器，所述的均方根
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直流转换器输入与电压传感器的输出端连接，所述均方根
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直流转换器的输出端与ad转换器的输入端连接；所示频率采集电路包括比较器、计数器、分频器和总线缓存器，比较器的输入端与电压传感器的输出端连接，输出端与计数器的输入端连接，计数器的输出端与总线缓存器连接，分频器的输出端与计数器的输入端连接；ad转换器和总线缓存器的输出端均与处理单元的输入端连接。
5.进一步的，分频器输出的方波信号作为计数器的门槛输入，比较器的输入引脚与电压传感器的输出连接，分频器输出的周期方波信号作为与门的一个输入，比较器的输出端和与门的另一个输入端连接，与门的输出端与计数器的输入脉冲管脚相连；计数器在满足要求的门槛电平内计数，由门槛电压的边沿信号将计数器的输出保存在总线缓存器内，供处理单元读取；分频器的输出与处理单元的中断连接，用于告知处理单元读取数据的时间点。
6.进一步的，均方根
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直流转换器采用的芯片型号为ad637。
7.进一步的，均方根
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直流转换器的芯片的out引脚和cav引脚之间连接有用于设置平均时间常数的调节电容cav1。
8.进一步的，电压传感器输出端与输入端隔离。
9.进一步的，比较器为过零比较器。
10.进一步的，分频器的输入端连接有晶振。
11.进一步的，分频器的输出通过输入端a管脚、b管脚、c管脚、d管脚和e管脚设置，a管脚、b管脚、c管脚、d管脚和e管脚的值由处理单元配置。
12.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
13.本发明所述的装置，由均方根
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直流转换器将输入的交流信号转化成直流信号输出，直流输出的大小等于交流或波动直流输入的均方根值，并通过ad转换器可采集，该直流信号为输入交流信号的有效值。利用电压传感器、比较器、计数器及辅助电路完成交流电频率的采集，通过配置频率采集电路中分频器的a、b、c、d、e管脚的值可实现不同频率的采集。
14.进一步的，所采用的器件及芯片均为常用芯片，采购方便，成本低廉，有效值采集在精度与速度的平衡中可通过配置电路来实现，可根据实际需求选择较高的采样速率或者较高精度，使用方便。该转换装置可实时采集并更新交流信号的有效值及频率，可嵌入产品内部。
15.进一步的，本发明所述的装置作为标准电路可叠加实现多路交流电的有效值及频率采集。原理简单，可实现，可集成于需要采集交流电电压及频率的测试设备中。
16.进一步的，电压传感器输出与输入相隔离，可将交流输入信号与采集转换装置部分相隔离，提高采集转换装置的安全性。
附图说明
17.图1为本发明所述的电路结构框图；
18.图2为本发明电压传感器及均方根
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直流转换器的一个具体实例的电路原理图；
19.图3为本发明交流电频率采集一个具体实例的电路原理图。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.参照图1，一种交流信号有效值及频率转换装置，由电压传感器、电压采集电路、频率采集电路及处理单元组成。电压采集电路由均方根
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直流转换器及ad转换器组成，均方根
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直流转换器的输出端与ad转换器的输入端连接，频率采集电路由比较器、计数器、晶振、分频器、与门及总线缓存器组成。
23.被测信号输入至电压传感器，电压传感器的输出连接至电压采集电路和频率采集
电路。电压采集电路和频率采集电路的输出均与处理单元连接。电压传感器和电压采集电路完成交流信号的有效值采集，电压传感器和频率采集电路完成交流信号的频率采集。
24.电压传感器输出与输入相隔离，可将交流输入信号与采集转换装置部分相隔离，提高采集转换装置的安全性。同时，电压传感器将输入交流信号调理到电压采集电路及频率采集电路可接收的范围。
25.如图2所示，电路中包含电压传感器和均方根
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直流转换器。电压传感器部分的电路包含输入匹配电阻r1和输出采样电阻r2。所述的电压传感器型号为hnv
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025a，以hnv
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025a示例，输入匹配电阻的选择原则是使输入电流不超过14ma。输出采样电阻的选择以均方根
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直流转换器的输入电压范围为参考。电压传感器输入和输出线圈的匝数比为2500：1000，根据电压传感器输入和输出线圈的匝数比可计算出输入电压与输出电压的关系u
o
＝u
i
*2.5*(r
o
/r
i
)，输入电流与输出电流的关系为i
o
＝2.5i
i
，其中，u
o
为输出电压值，u
i
为输入电压值，r
o
为输入电阻的电阻值，r
i
为输出电阻的电阻值，i
o
为输出电流，i
i
为输入电流。本实例以输入380vac交流信号为例，输入电阻选取的阻值为30k，其输入端电流约为12.7ma，输出电流约为31.7ma。所述的均方根
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直流转换器型号为ad637，输出采样电阻r3选取的阻值为200欧姆，输出电压约为6.3v，满足ad637的输入电压范围。对于其他不同交流电电压输入根据上述原则选择输入匹配电阻和输出采样电阻。
26.图2中，可通过调节电容cav1的容值来设置平均时间常数，电容cav1的值越小，建立时间越小，但是误差较大；cav1的值越大，测量误差越小，但是建立时间会增加，在不同的场合选取合适的容值来平衡建立时间和测量误差。若cav1容值选取为4μf，输入信号为10hz时测量误差为0.1％，输入信号为3hz时，测量误差为1％。
27.均方根
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直流转换器是提供直流输出，直流输出的大小等于交流或波动直流输入的均方根值，可将输入的交流信号转化成直流信号输出，该直流信号为输入交流信号的有效值。通过ad转换器可采集到均方根
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直流转换器输出的交流信号的有效值。根据电压传感器输出电压和输入电压的关系，由该电压值可计算出输入交流电压的有效值。
28.图3所示的频率采集电路包含比较器、计数器、晶振、分频器、总线缓存器及门电路。所述的比较器为lm319，所述的计数器为cd4040bf，所述的分频器为sn74ls294。总线缓存器的输入端与计数器输出端连接，输出端与处理单元连接，用于保存计数器的输出数据。
29.比较器设计为过零比较器，阈值电压为0v，比较器的正端输入为电压传感器输出的调理后的交流信号，比较器的负端输入为地，比较器将电压传感器输出的正弦交流信号整形为方波信号。
30.或门的一个输入端为处理单元外部数据总线的片选信号，或门的另一个输入端为处理单元外部数据总线的读写信号，或门的输出端与计数器的复位管脚连接，处理单元可通过外部数据总线写操作实现对计数器的复位操作。
31.计数器的输出与总线缓存器的输入连接，总线缓存器的输出与处理单元的外部数据总线连接。处理单元通过外部数据总线读取计数器输出的数据，复位计数器。每次操作前先对计数器进行复位操作，确保计数器的初值为零。
32.晶振和分频器组成分频电路，分频电路中，分频器sn74ls294的输入连接晶振的输出管脚，所选晶振输出频率为f＝1mhz，分频电路sn74ls294的输出可通过输入端a、b、c、d、e
管脚来设置，具体输出信号的周期为f为分频器的输入，x为a、b、c、d、e的值。本实例中a、b、c、d、e的值由处理单元的gpio来控制，可实现1～31的不同组合。
33.比较器的输入引脚与电压传感器输出连接，输出引脚连接至与门。分频电路提供周期方波信号作为计数器的门槛输入，具体实现如下：分频电路输出的周期方波信号作为与门的一个输入端，比较器的输出为与门的另一个输入端，与门的输出与计数器的输入脉冲管脚相连。计数器在满足要求的门槛电平内计数，由门槛电压的边沿信号将计数器的输出保存在总线缓存器内，供处理单元读取；同时分频电路的输出与处理单元的中断连接，告知处理单元读取数据的时间点。
34.根据门槛电平的周期及计数器的值可计算出交流电的频率。门槛电平的周期为交流电频率的更新周期。门槛电平的周期为t，门槛电平内计数器的计数值为n，交流电的频率为2n/t。
35.分频电路的输出周期与测量信号的频率及精度有关。周期越长，测量精度越高，则更新周期越慢。实际选择时，若要求的精度较高，则选择100倍的被测信号周期，精度可达1％。本实例中，交流电的频率为50hz，即周期为20ms，可选择门槛电平的周期为2s左右，则分频电路的a、b、c、d、e应配置为21，此时门槛电平的周期为2.1s。根据上述公式可计算出交流电的频率。测量其他频率信号分频电路的输出周期可按照上述推荐的原则选用。
36.处理单元用于：采集ad转换器的数据，并将其换算成交流电信号的有效值；采集计数器输出的计数值，并根据门槛周期计算出交流电信号的频率；接收分频电路的中断信号；通过gpio控制分频器中a、b、c、d、e的值。
37.本发明提出了一种交流信号有效值及频率采集装置，由电压传感器、均方根
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直流转换器、比较器、计数器及辅助电路组成，设计方法简单、成本低，且电路易于集成，可方便嵌入有需求的设备中，适应性广，便于推广，可适用于不同电压、不同频率的交流信号的电压和频率的采集，比如工业用380v/50hz三相电的线电压、相电压及频率，工业用220v/50hz单相电的电压、频率，航空用208v/400hz三相电的线电压、相电压、频率以及其他交流信号的电压、频率采集转换。
38.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。