一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器制造技术

本发明专利技术揭示了一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，本发明专利技术对标准型双积分A/D转换器作出了改进。本发明专利技术的积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器，其时钟频率/周期不再独立于工频交流电频率/周期，而是自动跟踪工频交流电频率/周期，消除了标准型双积分A/D转换器的工频信号周期与时钟周期不完全成整数比而带来的误差。另外，本发明专利技术的用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，其时钟频率/周期与工频交流电的电压幅值也无关，提高了应用的方便性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器
本专利技术涉及一种A/D转换器(模/数转换器，以下简称ADC)，具体涉及一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器。
技术介绍
双积分式ADC具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。双积分式A/D转换器电路主要由积分器、比较器、计数器、和标准电压源组成。双积分式A/D转换器在“转换开始”信号控制下，模拟输入电压在固定时间内向电容充电(正向积分)，固定积分时间对应于n个时钟脉冲充电的速率与输入电压成正比。当固定时间一到，控制逻辑将模拟开关切换到标准电压端，由于标准电压与输入电压极性相反，电容器开始放电(反向积分)，放电期间计数器计数脉冲多少反映了放电时间的长短，从而决定了模拟输入电压的大小。输入电压大，则放电时间长。当电容器放电完毕，比较器输出信号使计数器停止计数，并由控制逻辑发出“转换结束”信号，完成一次A/D转换。一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的同一积分器。因此，在两次积分期间(一般在几十到数百毫秒之间)，R、C和脉冲源等元器件参数的变化对转换精度的影响均可忽略。另一方面，由于双积分A/D转换器在时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。尤其对周期等于T1或几分之一的对称干扰(所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰)，从理论上来说，有无穷大的抑制能力。即使当工频干扰幅度大于被测直流信号，使得输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能力。由于在工业系统中经常碰到的是工频(50Hz)或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间T1即对待测电压信号进行第一次积分的时间总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。然而，前述双积分ADC所具有的很强的抗工频干扰的能力，仅就其工作原理而言的。根据其工作原理，在实际应用场合中，应当要求第一次积分时间(对待测电压信号积分的时间)T1严格等于工频交流电的周期，或严格地是工频交流电的周期的整数倍，这样才能使一个测试周期内的工频干扰被严格地消除。在双积分ADC的通常使用中，都是采用一个独立的振荡器来产生时钟信号，并且选取第一次积分时间为t＝T1＝2nTC，这里n为计数器电路整体完成一次状态循环的时钟脉冲的个数，TC为脉冲时钟信号周期。一台采用双积分ADC的测量仪器，要求其双积分ADC的参数T1严格等于工频交流电周期的整数倍，实际上是难以达到的，这是由于：通常一个国家的电网频率是固定的，所有为这个国家和地区供应用电设备的厂家必须按照这个频率制作设备才能正常使用。具体频率定的多少由各个国家自己按照国际习惯定义或者自己定义。例如，中国台湾为60Hz，中国大陆为50Hz，日本关东为50Hz关西为60Hz，韩国为60Hz，新加坡为50Hz，美国、加拿大、巴西为60Hz，俄罗斯、英国、法国、德国等欧洲国家则为50Hz。因此，仅就不同的国家或地区而言，采用双积分ADC的测量仪器就需要针对不同的国家或地区分布设计两套参数，增加了设计、生产、调试的复杂度。另外，每个国家或地区的工频交流电的频率也有一定的容错度，例如，在中国目前施行的《供电营业规则》规定：在电力系统正常的情况下，供电频率的允许误差为：(1)电网装机容量在300万及以上的，为±0.2Hz；(2)电网装机容量在300万以下的，为±0.5Hz。在电力系统非正常状况下，供电频率允许误差不应超过±1.0Hz。因此，即使针对于特定国家或地区设计的测量仪器，双积分ADC的通常使用的独立的振荡器也无法使得双积分ADC的参数T1严格等于工频交流电周期的整数倍。上述原因使得双积分ADC的抗工频干扰能力难以进一步提高。为了帮助本领域技术人员深刻理解本专利技术所提出的技术问题及相应的技术方案，在本专利技术的说明书后面将全文附上标准的双积分ADC的工作原理。本专利技术所要解决的技术问题：自动适应工频倍频，消除标准型双积分A/D转换器的工频信号周期与时钟周期不完全成整数比而带来的误差。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于提供一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，本专利技术对标准型双积分A/D转换器作出了改进。实现本专利技术目的具体技术方案是：实现本专利技术目的具体技术方案是：一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，包括：工频电压采样电路，第一过零比较器，2m倍频器，以及标准型双积分A/D转换器，2m倍频器由2m分频器及锁相环构成，m为正整数；锁相环内包含有压控振荡器和鉴相器。标准型双积分A/D转换器包括有积分器、第二过零比较器、时钟脉冲控制门和计数器，积分器以集成运算放大器为核心组成。工频电压采样电路的输入端连接至工频电源，工频电压采样电路的输出端连接至过零比较器的输入端，过零比较器的输出端连接至锁相环的第一输入端，锁相环的输出端与2m倍频器的输入端连接，2m倍频器的输出端连接锁相环的第二输入端，锁相环的输出端还连接至标准型双积分A/D转换器的时钟信号输入端，标准型双积分A/D转换器的其余输入端、输出端连接方式不变。本专利技术的改进的双积分型ADC的脉冲时钟信号取自于测量仪器自身所接入的工频交流电供电系统，使得脉冲时钟信号的频率/周期严格跟随于工频交流电频率/周期，即脉冲时钟信号频率为自适应型，完全不同于常规的双积分ADC采用单独振荡器产生脉冲时钟信号的方式。具体地，从测量仪器的交流电源处进行电压采样，采样信号经过过零比较器，过零比较器将输入的正弦波信号进行变换，过零比较器的输出信号为方波信号，该方波信号同时输出到至少一个2m倍频器，倍频器的输出信号的频率即为工频电源频率的2m倍，m为正整数；倍频器的输出方波信号用作标准的双积分ADC的时钟信号。优选地，任意一个分频器和任意一个倍频器的输入端与过零比较器之间均设有缓冲器。可选地，分频器由一个或多个D触发器构成。可选地，过零比较器由运算放大器构成。可选地，倍频器采用锁相环PLL和分频器，来对工频信号进行倍频。可选地，工频电压采样电路从测量仪器的交流电源处进行电压采样，通过电阻分压电路或电容分压电路来实现。优选地，双积分ADC的转换位数为n，则m为n的整数倍。上述电压采样电路、过零比较器、倍频器、标准型双积分A/D转换器、分频器、锁相环、压控振荡器、鉴相器、积分器、时钟脉冲控制门、计数器运算放大器，均为本领域技术人员所熟知的电路模块，其各自的具体实现均为现有技术，在此无需赘述。本专利技术的积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器，其特征在于，与现有技术本质不同的是，其时钟信号不是来自于独立的振荡器，而是来自于工频电压的频率，并且时钟信号的频率严格地等于工频交流电的频率的整数倍，因此双积分ADC的参数T1严格等于工频交流电周期的整数倍。在本专利技术的技术方案中，由于标准型双积分A/D转换器的时钟信号来自于测量仪器的交流电源的工频信号，其频率是工频信号的2m倍，并且可自动地跟踪交流电源的工频频率，因此，可以完美地保证了标准型双积分ADC的第一次积分时间(对待测电压信号积分的时间)T1严格等于工频交流电的周期、或严格地是工频交流电的周期的整数倍的要求，真正实现了一个测试周期内的工频干扰被严格地消除。根据本专利技术的技术方案的原理可知，本专利技术的积分周期自适本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，其特征在于：所述积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器，包括：工频电压采样电路，第一过零比较器，2m倍频器，以及标准型双积分A/D转换器，2m倍频器由2m分频器及锁相环构成，m为正整数；锁相环内包含有压控振荡器和鉴相器；任意一个分频器和任意一个倍频器的输入端与过零比较器之间均设有缓冲器；标准型双积分A/D转换器包括有积分器、第二过零比较器、时钟脉冲控制门和计数器，积分器以集成运算放大器为核心组成；工频电压采样电路的输入端连接至工频电源，工频电压采样电路的输出端连接至过零比较器的输入端，过零比较器的输出端连接至锁相环的第一输入端，锁相环的输出端与2m倍频器的输入端连接，2m倍频器的输出端连接锁相环的第二输入端，锁相环的输出端还连接至标准型双积分A/D转换器的时钟信号输入端，标准型双积分A/D转换器的其余输入端、输出端连接方式不变；工频电压采样电路从测量仪器的交流电源处进行电压采样，通过电阻分压电路或电容分压电路来实现；所述用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器从测量仪器的交流电源处进行电压采样，采样信号经过过零比较器，过零比较器将输入的正弦波信号进行变换，过零比较器的输出信号为方波信号，该方波信号同时输出到至少一个2m倍频器，倍频器的输出信号的频率即为工频电源频率的2m倍，m为正整数；倍频器的输出方波信号用作标准的双积分ADC的时钟信号；所述用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器中的标准型双积分A/D转换器的时钟信号来自于测量仪器的交流电源的工频信号，其频率是工频信号的2m倍，并且自动地跟踪交流电源的工频频率，保证标准型双积分ADC的第一次积分时间即对待测电压信号积分的时间T1严格等于工频交流电的周期、或严格地是工频交流电的周期的整数倍的要求，使一个测试周期内的工频干扰被严格地消除。...

【技术特征摘要】
1.一种用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器，其特征在于：所述积分周期自适应工频型更高精度的双积分A/D转换器，包括：工频电压采样电路，第一过零比较器，2m倍频器，以及标准型双积分A/D转换器，2m倍频器由2m分频器及锁相环构成，m为正整数；锁相环内包含有压控振荡器和鉴相器；任意一个分频器和任意一个倍频器的输入端与过零比较器之间均设有缓冲器；标准型双积分A/D转换器包括有积分器、第二过零比较器、时钟脉冲控制门和计数器，积分器以集成运算放大器为核心组成；工频电压采样电路的输入端连接至工频电源，工频电压采样电路的输出端连接至过零比较器的输入端，过零比较器的输出端连接至锁相环的第一输入端，锁相环的输出端与2m倍频器的输入端连接，2m倍频器的输出端连接锁相环的第二输入端，锁相环的输出端还连接至标准型双积分A/D转换器的时钟信号输入端，标准型双积分A/D转换器的其余输入端、输出端连接方式不变；工频电压采样电路从测量仪器的交流电源处进行电压采样，通过电阻分压电路或电容分压电路来实现；所述用于精确测量领域的积分周期自适应工频型双积分A/D转换器从测量仪器的交流电源处进行电压采样，采样信号经过过零比较器，过零比较器将输入的正弦波信号进行变换，过零比较器的输出信号为方波信...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志亮，尹海宏，宋长青，邵海宝，瞿慧雯，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32