專利名稱：：波形純化器和波形純化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種建立精密測量儀器的新技術(shù)，具體而言，涉及一種波形純化器及其操作方法。
背景技術(shù)：
：諧波問題是交流精密測量中經(jīng)常遇到的問題。近年來飛速發(fā)展的各種新型電器(如節(jié)能燈、逆變器)往往會應(yīng)用非線性器件，因而產(chǎn)生50Hz的諧波使電網(wǎng)受到污染。在精密測量電路中被測電量(電壓、電流等)如是非正弦的，其中所含的諧波分量會引起附加的測量誤差。所以會提出去除被測對象中的諧波的要求。目前文獻(xiàn)上見到的去除諧波的方法是采用選頻網(wǎng)絡(luò)或選頻放大器。這些方法確實(shí)能很好地去除諧波，但也會對基波產(chǎn)生影響，影響基波的準(zhǔn)確度。所以在精密測量電路中希望在去除諧波的過程中基波的大小及相位都保持不變。以往的文獻(xiàn)中未見到能真正滿足這樣要求的方法，本申請書則提出了這樣的一種方法，在去除被測量中諧波的過程中，能保持基波的大小及相位都不變。從而提高存在諧波時(shí)的測量準(zhǔn)確度。因此，本申請書中所提出的裝置可以稱為“波形純化器”。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供一種波形純化裝置，用于將被測波形中的諧波分量除去而保持基波分量不變，其特征在于所述裝置由比例放大器(1)、雙T濾波網(wǎng)絡(luò)(2)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)、反饋比例放大器(5)、接地點(diǎn)(6)和分壓電阻器(7)構(gòu)成。優(yōu)選地，輸入信號由比例放大器(1)的正輸入端輸入，經(jīng)分壓電阻器(7)調(diào)節(jié)后，經(jīng)輸出電壓跟隨器⑶輸出，從比例放大器⑴輸出的信號經(jīng)雙T濾波網(wǎng)絡(luò)(2)、反饋比例放大器(5)、反饋電壓跟隨器⑷后，反饋到電壓跟隨器(1)的負(fù)輸入端。優(yōu)選地，比例放大器(1)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器⑷和反饋比例放大器(5)采用頻率特性不相同的比例放大器。優(yōu)選地，比例放大器⑴和反饋電壓跟隨器⑷所使用的運(yùn)算放大器型號為NationalSemiconductor公司的LF356N，輸出電壓跟隨器(3)所使用的運(yùn)放型號為MaximIntegratedProducts的MAX400，反饋比例放大器(5)所使用的運(yùn)放型號為AnalogDevices公司的0P177，電阻的類型為RX-70精密繞線電阻。優(yōu)選地，所述雙T濾波網(wǎng)絡(luò)(2)包括三個(gè)電阻(RpR^R3)和三個(gè)電容(CpC^C3)，其中，R1和C1之間經(jīng)導(dǎo)線引出為輸入端子，R2和C2之間經(jīng)導(dǎo)線引出為輸出端子，R3和C3之間經(jīng)導(dǎo)線接地。優(yōu)選地，所述R1和R2是阻值為10kohm的精密繞線電阻，R3由阻值為5kohm的精密繞線電阻和阻值為IOOohm或200ohm的可調(diào)電阻器組成，用于調(diào)節(jié)雙T電橋的平衡。優(yōu)選地，所述三個(gè)電容(CpCyC3)是薄膜電容，其值可以通過多檔可調(diào)開關(guān)進(jìn)行不同諧振頻率的切換。根據(jù)本方面的第二個(gè)方面，提供一種波形純化方法，用于將被測波形中的諧波分量除去而保持基波分量不變，其特征在于，所述方法使用比例放大器(1)、雙T濾波網(wǎng)絡(luò)(2)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)、反饋比例放大器(5)、接地點(diǎn)(6)和分壓電阻器(7)構(gòu)成的裝置對被測波形進(jìn)行處理，所述方法包括以下步驟(a)調(diào)節(jié)電阻R3,使得電阻R1并電阻R2的阻值與電阻R3阻值之比等于電容C3的電容值比電容C1和電容C2并聯(lián)的電容值，以實(shí)現(xiàn)雙T濾波網(wǎng)絡(luò)⑵的電橋平衡；以及(b)微調(diào)電阻R3和輸入信號的頻率f，使得雙T網(wǎng)絡(luò)⑵的輸出為零，從而雙T網(wǎng)絡(luò)對基波信號完全截止。圖1為本發(fā)明中波形純化器的原理圖；圖2為本發(fā)明中波形純化器電路示意圖；圖3為本發(fā)明中調(diào)節(jié)雙T網(wǎng)絡(luò)電橋平衡示意圖；圖4為本發(fā)明中雙T濾波網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)特性(縱軸_幅度，橫軸_歸一化頻率)；圖5為本發(fā)明中R7/R6取不同值時(shí)波形純化器頻率響應(yīng)特性(坐標(biāo)軸同上)。具體實(shí)施例方式圖1中是本申請書中提出的波形純化器的原理圖。這是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)。其中反饋環(huán)路中包含了三個(gè)運(yùn)算放大器。假設(shè)要測量一個(gè)含有諧波的非正弦電壓仏。運(yùn)算放大器A1對于U1而言是一個(gè)正端輸入的比例放大器，其放大倍數(shù)為(R5+R4)/R4，當(dāng)R1=R2時(shí)放大倍數(shù)就等于2。R8、R9是一個(gè)電阻分壓器，當(dāng)R8=R9時(shí)，電壓跟隨器A4輸出信號的基波與輸入信號的基波完全相等。運(yùn)算放大器A2則是一個(gè)正端輸入的比例放大器。其放大倍數(shù)為R7/R6。運(yùn)算放大器A3是一個(gè)跟隨器，在運(yùn)算放大器A2與R4之間作緩沖器。發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)在于運(yùn)算放大器~的輸出后面插入了一個(gè)雙T濾波網(wǎng)絡(luò)。若雙T濾波網(wǎng)絡(luò)的平衡頻率調(diào)節(jié)得正好等于被測電壓基波的頻率。此時(shí)雙T濾波網(wǎng)絡(luò)對基波的傳輸系數(shù)等于0，即對于基波不會由于運(yùn)算放大器A2而產(chǎn)生附加的負(fù)反饋。對于諧波而言，雙T濾波網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)不為0，因而就會由于運(yùn)算放大器A2而產(chǎn)生附加負(fù)反饋。運(yùn)算放大器A2的放大倍數(shù)R7/R6越大，對于諧波的附加負(fù)反饋也越大，從而對諧波產(chǎn)生很大的衰減。這樣，在保證基波信號沒有衰減的情況下，諧波成分被抑制，從而實(shí)現(xiàn)波形純化的目的。下面具體說明兩個(gè)關(guān)鍵問題a)如何調(diào)節(jié)雙T網(wǎng)絡(luò)平衡首先，調(diào)節(jié)雙T濾波網(wǎng)絡(luò)的電橋平衡(粗調(diào))。雙T濾波網(wǎng)絡(luò)平衡時(shí)具有電橋特性，滿足式(1)。所以應(yīng)首先調(diào)節(jié)雙T濾波網(wǎng)絡(luò)的電橋平衡。R-,C、I丨C7^f~=—---(1)R^//R2C3具體操作是調(diào)節(jié)電阻R3,使得電阻R1并電阻R2的阻值與電阻R3阻值之比等于電容C3的電容值比電容C1和電容C2并聯(lián)的電容值，電橋見圖3。然后，調(diào)節(jié)雙T使其對基波完全截止(細(xì)調(diào))。雙T濾波網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)電橋平衡之后，按波形純化的原理連接雙T網(wǎng)絡(luò)的電阻電容，微調(diào)電阻R3和輸入信號的頻率f，使得雙T網(wǎng)絡(luò)的輸出為零，從而雙T網(wǎng)絡(luò)對基波信號完全截止，輸入信號頻率f即基波頻率(諧振頻率)。b)波形純化器的頻率響應(yīng)特點(diǎn)雙T濾波網(wǎng)絡(luò)歸一化的網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為式(2)，頻率響應(yīng)曲線見圖4。實(shí)際上，它是一個(gè)僅對諧振頻率進(jìn)行阻止的網(wǎng)絡(luò)，在調(diào)節(jié)平衡的條件下，它可以使得基波頻率輸出為零。Η(χ)=1χ=)1+.4χ,崎(2)反饋比例運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為R7/R6，那么，波形純化器的網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為式(3)。圖5給出了R7/R6分別等于10、100和1000時(shí)的頻率響應(yīng)曲線。^7、0.5H(χ)=-=—0.5+H(xA⑴Re顯然，&/16越大，對于諧波的附加負(fù)反饋也越大，從而對諧波產(chǎn)生的衰減也越大。整個(gè)反饋回路由三個(gè)運(yùn)算放大器組成的，假設(shè)三個(gè)運(yùn)算放大器的時(shí)間常數(shù)為τρτ2，τ3，系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為式(4)。T1T2T3ρ3+(τjτ2+τ2τ3+τjτ3)ρ2+(τj+τ2+τ3)ρ+1+Κ0=0(4)根據(jù)Routh判據(jù)，在比例放大器(1)和反饋電壓跟隨器⑷放大倍數(shù)確定的情況下，反饋比例放大器(5)的放大倍數(shù)Ktl應(yīng)該滿足式(5)，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。K0=^-+^+^+++(5)Λ6T2T1T3T2T1T3由于Ktl的值越大濾波效果越好，所以波形純化器的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在于尋找相匹配的三個(gè)時(shí)間常數(shù)τ”τ2，τ3，使得Ktl的值盡可能的大。實(shí)際匹配的結(jié)果是在采用權(quán)利5所述的器件時(shí)，放大倍數(shù)達(dá)到200倍，這時(shí)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)獲得好的濾波特性。系統(tǒng)連接方式按照圖2所示連接，運(yùn)算放大器A1選用LF356N，系統(tǒng)的輸入信號由A1的3腳輸入,A1的2腳和6腳之間接入阻值為IOkOhm(R5)的精密繞線電阻，A1的6腳為輸出端子。輸出信號有分成兩路第一路作為輸出與輸出分壓電阻器R8的一個(gè)端子相連，第二路作為雙T網(wǎng)絡(luò)的輸入。雙T網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)電阻R1R3和三個(gè)電容C1C3組成，其中R1和R2是阻值為IOkohm的精密繞線電阻，R3由阻值為5kohm的精密繞線電阻和阻值為IOOohm或200ohm的可調(diào)電阻器串聯(lián)而成，可調(diào)電阻器主要用于調(diào)節(jié)雙T電橋的平衡(粗調(diào)和細(xì)調(diào))。(^(3為薄膜電容，其值可以通過多檔可調(diào)開關(guān)進(jìn)行不同諧振頻率的切換，在確定諧振頻率fo和電阻值R1=R2=2R3=R的情況下，不同檔位下C1C3的數(shù)值如下表。表1.不同檔位下C1C3的數(shù)值<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>雙T網(wǎng)絡(luò)R3和C3之間經(jīng)導(dǎo)線接地，R1和C1之間經(jīng)導(dǎo)線引出為輸入端子，R2和C2之間經(jīng)導(dǎo)線引出為輸出端子。輸出端經(jīng)阻值為IOOohm的電阻R6輸入到運(yùn)算放大器A2(0P177)的2腳。運(yùn)算放大器A2選用0P177，輸入信號(來自雙T網(wǎng)絡(luò)的輸出)從2腳輸入，3腳接地，2腳和6腳之間接電阻值為20kohm的電阻R7,6腳為輸出端子，輸入到電壓跟隨器的3腳。反饋回路中的電壓跟隨器A3型號為LF356N，它的輸出經(jīng)阻值為IOkohm的精密繞線電阻R4反饋到運(yùn)算放大器A1的負(fù)輸入端子(2腳)。輸出電阻分壓器由電阻R8和R9串聯(lián)構(gòu)成，其阻值均為IOkohm,由A1輸出的信號輸入到R8的上端子，R8和R9之間由導(dǎo)線引出作為輸出端子。在R8和R9的兩端各并聯(lián)若干高阻值電阻(1M-20Mohm)用于細(xì)調(diào)二者之間的比例，以保證輸出的基波電壓幅值不會發(fā)生變化。輸出電壓跟隨器的運(yùn)放A4選用MAX400，用于與測量回路隔離。在基波頻率為&=15.25Hz的情況下，測得波形純化器的頻率特性如下表表2.基波頻率&=15.25Hz時(shí)波形純化器的頻率特性<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>在波形純化器調(diào)節(jié)平衡的情況下，對輸出信號穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如下。去除溫漂后，短期內(nèi)輸出的穩(wěn)定性能達(dá)到10_8量級。表3.輸出信號穩(wěn)定性測試<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注表中不確定度是指A類不確定度，計(jì)算方法為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>權(quán)利要求一種波形純化裝置，用于將被測波形中的諧波分量除去而保持基波分量不變，其特征在于所述裝置由比例放大器(1)、雙T濾波網(wǎng)絡(luò)(2)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)、反饋比例放大器(5)、接地點(diǎn)(6)和分壓電阻器(7)構(gòu)成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波形純化裝置，其特征在于輸入信號由比例放大器(1)的正輸入端輸入，經(jīng)分壓電阻器(7)調(diào)節(jié)后，經(jīng)輸出電壓跟隨器(3)輸出，從比例放大器(1)輸出的信號經(jīng)雙T濾波網(wǎng)絡(luò)(2)、反饋比例放大器(5)、反饋電壓跟隨器(4)后，反饋到電壓跟隨器(1)的負(fù)輸入端。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波形純化裝置，其特征在于比例放大器(1)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)和反饋比例放大器(5)采用頻率特性不相同的比例放大4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的波形純化裝置，其特征在于，比例放大器(1)和反饋電壓跟隨器(4)所使用的運(yùn)算放大器型號為NationalSemiconductor公司的LF356N，輸出電壓跟隨器(3)所使用的運(yùn)放型號為MaximlntegratedProducts的MAX400，反饋比例放大器(5)所使用的運(yùn)放型號為AnalogDevices公司的0P177，電阻的類型為RX-70精密繞線電阻。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波形純化裝置，其特征在于，所述雙T濾波網(wǎng)絡(luò)(2)包括三個(gè)電阻(R1>R2>R3)和三個(gè)電容和、(2、(3)，其中，R1和C1之間經(jīng)導(dǎo)線引出為輸入端子，R2和C2之間經(jīng)導(dǎo)線引出為輸出端子，R3和C3之間經(jīng)導(dǎo)線接地。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波形純化裝置，其特征在于，所述R1和R2是阻值為IOkohm的精密繞線電阻，R3由阻值為5kohm的精密繞線電阻和阻值為IOOohm或200ohm的可調(diào)電阻器組成，用于調(diào)節(jié)雙T電橋的平衡。7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的波形純化裝置，其特征在于，所述三個(gè)電容(CpC^C3)是薄膜電容，其值可以通過多檔可調(diào)開關(guān)進(jìn)行不同諧振頻率的切換。8.一種波形純化方法，用于將被測波形中的諧波分量除去而保持基波分量不變，其特征在于，所述方法使用比例放大器(1)、雙T濾波網(wǎng)絡(luò)(2)、輸出電壓跟隨器(3)、反饋電壓跟隨器(4)、反饋比例放大器(5)、接地點(diǎn)(6)和分壓電阻器(7)構(gòu)成的裝置對被測波形進(jìn)行處理，所述方法包括以下步驟(a)調(diào)節(jié)電阻R3，使得電阻R1并電阻R2的阻值與電阻R3阻值之比等于電容C3的電容值比電容C1和電容C2并聯(lián)的電容值，以實(shí)現(xiàn)雙T濾波網(wǎng)絡(luò)⑵的電橋平衡；以及(b)微調(diào)電阻R3和輸入信號的頻率f，使得雙T網(wǎng)絡(luò)(2)的輸出為零，從而雙T網(wǎng)絡(luò)對基波信號完全截止。全文摘要目前文獻(xiàn)上見到的去除諧波的方法是采用選頻網(wǎng)絡(luò)或選頻放大器。這些方法確實(shí)能很好地去除諧波，但也會對基波產(chǎn)生影響，影響基波的準(zhǔn)確度。所以在精密測量電路中希望在去除諧波的過程中基波的大小及相位都保持不變，以往的文獻(xiàn)中未見到能真正滿足這樣要求的方法。本申請書則提出了這樣的一種方法，在去除被測量信號中的諧波分量過程中，能保持基波的大小及相位都不變。從而提高存在諧波時(shí)的測量準(zhǔn)確度。因此，本申請書中所提出的裝置可以稱為“波形純化器”。波形純化器通過雙T網(wǎng)絡(luò)組成閉環(huán)負(fù)反饋，保持基波幅值和相位不變的情況下，通過匹配負(fù)反饋回路中運(yùn)算放大器的時(shí)間常數(shù)能極大的消除諧波的含量。從而提高波形純化的目的，提高測量準(zhǔn)確度。測試結(jié)果表明，本申請書提出的波形純化器完全達(dá)到了波形純化的技術(shù)指標(biāo)和目的。文檔編號H03H7/01GK101820260SQ20101015638公開日2010年9月1日申請日期2010年4月27日優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日發(fā)明者張鐘華,李世松,李正坤,賀青申請人:中國計(jì)量科學(xué)研究院