[发明专利]一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置及方法

说明书

本发明提出一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置，包括顺次连接的光电换向开关、两个跟随器、两路电压抬升电路、差分驱动电路、滤波电路、A/D采样电路、FPGA时序控制电路和上位机及数据处理模块；上位机及数据处理模块储存光电换向开关换向前和换向后两次测量的差分信号，利用差分信号和交流量子电压重构被测交流电压，通过FFT运算获得两次重构交流电压信号的幅值，幅值的平均值为交流电压的电压幅值。大幅度衰减了测量系统的误差，提高了交流电压幅值测量准确度。

技术领域

本发明属于计量领域，具体涉及一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置及方法。

背景技术

在交流电压基准建立中，国内外交流电压的测量均使用商业仪器作为采样器，如数字化电压表安捷伦3458A。但数字电压表由于计算能力和数据传输带宽的限制，很难做到功率测量的实时和连续。通常情况是计算机控制数字电压表采集一段时间的电压瞬时信号，再通过接口传递数据到计算机中，由计算机完成功率的最终计算。由于这种方法属于非实时和连续测量，为了得到较好的测量不确定度，需要对被测信号的稳定性提出很高的要求。如果被测信号的稳定性达不到要求，就只能通过延长测量时间，获取大量的测量数据进行平均来减小测量结果的A类不确定度，实现10^-6量级的量值传递。

在实际应用中，交流量子电压具有10^-8量级的电压幅值准确度，而由于测量系统受电子元器件的限制，无法达到10^-8量级的测量准确度，因此，无法发挥交流量子电压高准确度的优势。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置及方法，为高精度交流电压的测量提供一种新的方案和方法，通过换向测量大幅度降低了系统增益误差的影响，提高了交流电压测量准确度。

根据本发明的一个方面，提出一种基于量子电压的交流电压换向差分测量装置，包括顺次连接的光电换向开关、两个跟随器、两路电压抬升电路、差分驱动电路、滤波电路、A/D采样电路、FPGA时序控制电路和上位机及数据处理模块；光电换向开关接入交流电压和交流量子电压，控制交流电压和交流量子电压的输出互换；跟随器与光电换向开关和电压抬升电路连接，用于提高差分采样时的输入阻抗；电压抬升电路，用于抬升输入信号的偏置电压，以使得输入到A/D采样电路中的信号全在零电位以上；差分驱动电路，用于将经过两路电压抬升电路输出的信号转换成差分信号，并将差分信号送到滤波电路；滤波电路，用于滤除差分信号中的共模和差模干扰信号；A/D采样电路，用于A/D采样电路在FPGA时序控制电路的控制下，将经过滤波电路的差分信号转换成数字信号，并将数字信号送到FPGA时序控制电路；FPGA时序控制电路为A/D采样电路提供逻辑时序，并输出数据到上位机及数据处理模块；FPGA时序控制电路还连接光电换向开关，控制光电换向开关的切换；上位机及数据处理模块储存光电换向开关换向前和换向后两次测量的差分信号，利用差分信号和交流量子电压重构被测交流电压，通过FFT运算获得两次重构的交流电压的幅值，幅值的平均值为交流电压的电压幅值。

优选的，跟随器为1:1跟随器。

优选的，滤波电路的截止频率为300kHz。

上述交流电压换向差分测量装置的使用方法包括以下步骤：

步骤1：将交流电压接到光电换向开关的同相端，交流量子电压接到光电换向开关的反相端，经过电压抬升电路将交流电压和交流量子电压转换成在零电位以上的两路信号，经过差分驱动电路得到两路幅值大小相等、相位相差180度的差分信号；差分信号经过滤波电路后送到A/D采样电路，A/D采样电路将模拟信号转换成数字信号；

步骤2：A/D采样电路输出的数字信号通过FPGA逻辑时序电路送到上位机及数据处理模块进行存储，上位机及数据处理模块利用交流量子信号和差分信号重构出交流电压，通过FFT分析计算出交流电压的电压幅值。