用于对电压突变进行补偿的参考信号发生器及补偿电路

摘要

本发明提供了一种简单有效的用于对电压突变进行补偿的参考信号发生器，其由继电器、及巴特沃兹滤波器顺接而成，其输入信号经过该参考信号发生器后产生一个总谐波失真很低的、与该输入信号同相的、固定幅度的参考信号；以及一种用于对电压突变进行补偿的补偿电路，其由叠加电路、上述本发明提供的参考信号发生器、比较电路、及可控逆变电路顺接而成，其利用该参考信号发生器产生的所述参考信号与其输入信号之间的误差对该输入信号的电压突变进行补偿。已有试验数据表明，本发明提供的用于对电压突变进行补偿参考信号发生器及补偿电路有效。

说明书

技术领域

本发明涉及信号发生器，具体地说，本发明涉及一种用于对电压突变进行补偿的参考信号发生器，以及采用该参考信号发生器对电压突变进行补偿的补偿电路。

背景技术

对电压的突升和突降进行补偿的关键因素在于检测参考输入电压与实际输入电压之间的差异。如果能够得到一个与输入信号同相的、幅度固定的参考正弦信号，比较输入信号与参考信号就能很快发现输入电压的任何幅度升降变化，并利用该参考信号与所述输入信号之间的误差对该输入电压的突变(突升或突降)进行补偿。产生固定幅度参考正弦信号的主要难点在于，其必须与输入信号同相，并且其幅度不受输入信号幅度变化的影响。

发明内容

针对上述技术难点，本发明目的在于提供一种参考信号发生器，该参考信号发生器能够产生与其输入信号同相、且幅度不受该输入信号幅度变化影响的参考信号，该参考信号可用于对所述输入信号的电压突变进行补偿；以及提供一种补偿电路，该补偿电路采用上述参考信号发生器能够对其输入电压的电压突变进行补偿。

为了达到上述发明目的，本发明提供一种用于对电压突变进行补偿的参考信号发生器。该参考信号发生器包括有继电器，及巴特沃兹滤波器(Butterworth filter)；所述继电器用于基于该参考信号发生器的输入信号产生方波信号；所述巴特沃兹滤波器用于衰减上述方波信号中的高次谐波；该参考信号发生器的输入信号顺序通过所述继电器，及所述巴特沃兹滤波器后，产生与该输入信号同相、幅度不受该输入信号幅度变化影响而为固定值、且总谐波失真THD(Total Harmonic Distortion)很低的参考信号输出。

对于上述参考信号发生器，所述继电器与所述巴特沃兹滤波器之间还可插接跟随器，用于隔离所述继电器与所述巴特沃兹滤波器之间的相互影响。

在上述参考信号发生器中，所述巴特沃兹滤波器的截止频率等于该参考信号发生器的输入信号频率。

当所述继电器的工作模式为：其输入信号幅度大于等于0时，其输出信号为固定幅度-A；其输入信号幅度小于0时，其输出信号为固定幅度A，其中A＞0。也就是说，所述继电器为反相继电器，如果所述参考信号发生器的输入信号为一个正弦信号，所述继电器的输出将是一个与该输入信号同频率、反相、振幅为A的方波。所述巴特沃兹滤波器的阶数等于4×(2N+1)(N为不小于0的自然数)；这时，该巴特沃兹滤波器会产生-180°的相移，刚好用来抵消所述反相继电器产生的180°相移，从而确保该参考信号发生器所产生的参考信号与其输入信号同相。

当所述继电器的工作模式为：其输入信号幅度大于等于0时，其输出信号为固定幅度A；其输入信号幅度小于0时，其输出信号为固定幅度-A，其中A＞0。也就是说，如果所述参考信号发生器的输入信号为一个正弦信号，所述继电器的输出将是一个与该输入信号同频率、同相、振幅为A的方波。所述巴特沃兹滤波器的阶数等于8×N(N为不小于1的自然数)；这时，该巴特沃兹滤波器不会产生任何相移，同样可以确保该参考信号发生器所产生的参考信号与其输入信号同相。

当所述继电器的工作模式为：其输入信号幅度大于等于0时，其输出信号为固定幅度A；其输入信号幅度小于0时，其输出信号为固定幅度-A，其中A＞0。也就是说，如果所述参考信号发生器的输入信号为一个正弦信号，所述继电器的输出将是一个与该输入信号同频率、同相、振幅为A的方波。如果所述巴特沃兹滤波器的阶数等于4×(2N+1)(N为不小于0的自然数)；这时，该巴特沃兹滤波器会产生-180°的相移。为了确保该参考信号发生器所产生的参考信号与其输入信号同相，该参考信号发生器还包括有反相器，用于抵消上述巴特沃兹滤波器所产生的-180°的相移；该反相器可处于该参考信号发生器中任何一个位置，比如，该反相器插接在所述继电器之前，或者该反相器插接在所述继电器之后，或者该反相器插接在所述巴特沃兹滤波器之前，或者该反相器插接在所述巴特沃兹滤波器之后。

为减少噪声对该参考信号发生器中所述继电器开关的影响，该继电器具有迟滞性，并且其迟滞宽度等于该参考信号发生器输入信号中噪声的幅度。

为抵消上述迟滞引入的相移，轻微调低该参考信号发生器中所述巴特沃兹滤波器(Butterworth filter)的截止频率，以确保该参考信号发生器所产生的参考信号与其输入信号同相。

另外，本发明还提供一种用于对电压突变进行补偿的补偿电路，该补偿电路包括有：

参考信号发生器，其输入为该补偿电路的输入电压，其输出为与其输入同相、且幅度固定的参考信号；该参考信号发生器包括有：用于基于该参考信号发生器的输入产生方波信号的继电器，及用于衰减该方波信号中高次谐波的巴特沃兹滤波器组成；该参考信号发生器的输入顺序通过所述继电器和所述巴特沃兹滤波器后，产生与其输入同相、且幅度固定的参考信号输出；

比较电路，其正向输入为上述参考信号发生器的输出，其反向输入为该参考信号发生器的输入，其输出为该参考信号发生器的输出与输入之间的误差信号；

可控逆变电路，其输入为上述比较电路输出的误差信号，其输出为补偿电压突变所需的补偿电压；

叠加电路，其正向输入之一为该补偿电路的输入电压，其正向输入之二为上述可控逆变电路输出的补偿电压，利用该补偿电压对该输入电压的电压突变进行补偿。

对于上述补偿电路，所述参考信号发生器还包括有跟随器，该跟随器插接在该参考信号发生器中所述继电器与所述巴特沃兹滤波器之间，用于隔离该继电器与该巴特沃兹滤波器之间的相互影响。

在上述补偿电路中，所述参考信号发生器中所述巴特沃兹滤波器的截止频率等于该补偿电路的输入电压频率。

当所述参考信号发生器中所述继电器的工作模式为：当其输入信号幅度大于等于0时，其输出信号为固定幅度-A；当其输入信号幅度小于0时，其输出信号为固定幅度A，其中A＞0。这时，所述参考信号发生器中所述巴特沃兹滤波器的阶数等于4×(2N+1)，其中N为不小于0的自然数。

当所述参考信号发生器中所述继电器的工作模式为：当其输入信号幅度大于等于0时，其输出信号为固定幅度A；当其输入信号幅度小于0时，其输出信号为固定幅度-A，其中A＞0。这时，所述参考信号发生器中所述巴特沃兹滤波器的阶数等于8×N，其中N为不小于1的自然数。

当所述参考信号发生器中所述继电器的工作模式为：当其输入信号幅度大于等于0时，其输出信号为固定幅度A；当其输入信号幅度小于0时，其输出信号为固定幅度-A，其中A＞0。并且，所述参考信号发生器中所述巴特沃兹滤波器的阶数等于4×(2N+1)，其中N为不小于0的自然数。这时，所述参考信号发生器还包括有反相器；该反相器可处于该参考信号发生器中任何一个位置，比如，该反相器插接在所述继电器之前，或者该反相器插接在所述继电器之后，或者该反相器插接在所述巴特沃兹滤波器之前，或者该反相器插接在所述巴特沃兹滤波器之后。

为减少噪声对该补偿电路中所述参考信号发生器中所述继电器开关的影响，该继电器具有迟滞性，并且其迟滞宽度等于该参考信号发生器输入信号中噪声的幅度。

为抵消上述迟滞引入的相移，轻微调低该补偿电路中所述参考信号发生器中所述巴特沃兹滤波器(Butterworth filter)的截止频率，以确保该参考信号发生器所产生的参考信号与其输入同相。

本发明的优点在于：本发明提供的参考信号发生器能够产生固定幅度、与输入信号同相、总谐波失真很低的参考信号；该参考信号可用来检测输入信号的电压突变并对其进行补偿，从而改善输入信号的总谐波失真THD(Total Harmonic Distortion)。

本发明的又一优点在于：技术方案简单有效，电路实施仅需少数运算放大器及一些电阻和电容，实现成本低。

附图说明

图1：本发明中参考信号发生器实施例之一的示意框图

图2：本发明中参考信号发生器实施例之二的示意框图

图3：本发明中参考信号发生器实施例之三的示意框图

图4：本发明中参考信号发生器实施例之四的电路图

图5：本发明中参考信号发生器的输入/输出信号

图6：本发明中对电压突变进行补偿的补偿电路示意框图

具体实施方式

实施例之一

说明书附图中图1给出了本发明提供的用于对电压突变进行补偿的参考信号发生器的实施例之一的示意框图。

如图1所示：该参考信号发生器由反相继电器、及巴特沃兹滤波器组成，v(t)为其输入信号，y(t)为其输出信号；

所述反相继电器用于从该输入信号v(t)中产生与该输入信号同频率、振幅固定的方波；其工作模式为：当其输入信号幅度大于等于0时，其输出信号为固定幅度-A；当其输入信号幅度小于0时，其输出信号为固定幅度A，其中A＞0；也就是说，如果输入信号v(t)是一个正弦信号，该反相继电器的输出u(t)将是一个与该输入信号v(t)同频率、与该输入信号v(t)反相、振幅为A的方波；

所述巴特沃兹滤波器用于充分衰减所述反相继电器输出中的高次谐波；其截止频率等于所述输入信号v(t)的频率，其阶数等于4；也就是说，所述反相继电器输出的与该输入信号v(t)同频率、与该输入信号v(t)反相、振幅为A的方波，通过该4阶巴特沃兹滤波器后产生输出信号y(t)，该输出信号y(t)将接近正弦函数，其与该输入信号v(t)同相，并且其总谐波失真THD小于1％。

实施例之二

说明书附图中图2给出了本发明提供的用于对电压突变进行补偿的参考信号发生器的实施例之二的示意框图。

如图2所示：该参考信号发生器由同相继电器、及巴特沃兹滤波器组成，v(t)为其输入信号，y(t)为其输出信号；

所述同相继电器用于从该输入信号v(t)中产生与该输入信号同频率、振幅固定的方波；其工作模式为：当其输入信号幅度大于等于0时，其输出信号为固定幅度A；当其输入信号幅度小于0时，其输出信号为固定幅度-A，其中A＞0；也就是说，如果输入信号v(t)是一个正弦信号，该反相继电器的输出u(t)将是一个与该输入信号v(t)同频率、与该输入信号v(t)同相、振幅为A的方波；

所述巴特沃兹滤波器用于充分衰减所述同相继电器输出中的高次谐波；其截止频率等于所述输入信号v(t)的频率，其阶数等于8；也就是说，所述同相继电器输出的与该输入信号v(t)同频率、与该输入信号v(t)同相、振幅为A的方波，通过该8阶巴特沃兹滤波器后产生输出信号y(t)，该输出信号y(t)将接近正弦函数，其与该输入信号v(t)同相，并且其总谐波失真THD小于1％。

实施例之三

说明书附图中图3给出了本发明提供的用于对电压突变进行补偿的参考信号发生器的实施例之三的示意框图。

如图3所示：该参考信号发生器由同相继电器、反相器、及巴特沃兹滤波器组成，v(t)为其输入信号，y(t)为其输出信号；

所述同相继电器用于从该输入信号v(t)中产生与该输入信号同频率、振幅固定的方波；其工作模式为：当其输入信号幅度大于等于0时，其输出信号为固定幅度A；当其输入信号幅度小于0时，其输出信号为固定幅度-A，其中A＞0；也就是说，如果输入信号v(t)是一个正弦信号，该同相继电器的输出u(t)将是一个与该输入信号v(t)同频率、与该输入信号v(t)同相、振幅为A的方波；

所述反相器用于将所述同相继电器的输出反相；

所述巴特沃兹滤波器用于充分衰减所述反相器输出中的高次谐波；其截止频率等于所述输入信号v(t)的频率，其阶数等于4；也就是说，所述反相器输出的与该输入信号v(t)同频率、与该输入信号v(t)反相、振幅为A的方波，通过该4阶巴特沃兹滤波器后产生输出信号y(t)，该输出信号y(t)将接近正弦函数，其与该输入信号v(t)同相，并且其总谐波失真THD小于1％。

参照说明书附图中的图1、图2、及图3，结合上述说明文字，本领域技术人员能领悟本发明技术方案的精髓在于：1、利用所述继电器基于所述输入信号产生方波信号，确保所述参考信号的幅度不受该输入信号幅度变化的影响；2、设定所述巴特沃兹滤波器的截止频率等于该输入信号频率，从而充分衰减上述方波信号中的高次谐波，确保所述参考信号与该输入信号同频率；3、通过选择所述巴特沃兹滤波器的阶数、以及选择是否增加反相器，协调所述继电器、与所述巴特沃兹滤波器、以及与所述反相器(如果有增加反相器的话)产生的相移之和为0，确保所述参考信号与该输入信号同相。

实施例之四：

说明书附图中图4详细图示了本发明提供的参考信号发生器的实施例之四的电路实施。

该实施例之四是上述实施例之一的优选方式，其在所述反相继电器与所述4阶巴特沃兹滤波器之间插接有跟随器，该跟随器能够隔离所述反相继电器与所述4阶巴特沃兹滤波器之间的相互影响，进而改善所述参考信号发生器的整体性能。

如图4所示，本发明提供的用于对电压突变进行补偿的参考信号发生器的电路由4级电路级联而成，其中：

第一级为由1个LM139电压比较器、1个10K电阻、1个5K电阻、1个1M电阻组成的反相继电器电路：

该LM139反向输入端为该参考信号发生器的输入信号端，

该10K电阻跨接在该LM139输出端与+15V的电源之间，

该5K电阻跨接在该LM139正向输入端与地线之间，

该1M电阻跨接在该LM139输出端与该LM139正向输入端之间；

第二级为由1个TL074运算放大器组成的跟随器电路：

前一级上述继电器电路的输出经1个1M的可调电阻分压后输入该TL074的正向输入端，

该TL074反向输入端与其输出端相连；

第三级为由1个TL074运算放大器、2个200K电阻、2个16nF电容、1个3.05K电阻、1个20K电阻组成的2阶滤波器电路：

前一级上述跟随器电路的输出经所述2个200K电阻后输入该TL074正向输入端，

所述1个16nF电容跨接在该TL074正向输入端与地线之间，

所述1个16nF电容跨接在该TL074输出端与上述2个200K电阻连接点之间，

该3.05K电阻跨接在该TL074反向输入端与该TL074输出端之间，

该20K电阻跨接在该TL074反向输入端与地线之间；

第四级为由1个TL074运算放大器、2个200K电阻、2个16nF电容、1个50K电阻、1个40K电阻组成的2阶滤波器电路：

前一级上述2阶滤波器电路的输出经所述2个200K电阻后输入该TL074正向输入端，

所述1个16nF电容跨接在该TL074正向输入端与地线之间，

所述1个16nF电容跨接在该TL074输出端与上述2个200K电阻连接点之间，

该50K电阻跨接在该TL074反向输入端与该TL074输出端之间，

该40K电阻跨接在该TL074反向输入端与地线之间。

从上述介绍可以看出，在图4中由2个2阶滤波器级联成1个4阶巴特沃兹滤波器，并且，该4阶巴特沃兹滤波器的截止频率设定为50Hz，使得该滤波器在50Hz的相移为-180°。

此外，为了减少噪声对所述反相继电器开关的影响，图4中所示的反相继电器具有迟滞性能；并且该具有迟滞性的反相继电器的迟滞宽度等于该参考信号发生器的输入信号中噪声的幅度。

相应地，为了抵消迟滞引入的相移，轻微调低图4中所示的巴特沃兹滤波器的截止频率，以确保该参考信号发生器所产生的参考信号与其输入信号同相。

参照说明书附图中的图5，进一步介绍本发明提供的对电压突变进行补偿的参考信号发生器所产生的参考信号的特性。

图5中所示：

通道1为该参考信号发生器的输入信号，

通道2为该信号发生器的输出信号，也即该信号发生器产生的参考信号。

从图5可以明显看出：

该输出信号为总谐波失真THD(Total Harmonic Distortion)很低的正弦信号；

该输出信号与该输入信号同相；

该输出信号的幅度固定，而该输入信号的幅度存在变化，这说明输出信号幅度不受输入信号幅度变化的影响。

参照说明书附图中的图6，详细解释本发明提供的用于对电压突变进行补偿的补偿电路。

图6中所示：

Vs(t)为输入电压；

v(t)为所述参考信号发生器的输入信号；

y(t)为所述参考信号发生器产生的参考信号；

e(t)为比较所述参考信号发生器的输入信号v(t)和其输出信号y(t)后得到的误差信号；

Vc(t)为可控逆变电路输出的用于补偿所述输入电压的电压突变所需的补偿电压；

参考信号发生器，用于从存在电压突变的所述输入信号v(t)中产生幅度固定、与该输入信号v(t)同相的所述参考信号y(t)；

比较电路，用于比较所述参考信号y(t)和所述参考信号发生器的输入信号v(t)，得到两者之间的误差信号e(t)；

可控逆变电路，用于产生所述补偿电压Vc(t)；

叠加电路，用于将所述补偿电压Vc(t)叠加至所述输入电压Vs(t)，实现对该输入电压Vs(t)的电压突变补偿。

如图6所示，本发明所提供用于对电压突变进行补偿的补偿电路，其主要利用了上述本发明提供的参考信号发生器。应用该补偿电路对电压突变进行补偿，其大致过程包括有：

首先，利用所述比较电路，比较所述参考信号发生器的输入信号v(t)和该参考信号发生器基于该输入信号v(t)所产生的参考信号y(t)，检测出两者之间的偏差表示为所述误差信号e(t)；

接着，将上述误差信号e(t)通过可控逆变电路，产生补偿所述输入电压Vs(t)的电压突变所需的补偿电压；

最后，将上述补偿电压Vc(t)通过所述叠加电路叠加至所述输入电压Vs(t)，完成对所述输入电压Vs(t)的电压突变的补偿。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。