带反馈检测系统的高输入阻抗峰值检测电路

＝（ＦＵＡ＋警）‘碍
在此，取 Ｒ １６＝Ｒ２５＝母＝２０ｋＱ
则咕巩＋％
（３）由Ｄ。、Ｃ：及缓冲放大器ｂ组成二极管峰值 检波电路。峰值检波电路的工作原理及误差分析如 前所述，它用来检测变化的输入信号峰值。在实际应 用中，基本的峰值检波电路存在一些缺陷，如：检波 二极管的正向电压偏离保持电压，不灵敏区发生在 二极管正向电压部分；当二极管反偏时，随二极管两 端电位差变化而产生不稳定的泄漏电流，使保持的
总第３８卷第４２３期 ２００１年 第３期
电测与仪表
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ＭｅａｓＨｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
Ｖ０１．３８ Ｎｏ．４２３ Ｍａｔ．２００１
带反馈检测系统的高输入阻抗峰值检测电路 ● ●
贺 毅，王春勇
（南京理工大学自动化系，南京２１００１４）
摘要：就电力系统中常用的一种由尺、￡、Ｃ组成的阻抗设备的阿、尺了频率特性的自动化测量
（，ｃ＝矗·尺，：（，１＋１２）·尺，
巩为例，说明测量电路的工作原理。图５为具体的 电路图。
在此引入了“反馈”的概念。“反馈”是指一个控 制过程，它能够在系统存在扰动情况下力图减少系 统的输出量与输入量之间的偏差，反馈系统就是根 据这个偏差进行控制的。这种反馈原理已被用于控 制系统，特别是在自动检测系统及一般检测仪器中， 都得到广泛应用。反馈系统的重要特征是它的闭环 结构。一般，人们把用反馈作为基本结构的检测系统 称为反馈检测系统，并定义为通过检测在闭环中变 量的偏差来检测一个变量系统。在检测系统中采用
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只能达到０．１～０．００１量级。所以为提高测量精
度，只有通过微机对测量数据进行补偿处理。
（４）应有足够高的输入阻抗
电压测量仪器的输入阻抗就是被测电路的
额外负载，为了使仪器接入电路时尽量减小它的
位，则（２）式可近似为
在半枷ｏ
的影响。
（３）
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２对测量放大器的要求
用以测量Ｕ。、巩、乩三个电压量的测量放大器，
再根据图２，作出各电压之间的矢量图，如图３ 一方面是对微弱信号进行处理，另一个重要的目的
所示。
是为了提高整个测量系统的输入阻抗，以保证信号
源的工作状态不被改变。
针对此设计的测量电路，应具有待测电压工作
由咕时耳ＵＲｎ面＋Ｕ２比
表达式。 其中，Ｕ。、醍、乩三个电压量是需要经检测电路
导出ｚ＝Ｕ２－Ｕ３一，Ｒ２＝Ｕ２－Ｕ３×１００
（２）
乩
乩
当Ｒ、Ｌ、Ｃ网络谐振时，呈电阻性Ｕ：与Ｕ３同相
测量而得到。 电路中，加上如图１中所示的尺。是为消除信号
源的谐波对测量结果的影响，这是必要的。如果信号 发生器的谐波衰减在４６ｄＢ以上，可不用考虑谐波
（２）由ＩＪ６、Ｄ。、Ｄ丁、Ｒ，，、尺扒尺。。组成加法放大器。
输入信号电压巩及反馈回来的相加电压％通过各
自回路输入电阻转换为电流，在“虚地”点相加，流经
反馈电阻Ｒ，，而转换为输出电压，因而输出电压为
输入信号电压之和，即
图４反馈检测系统示意图
１１＝ｕａ／Ｒ媳，ＩｆＵＧ／Ｒ２ｓ，ｌ严１１＋１２
由于Ｕ。、觇、地的测量电路相同，在此仅以测量
｝ ３５９０ｎ ∽
以占誊ＬＪ— 。 ］
重廿ｉ‘
图６ 测试实例
（５）ｂ与Ｄ，、Ｒ孙Ｒ抖构成反相放大器。其作用是 将坼加以放大器反相，以便与∽叠加后，使经峰 值检波器输出的％增加，使％减少，输出量接近或 等于输人量。
在峰值检测时，ｋ、ｂ、Ｌ８、Ｌ形成反馈网络，只要 ｂ的输入阻抗足够高，Ｄ。的反向漏电足够小，则峰 值检测就足够精确。 ４对测量电路的评定
一２１—
万方数据
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Ｍｎ２００ｌ
峰值电压过早下降，等等。我们采用了如图５所示 的反馈电路克服了这些缺陷。
相位差为零，则可直接用欧姆定律得到Ｕ，、巩、％之 间的数量关系。
。
１。
表１ 未经计算机处理的检测峰值与理论计算值数据及其误差
对于阻抗电路，还必须考虑分布电容、漏磁和 互感以及端子和匝间漏电引起的绝缘电阻等对测 量电路及测量结果准确度的影响。由于测定它们每 一部分的频率影响量是不容易的，所以对这些影响 的处理方法采用综合修正，即对测试数据进行一次 性修正。在此，我们借助计算机实现数据处理，其数
万方数据
一１９一
氓，一％
Ｒ１ Ｒ２
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“ｌ
Ｒ， 。。－。。。。。－。。。。。。。。。。。。。。一 －Ｌ——————Ｊ
：竺２１二堡２二！１２：坠２×尺，
Ｌ、Ｃ组成的阻抗设备的ｚ承尺了频率特性进行测 点，此时测出Ｕ、以、乩的电压值。经计算后，分别得
量。现场用的阻抗测量方法如图１所示。
到峰点、谷点的ｚ与尺值。这种方法的缺点是测量
Ｒｏ
≯信号源
￡，．
被测阻抗电路
Ｒ。白 以
Ｌ
Ｄ
误差很大。首先真空管毫伏表的内阻在各电压档上 是不同的；其次是操作者引起的读数误差。且由于测
（４）由ＩＪ８及Ｒ。。、尺扒尺：，、Ｒ拍构成差动比例运算 放大器（即减法放大器）。它的作用是将被测信号电 压经峰值检测后得到的输出电压％（‰）与被测信 号相减得到其差值，经反相放大器ＩＪ９后与被测信号 一同叠加到输入端“Ｂ”，以补偿二极管的漏电对测 量峰值的损耗。
信号源
１．．．．．．．．．．．．．．．一
现以测量纯电阻为例。纯电阻的标称值为 １ｋＱ，标准值为９９８．５Ｑ。根据纯电阻电路的特点，其
以＝丽ＲＺ＝３５９０＋９９８．５＋１００＝４６８８．５（Ｑ） ｔ＋Ｒ２×ＵＩ＝０．２３４２９ Ｕ１
％２页丽Ｋ３丽×ｕ１＝峨１３３ｕ１
分别取信号源为４０ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、３００ｋＨｚ、４００ｋＨｚ、 ５００ｋＨｚ，测得Ｕ，、巩、以峰值电压，设ｕ，电压测量是 准确的，则通过（１０）、（１１）式，可算出巩、乩电压值。 在此，将理论计算得到的巩、玛电压值作为真值，则 未经计算机处理的巩、％测量结果的相对误差见表
表２ 经计算机数据处理后检测峰值与理论计算值数据及其误差
量间隔造成的数据非连续性，易使珂特性曲线峰、
谷点疏远，所以测量时间较长，测量结果不直观。 为解决这些问题并实现测试自动化，我们确定
了研制目标和方向，并完成了这一自动化测试系统
图１ 阻抗测量电路
中测量电路部分的设计任务。
图中，Ｒｏ＝３６００ｆ２是去谐电阻，Ｒ，＝１００ｆ２为Ｕ３电 １测量方法的确定
压的采样电阻。
方法、测试精度及后期的数据处理进行了研究与探讨，设计出带有反馈检测系统的高输入阻抗 的峰值检测电路。
关键词：阻抗；频率特性；反馈；自动化测试；数据处理
中图分类号：ＴＭ９３０．１１ｌ
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００１－１３９０（２００１）０３－００１９—０４
Ｐｅａｋ ｃｈｅｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｉｎｐｕｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｆｅｅｄ ｂａｃｋ ｓｙｓｔｅｍ
Ｈｅ Ｙｉ．Ｗａｎｇ Ｃｈｕｎｙｏｎｇ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｅ ｄｅｌｉｂｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｔｈｅ Ｚ－Ｆ，Ｒ— Ｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ａ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｒ Ｌ Ｃ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ７８ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｔｓ ｄａｔｕｍ． Ｗｅ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｈｉｇｈ ｉｎｐｕｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｐｅａｋ ｃｈｅｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｈａｔ ｕｓｅｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ—ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｓｙｓ— ｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａ ｓｏｍｅ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ．
２ｘ３６％
信号源
４０ｋＨｚ一５００ｋＨＺ
）
Ｕ
被测电路Ｚ
巩
ｒＬｌ
ｋ
Ｒ：Ｕ Ｄ
图２ 测试原理图
：ｆ旦当＿１８ｋ ＼２ｘ３６Ｕ； ／
＝器悟２》２％］
将Ｒ，＝３６００１２，Ｒ２＝１００１２，代入（１）式，得 ％。＝３６虬
得尺。＝｛詈［；笔一茜一，２９６］一，。。
ｃ５，
式（３）与（５）将是我们用于最终计算ｚ及尺的
影响，要求仪器具有高的输入阻抗。而交流电压
的测量，由于需通过ＡＣ／ＤＣ转换电路，故其输
入阻抗又很难做得很高。这就要求对电路进行合
理的设计。
（５）应具有高的抗干扰能力
一般测量工作都是在充满各种干扰的条件
下进行的，当电压测量仪器灵敏度过高时，干扰 将会引入误差。 ３带反馈检测系统的高输入阻抗峰值检测电路
根据图２所示测试原理图，将被测阻抗电路Ｚ
在现场，为了快速判断在阻塞频带内被测电路 看作是一个由Ｒ、￡、Ｃ构成的二端口网络，其阻抗、
阻抗值的大小，只要在被测电路两端跨接真空管毫 电阻分量的计算公式推导如下。
伏表，调节振荡频率，使之在一定频率范围内变化，
由图２可知
当遇到第一个最大值巩。，时，认为是第一个谐振峰 点，此时测出∽、巩、巩的电压值；当遇到最小值
Ｋｅｙ ｗｂｒｄｓ：ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｆｅｅｄｂａｃｋ；ｍｅａｓｕｒｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ；ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓ
０问题的提出
％胁，时，认为是谷点，同样测出Ｕ、巩、乩的电压值。
为保证电力系统通信质量，常常要对一种由月、 当遇到第二个最大值％。：时，认为是第二个谐振峰
（２）应有足够宽的电压测量范围 本电路中，待测电压的下限在５０ｍＶ左右，上限 （４） 在５Ｖ左右。随着科学技术的发展，要求测量非常小
％Ｕｒ＝可ｎＶ＋，吁－ｕ．Ｕｔｌ－Ｖｅ２ｏｓ０＝等≯
由 ｍＲ：：粤
：—ＵＩ＋ＵＲ—１－－Ｕ２。—Ｕ—３
２％１ ‘尺２
万方数据
的电压值，即要求电压测量仪器具有非常高的灵敏
度。这就要求所选的放大器既要有良好的幅值放大
线性度，又要有良好的频率特性。
（３）应有足够高的测量准确度
．
对于交流测量，一般需要通过交流／直流（ＡＣ／
ＤＣ）转换（检测）电路，而且当被测电压频率较高时，
分布参数的影响不容忽视。再加上波形误差，故即使
采用数字式电压表，交流电压的测量准确度目前也
一２０—
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频率范围宽、幅度差别悬殊及信号源波形失真度较
大的特点，对电压测量提出了一系列的要求，主要可
图３向量图 设电路的阻抗Ｚ为
概括如下。 （１）应有足够宽的频率范围
磊＝尺６√％
本电路中，交流电压的频率范围从４０ｋＨｚ～
由图３矢量图可见
５００ｋＨｚ。
则ｃｏｓ０＝酉Ｕｔ＋Ｕ．，－Ｕ２ ％＝Ｕ十‰１—２Ｕ１％１ｃｏｓＯ
根据实际使用要求，测量电路的设计指标如 下：
（１）频率范围：４０ｋＨｚ～５００ｋＨｚ； （２）输入电压范围：Ｕ。为５Ｖ，巩为１Ｖ－２．５Ｖ，
玛为５０ｍＶ－１５０ｍＶ； （３）输出电压范围：０Ｖ－１０Ｖ （４）Ｕ，、巩、以测量精度要求：检测电压相对误 差应＜２％。
电路设计ｒ方案如图４所示。
图５高输入阻抗峰值检测电路 反馈技术可以提高检测精度和速度，减少干扰输入 的影响，并允许远距离显示和非接触式检测。如图５ 为具有高输入阻抗反馈型的峰值检测电路，它由五 个单元电路组成，具体分析如下。
（１）Ｌ．。是一电压跟随器，其作用是提高整个系 统的输入阻抗，以保证测量系统与被测信号源相接 时不吸取信号源能量，使信号源的工作状态不被改 变，且输入信号可按原样输出。由于电压跟随电路反 馈量大，增益稳定度也高，故它是一种缓冲电路。该 电路当输入信号增大到接近正的电源电压时，会使 电压跟随器停止工作。
据处理方法采用符合最／Ｊ，，－乘原理的数字滤波法。 进行计算机处理后的数据与相对误差见表２。
由上述数据分析结果可见，对测量电路而言，相 对∽电压其最大相对误差分别为１．９１６％和０．４５ｌ％， 在（４０ｋＨｚ～５００ｋＨｚ）。在不考虑外界其它因素可能影 响测量精度的情况下，已达到设计提出的指标要求。