基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置及精密計量方法
2023-05-24 23:16:36
基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置及精密計量方法
【專利摘要】本發明公開了基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置及精密計量方法，所述的計量裝置包括處理模塊、衛星授時模塊、電壓-頻率轉換器和電流-頻率轉換器；電壓-頻率轉換器的輸入端連接待測電壓信號，電壓-頻率轉換器的輸出端與處理模塊連接；電流-頻率轉換器的輸入端連接待測電流信號，電流-頻率轉換器的輸出端與處理模塊連接，衛星授時模塊為電壓-頻率轉換器、電流-頻率轉換器和處理模塊提供時鐘基準。本發明從衛星導航系統提取時鐘信號作為電壓、電流的測量的基準時鐘，實現了在各種場所、溫度和溼度條件下的電壓、電流精密計量，計量裝置無需定期送到計量鑑定機構進行檢定，很好地解決了傳統量值溯源和量值傳遞方式所帶來的問題。
【專利說明】基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置及精密計量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及信號的精密計量領域，特別是涉及一種基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置及精密計量方法。
【背景技術】
[0002]目前，交、直流電壓信號的測量是使用經過周期檢定的電壓測量儀器進行測量。這種電壓測量儀器需按國家檢定規程要求，在一定時間內送計量檢定機構進行檢定，以保證該電壓測量儀器的精確性和可靠性。
[0003]定期送計量檢定機構檢定的目的在於:量值的傳遞，即量值的可溯源性。使得所有測量儀器具有統一的標準。但這種定期送檢量值溯源方式，對送檢單位來說，需增加額外的時間成本和人力成本，送檢周期頻繁。
[0004]而這種定期送檢量值傳遞方式，對計量檢定機構來說，需分級進行量值的傳遞，且不能越級傳遞，如中央計量檢定機構將量值傳遞給省級計量檢定機構，省級計量檢定機構再將量值傳遞給市級計量檢定機構，市級計量檢定機構再把量值傳遞給下一級計量檢定機構。這種分級量值傳遞的過程中，可能出現的問題在於:在每一級量值傳遞過程中，都可能產生一定的誤差，由於量值誤差的累積，必然導致最下級計量檢定機構的計量準確度不高。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置及精密計量方法，能在任何工作場合、溫度、溼度下，精密測量輸入的交、直流電流信號，以及完成對各類可轉換成電壓、電流的信號精密計量，該計量裝置無需再定期送到計量鑑定機構進行檢定，避免傳統量值溯源和量值傳遞方式所帶來的問題。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:基於衛星導航系統的電壓精密計量裝置，它包括電壓-頻率轉換模塊、處理模塊和衛星授時模塊。
[0007]所述的電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接待測電壓信號，電壓-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接；所述的衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，衛星授時模塊的時鐘輸出分別與電壓-頻率轉換模塊和處理模塊的時鐘輸入連接，為電壓-頻率轉換模塊和處理模塊提供時鐘基準。
[0008]它還包括電壓信號調理模塊，所述的電壓信號調理模塊的輸入端與連接待測電壓信號，電壓信號調理模塊的輸出端與電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接。
[0009]所述的衛星授時模塊包括GPS衛星授時模塊、北鬥衛星授時模塊、GL0NASS衛星授時模塊和伽利略衛星授時模塊中的任意一種或多種的組合。
[0010]基於衛星導航系統的電流精密計量裝置，它包括電流-頻率轉換模塊、處理模塊和衛星授時模塊。
[0011]所述的電流-頻率轉換模塊的輸入端連接待測電流信號，電流-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接；所述的衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，衛星授時模塊的時鐘輸出分別與電流-頻率轉換模塊和處理模塊的時鐘輸入連接，為電流-頻率轉換模塊和處理模塊提供時鐘基準。
[0012]所述的電流-頻率轉換模塊包括電流-電壓轉換模塊和電壓-頻率轉換模塊。
[0013]所述的電流-電壓轉換模塊的輸入端連接待測電流信號，電流-電壓轉換模塊的輸出端與電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接，電壓-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接。
[0014]它還包括電流信號調理模塊，所述的電流信號調理模塊的輸入端連接待測電流信號，電流信號調理模塊的輸出端與電流-頻率轉換模塊的輸入端連接。
[0015]所述的衛星授時模塊包括GPS衛星授時模塊、北鬥衛星授時模塊、GL0NASS衛星授時模塊和伽利略衛星授時模塊中的任意一種或多種的組合。
[0016]基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置，它包括處理模塊、衛星授時模塊、電壓-頻率轉換模塊和電流-頻率轉換模塊。
[0017]所述的電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接待測電壓信號，電壓-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接；所述的電流-頻率轉換模塊的輸入端連接待測電流信號，電流-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接，所述的衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，衛星授時模塊的時鐘輸出分別與電壓-頻率轉換模塊、電流-頻率轉換模塊和處理模塊的時鐘輸入連接，為電壓-頻率轉換模塊、電流-頻率轉換模塊和處理模塊提供時鐘基準。
[0018]它還包括電壓信號調理模塊和電流信號調理模塊。
[0019]所述的電壓信號調理模塊的輸入端與連接待測電壓信號，電壓信號調理模塊的輸出端與電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接。
[0020]所述的電流信號調理模塊的輸入端連接待測電流信號，電流信號調理模塊的輸出端與電流-頻率轉換模塊的輸入端連接。
[0021]所述的電流-頻率轉換模塊包括電流-電壓轉換模塊和電壓-頻率轉換模塊。
[0022]所述的電流-電壓轉換模塊的輸入端連接待測電流信號，電流-電壓轉換模塊的輸出端與電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接，電壓-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接。
[0023]所述的衛星授時模塊包括GPS衛星授時模塊、北鬥衛星授時模塊、GL0NASS衛星授時模塊和伽利略衛星授時模塊中的任意一種或多種的組合。
[0024]基於衛星導航系統的電壓精密計量方法，它包括以下步驟:
S11，產生可溯源時鐘信號:衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，為電壓-頻率轉換模塊和處理模塊提供高精度、可溯源的時鐘信號；
S12，電壓-頻率轉換:電壓-頻率轉換模塊接收待測量的電壓信號和衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號後，將該待測電壓信號轉換成與該電壓信號幅值成正比的頻率信號，再把該頻率信號傳送給後續的處理模塊；
S13，計算待測電壓信號幅值:處理模塊接收到電壓-頻率轉換模塊輸出的頻率信號和衛星授時模塊輸出的時鐘信號後，計算出當前頻率信號的頻率值，通過該頻率值換算出待測量電壓信號幅值的測量值。
[0025]它還包括信號調理步驟，所述的信號調理步驟為:通過電壓信號調理模塊對待測量的電壓信號進行增益和降噪處理，再將處理後的電壓信號發送給後續的電壓-頻率轉換模塊。
[0026]所述的待測電壓信號幅值的計算步驟為:
處理模塊根據衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，對電壓-頻率轉換模塊輸出的頻率信號進行定時採樣，定時採樣的定時周期與解析度的關係表達式為:
計數值=輸出頻率X定時周期；
解析度=信號幅值/最大計數值=信號幅值/ (最大輸出頻率X定時周期)；
待測量的電壓信號幅值的計算公式為:
信號幅值=計數值X解析度=輸出頻率X定時周期X解析度。
[0027]基於衛星導航系統的電流精密計量方法，它包括以下步驟:
S21，產生可溯源時鐘信號:衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，為電流-頻率轉換模塊和處理模塊提供高精度和可溯源的時鐘信號；
S22，電流-頻率轉換:電流-頻率轉換模塊接收待測量的電流信號和衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，將該電流信號轉換成與該電壓信號幅值成正比的頻率信號，並將該頻率信號傳送給後續處理模塊；
S23，計算待測電流信號幅值:處理模塊接收到電壓-頻率轉換模塊輸出的頻率信號和衛星授時模塊輸出的時鐘信號後，計算出當前頻率信號的頻率值，通過該頻率值換算出待測量電流信號幅值的測量值。
[0028]在電流-頻率轉換步驟中，電流-電壓轉換模塊接收待測量的電流信號，並將該待測量的電流信號轉換成電壓信號，電壓-頻率模塊再根據衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號將該電壓信號轉換成與其幅值成正比的頻率信號。
[0029]它還包括信號調理步驟，所述的信號調理步驟為:通過電流信號調理模塊對待測量的電流信號進行增益和降噪處理，再將處理後的電流信號發送給後續的電流-頻率轉換模塊。
[0030]所述的待測電壓或電流信號幅值的計算步驟為:
處理模塊根據衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，對電流-頻率轉換模塊輸出的頻率信號進行定時採樣，定時採樣的定時周期與解析度的關係表達式為:
計數值=輸出頻率X定時周期；
解析度=信號幅值/最大計數值=信號幅值/ (最大輸出頻率X定時周期)；
待測量的電流信號幅值的計算公式為:
信號幅值=計數值X解析度=輸出頻率X定時周期X解析度。
[0031]本發明的有益效果是:本發明計量裝置能在任何工作場合、溫度、溼度下，精密測量輸入的交、直流電流信號，以及完成對各類可轉換成電壓、電流的信號精密計量，無需再定期送到計量鑑定機構進行檢定，避免傳統量值溯源和量值傳遞方式所帶來的問題。
[0032]本發明通過電壓一頻率轉換技術，將電壓、電流的幅值轉換成對應的頻率信號，然後利用衛星導航系統的高精度時鐘信號，測量出被測電壓、電流信號的幅值，從而實現電壓、電流的精密計量。
[0033]本發明計量裝置採用能提供高精度時鐘信號的衛星授時模塊和具有高穩定特性的電壓-頻率轉換模塊，使得本發明計量裝置的測量結果具有高精確性。由於衛星授時時鐘信號是精準、可信、可靠、可溯源的，使得通過本發明計量裝置所測量出該輸入信號的測量值具有準確性、可信性、可靠性和可溯源性。
[0034]由於本發明計量裝置具有可溯源特性，因此，其測量結果是可溯源的，符合國家計量檢定規程的要求。
[0035]本發明提出了一種基於衛星導航系統的電壓精密計量裝置、電流精密計量裝置和電壓與電流精密計量裝置，還提出了一種基於衛星導航系統的電壓精密計量方法和電流精密計量方法。通過基於衛星導航系統的電壓精密計量裝置，可實現對電壓信號的精密計量。通過基於衛星導航系統的電流精密計量裝置，可實現對電流信號的精密計量。通過基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置，可實現對電壓和電流信號的精密計量。
[0036]本發明還提出了一種具有信號轉換器的電壓或電流精密計量裝置，可實現對各種可轉換成電壓、電流的信號進行精密計量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1為本發明一種基於衛星導航系統的電壓精密計量裝置的系統原理框圖；
圖2為本發明一種基於衛星導航系統的電流精密計量裝置的系統原理框圖；
圖3為本發明一種基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置的系統原理框圖；
圖4為本發明中電壓-頻率轉換模塊AD652晶片的原理框圖；
圖5為本發明一種基於衛星導航系統的電壓精密計量方法的流程圖；
圖6為本發明一種基於衛星導航系統的電流精密計量方法的流程圖；
圖7為本發明一種具有信號轉換器的電壓、電流精密計量裝置的系統原理框圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不局限於以下所述。
[0039](一)電壓精密計量裝置
如圖1所示，基於衛星導航系統的電壓精密計量裝置，它包括至少一個電壓-頻率轉換模塊、處理模塊和衛星授時模塊；所述的電壓-頻率轉換模塊的電壓信號輸入端連接待測電壓信號，電壓-頻率轉換模塊的頻率信號輸出端與處理模塊連接；所述的衛星授時模塊的時鐘信號輸入端接收衛星發出的時鐘信號，衛星授時模塊的時鐘信號輸出端分別與電壓-頻率轉換模塊和處理模塊的時鐘信號輸入端連接。
[0040]它還包括至少一個電壓信號調理模塊，所述的電壓信號調理模塊的輸入端與連接待測電壓信號，電壓信號調理模塊的輸出端與後續的電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接。
[0041]所述的處理模塊為ARM處理器，可以選用STM32F108VET6晶片。
[0042]所述的電壓-頻率轉換模塊包括第一 V/F轉換器。所述的衛星授時模塊包括GPS衛星授時模塊、北鬥衛星授時模塊、GL0NASS衛星授時模塊和伽利略衛星授時模塊中的任意一種或多種的組合。衛星授時模塊由衛星授時恆溫晶振組成。通過衛星授時時間和高穩晶振之間的時差，採用馴服算法，實時調整晶振的時鐘精度。保證供給ν/F轉換器和處理模塊的時鐘信號始終保持高精度和時鐘的可溯源。
[0043]所述的電壓信號包括單端電壓信號和差分電壓信號。
[0044]所述的第一 V/F轉換器為同步電壓頻率轉換器SVFC，可以採用AD652晶片。AD652晶片能將輸入的模擬電壓或電流信號轉換成輸出頻率與輸入信號的大小成比例的脈衝或方波信號，並將該頻率信號發送給後續的處理模塊。
[0045](二)電流精密計量裝置
如圖2所示，基於衛星導航系統的電流精密計量裝置，它包括至少一個電流-頻率轉換模塊、處理模塊和衛星授時模塊；所述的電流-頻率轉換模塊的電流信號輸入端連接待測電流信號，電流-頻率轉換模塊的頻率信號輸出端與處理模塊連接；所述的衛星授時模塊的時鐘信號輸入端接收衛星發出的時鐘信號，衛星授時模塊的時鐘信號輸出端分別與電流-頻率轉換模塊和處理模塊的時鐘信號輸入端連接。
[0046]所述的電流-頻率轉換模塊包括電流-電壓轉換模塊和電壓-頻率轉換模塊；所述的電流-電壓轉換模塊的電流信號輸入端連接待測電流信號，電流-電壓轉換模塊的電壓信號輸出端與電壓-頻率轉換模塊的電壓信號輸入端連接，電壓-頻率轉換模塊的頻率信號輸出端與處理模塊連接，電壓-頻率轉換模塊的時鐘信號輸入端與衛星授時模塊的時鐘信號輸出端連接。
[0047]它還包括至少一個電流信號調理模塊，所述的電流信號調理模塊的輸入端連接待測電流信號，電流信號調理模塊的輸出端與後續的電流-頻率轉換模塊的輸入端連接。
[0048]所述的處理模塊為ARM處理器，可以選用STM32F108VET6晶片。
[0049]所述的電流-頻率轉換模塊包括第二 V/F轉換器。所述的衛星授時模塊包括GPS衛星授時模塊、北鬥衛星授時模塊、GL0NASS衛星授時模塊和伽利略衛星授時模塊中的任意一種或多種的組合。衛星授時模塊由衛星授時恆溫晶振組成。通過衛星授時時間和高穩晶振之間的時差，採用馴服算法，實時調整晶振的時鐘精度。保證供給ν/F轉換器和處理模塊的時鐘信號始終保持高精度和時鐘的可溯源。
[0050]所述的電壓信號包括單端電壓信號和差分電壓信號。所述的電流-電壓轉換模塊包括高精度電阻。電流信號先通過高精度電阻轉換成電壓差分或單端信號。
[0051]所述的第二 V/F轉換器為同步電壓頻率轉換器SVFC，可以採用AD652晶片。AD652晶片能將輸入的模擬電壓或電流信號轉換成輸出頻率與輸入信號的大小成比例的脈衝或方波信號，並將該頻率信號發送給後續的處理模塊。
[0052](三)電壓、電流精密計量裝置
如圖3所示，基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置，它包括至少一個電壓-頻率轉換模塊、至少一個電流-頻率轉換模塊、處理模塊和衛星授時模塊，所述的電壓-頻率轉換模塊包括第一 V/F轉換器，第一 V/F轉換器的電壓信號輸入端連接待測電壓信號，第一V/F轉換器的頻率信號輸出端與處理模塊連接；所述的電流-頻率轉換模塊包括電流-電壓轉換模塊和第二 V/F轉換器，電流-電壓轉換模塊的電流信號輸入端連接待測電流信號，電流-電壓轉換模塊的電壓信號輸出端與第二 V/F轉換器的電壓信號輸入端連接，第二 V/F轉換器的頻率信號輸出端與處理模塊連接；衛星授時模塊的時鐘信號輸入端接收衛星發出的時鐘信號，衛星授時模塊的時鐘信號輸出端分別與第一 V/F轉換器、第二 V/F轉換器和處理模塊的時鐘信號輸入端連接。
[0053]所述的處理模塊為ARM處理器，可以選用STM32F108VET6晶片。
[0054]它還包括至少一個電壓信號調理模塊和至少一個電流信號調理模塊。
[0055]所述的電壓信號調理模塊的輸入端與連接待測電壓信號，電壓信號調理模塊的輸出端與後續的電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接。
[0056]所述的電流信號調理模塊設置於待測電流信號輸入端與第二 V/F轉換器的電壓信號輸入端之間。
[0057]所述的電流信號調理模塊的輸入端連接待測電流信號，電流信號調理模塊的輸出端與後續的電流-電壓轉換模塊連接。
[0058]所述的電流信號調理模塊的輸入端與電流-電壓轉換模塊的輸出端連接，電流信號調理模塊的輸出端與第二 V/F轉換器的電壓信號輸入端連接。電流信號調理模塊還可設置在電流-電壓轉換模塊和第二 V/F轉換器之間，先通過電流-電壓轉換模塊將待測電流信號轉換成電壓信號後，電流信號調理模塊再對該電壓信號進行增益和降噪處理，並把處理後電壓信號傳送給後續的第二 V/F轉換器。
[0059]所述的衛星授時模塊包括GPS衛星授時模塊、北鬥衛星授時模塊、GL0NASS衛星授時模塊和伽利略衛星授時模塊。衛星授時模塊由衛星授時恆溫晶振組成。通過衛星授時時間和高穩晶振之間的時差，採用馴服算法，實時調整晶振的時鐘精度。保證供給V/F轉換器和處理模塊的時鐘信號始終保持高精度和時鐘的可溯源。
[0060]所述的電壓信號包括單端電壓信號和差分電壓信號。
[0061]所述的電流-電壓轉換模塊包括高精度電阻。電流信號先通過高精度電阻轉換成電壓差分或單端信號。
[0062]所述的第一 V/F轉換器和第二 V/F轉換器為同步電壓頻率轉換器SVFC，可以採用AD652晶片。AD652晶片能將輸入的模擬電壓或電流信號轉換成輸出頻率與輸入信號的大小成比例的脈衝或方波信號，並將該頻率信號發送給後續的處理模塊。
[0063](四)V/F轉換器AD652晶片
AD652晶片是一個功能強大的精密模數轉換應用構建模塊，該晶片的最大滿度頻率可達2MHz，當輸出頻率為10kHz時，其非線性誤差典型值為0.002%,當輸出頻率為IMHz時，其線性誤差值達到最大為0.005%。
[0064]AD652晶片使用多種常用的電荷平衡技術來執行轉換功能。它利用外部時鐘定義滿量程輸出頻率，而不是依賴於外部電容的穩定性。因此，其傳遞函數更穩定、線性度更高，這對單通道和多通道系統都有很大好處。其精密低漂移基準電壓源和低溫度係數片內薄膜調整電阻使增益漂移最小。此外，雷射晶圓調整將初始增益誤差降至0.5%以下。
[0065]如圖4所示，圖4為AD652晶片的原理框圖，AD652晶片將輸入的模擬電壓或電流信號轉換成輸出頻率與輸入信號的大小成比例的脈衝或方波信號。輸出頻率信號F與輸入電壓信號Vin的轉換公式如下所示，其推導過程可參見AD652數據手冊:
F = (l/Ir*Rin*T0) *Vin
式中:Ir - AD652晶片中恆流源傳輸給積分電容的充電電流值；
Rin - AD652晶片中電阻Rin的阻值；
T0 - AD652晶片輸出頻率信號的周期，即積分電容的充電周期。
[0066]電流Ir與電阻Rin的穩定性只與AD652晶片的工藝決定。外界工作條件對電流Ir與電阻Rin的影響基本可以忽略不計，因此電流Ir與電阻Rin可以認為是常數。所以輸出頻率F與輸入的模擬電壓Vin成正比。AD652晶片輸出頻率F的最大值和穩定性由衛星授時模塊所輸入的時鐘信號決定，與外部元件的精度、工作環境溫度和溼度基本無關。
[0067]而周期Ttl受AD652晶片的時鐘控制，因此外部時鐘頻率的穩定性和精度直接影響了輸出頻率信號的穩定度和線性誤差。
[0068]衛星授時模塊所輸入的時鐘信號決定AD652晶片輸出頻率F的範圍，同時AD652晶片的時鐘的穩定性也必將影響輸出頻率F的穩定性。由於採用衛星授時的方式提供時鐘信號，保證了 AD652晶片時鐘輸入信號的高穩定性和高精確性。因此AD652晶片可以實現高線性度的V/F轉換。本發明計量裝置採用能提供高精度時鐘信號的衛星授時模塊和具有高穩定特性的V/F轉換器，使得本發明計量裝置的測量結果具有高精確性。
[0069]處理模塊通過接收來自AD652晶片和衛星授時模塊的精確時鐘信號，即可計算出當前頻率值。通過該頻率值，即可換算出待測信號的電壓幅值。
[0070]處理模塊對AD652晶片輸出的頻率信號F進行定時採樣，計數器得到採樣計數值，定時採樣的定時周期T與解析度的關係表達式如下:
計數值=F(max)*T ；
解析度=信號幅值/計數值=信號幅值/(F*T)；
通過AD652晶片的最大輸出頻率F(max)和定時採樣周期T，計算求得採樣計數值，並根據輸入信號的最大幅值，計算得到測量解析度。再根據AD652晶片的實際輸出頻率F和定時採樣周期T，計算求得實際的採樣計數值。最後根據該實際採樣計數值和測量解析度，計算得到待測量的輸入信號的幅值Vin。
[0071]當AD652晶片的輸出頻率F為ΙΟΟΚΗζ，採樣周期T為I秒時，計數值=100,000。
[0072]顯然，當輸入信號的最大幅值為IV，即信號幅值=IV時，測量解析度將達到(1/100000) V = 1uV ;如果採樣計數值=50000時，輸入信號幅值=1uVX 50000=0.5V。
[0073]通過處理模塊中的計數單元，得到採樣計數值，即可測量輸入電壓、電流信號的大小。由於本發明計量裝置採用衛星授時做為AD652晶片的時鐘信號和採集定時時間，而衛星授時時鐘信號是精準、可信、可靠、可溯源的。因此通過本發明計量裝置所測量出該輸入信號的測量值具有準確性、可信性、可靠性和可溯源性。
[0074](四)電壓精密計量方法
如圖5所示，基於衛星導航系統的電壓精密計量方法，它包括以下步驟:
步驟(1)，產生可溯源時鐘信號:衛星授時模塊接收衛星發出的時鐘信號，並根據衛星授時時鐘信號和高穩晶振之間的時差，採用馴服算法實時調整晶振的時鐘精度，為電壓-頻率轉換模塊和處理模塊提供高精度和可溯源的時鐘信號；
步驟(2)，信號調理:電壓信號調理模塊接收待測量的電壓信號，對輸入電壓信號進行增益和降噪處理，再將該處理後的電壓信號送人後續的電壓-頻率轉換模塊執行電壓-頻率轉換；
步驟(3)，電壓-頻率轉換:電壓-頻率轉換模塊接收處理後的電壓信號和衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，並將該處理後的電壓信號轉換成與該電壓信號幅值成正比的頻率信號，再把該頻率信號傳送給處理模塊進行待測電壓信號的幅值換算；
步驟(4)，計算待測電壓信號幅值:處理模塊接收到電壓-頻率轉換模塊輸出的頻率信號和衛星授時模塊輸出的時鐘信號後，計算出當前頻率信號的頻率值，通過該頻率值換算出待測量電壓信號幅值的測量值。
[0075]若輸入的待測信號不是電壓信號時，還需先通過信號轉換器將待測輸入信號轉換成電壓信號後，再通過後續的電壓信號調理模塊和電壓-頻率模塊對其進行處理。
[0076]所述的待測電壓信號幅值的計算方式為:
處理模塊根據衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，對電壓-頻率轉換模塊輸出的頻率信號進行定時採樣，定時採樣的定時周期與解析度的關係表達式為:
計數值=輸出頻率X定時周期；
解析度=信號幅值/最大計數值=信號幅值/ (最大輸出頻率X定時周期)；
待測量的電壓信號幅值的計算公式為:
信號幅值=計數值X解析度=輸出頻率X定時周期X解析度。
[0077](五)電流精密計量方法
如圖6所示，基於衛星導航系統的電流精密計量方法，它包括以下步驟:
步驟(1)，產生可溯源時鐘信號:衛星授時模塊接收衛星發出的時鐘信號，並根據衛星授時時鐘信號和高穩晶振之間的時差，採用馴服算法實時調整晶振的時鐘精度，為電流-頻率轉換模塊和處理模塊提供高精度和可溯源的時鐘信號；
步驟(2)，信號調理:電流信號調理模塊對輸入電流信號進行增益和降噪處理，再將該處理後的電流信號送人後續的電流-頻率轉換模塊執行電流-頻率轉換；
步驟(3)，電流-頻率轉換:電流-頻率轉換模塊接收待測量的電流信號，首先將該待測電流信號轉換成電壓信號後，再根據其所接收到的衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，把該電壓信號轉換成與該電壓信號幅值成正比的頻率信號，並將該頻率信號傳送給後續處理模塊進行待測電流信號的幅值換算；
步驟(4)，計算待測電流信號幅值:處理模塊接收到電壓-頻率轉換模塊輸出的頻率信號和衛星授時模塊輸出的時鐘信號後，計算出當前信號的頻率值，通過該頻率值換算出待測量電流信號幅值的測量值。
[0078]若輸入的待測信號不是電流信號時，還需先通過信號轉換器將待測輸入信號轉換成電流信號。再通過後續的電流信號調理模塊和電壓-頻率模塊對其進行處理。
[0079]所述的待測電壓或電流信號幅值的計算方式為:
處理模塊根據衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，對電流-頻率轉換模塊輸出的頻率信號進行定時採樣，定時採樣的定時周期與解析度的關係表達式為:
計數值=輸出頻率X定時周期；
解析度=信號幅值/最大計數值=信號幅值/ (最大輸出頻率X定時周期);
待測量的電流信號幅值的計算公式為:
信號幅值=計數值X解析度=輸出頻率X定時周期X解析度。
[0080]本發明計量裝置採用高線性度、高穩定度的電壓-頻率轉換模塊採用AD652晶片，將輸入的電流、電壓信號轉換成與輸入電流、電壓信號大小成正比的頻率信號，然後通過處理對AD652的輸出頻率信號進行定時採樣，以此得到輸入電流、電壓信號的幅值大小。
[0081]本發明的關鍵點在於，電壓-頻率轉換模塊(AD652晶片)的時鐘源和處理模塊的定時採樣周期均來自衛星導航系統所提供的高精度時鐘信號，保證了測量結果的高精度、可信性、可靠性和可溯源性。
[0082]本發明電壓計量裝置、電流計量裝置和電壓/電流計量裝置還可增設顯示模塊、通信接口和鍵盤，所述的顯示模塊的輸入與處理模塊的測量輸出連接，對測量結果進行顯示；所述的處理模塊通過通信接口實現與外接設備連接，與外接設備進行數據交換；所述的鍵盤與處理模塊連接。
[0083]如圖7所示，本發明電壓計量裝置、電流計量裝置和電壓/電流計量裝置均可增設信號轉換器，當輸入信號非電壓信號和電流信號時，可通過信號轉換器，將該輸入信號轉換為電壓信號或電流信號，從而實現對該輸入信號的計量。
[0084]所述的信號轉換器包括光電傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器、位移傳感器、速度傳感器、溫溼度傳感器、硬度傳感器、密度傳感器等等，可根據各種傳感器各自的參數轉換關係，通過本發明計量裝置測量出該傳感器所檢測參數的數值。例如，當輸入信號為光信號時，需要先通過增設的信號轉換器，如光電傳感器，將該光信號轉換成電信號後，再通過V/F轉換器和處理模塊，完成該光信號的光強度測量。
【權利要求】
1.基於衛星導航系統的電壓精密計量裝置，其特徵在於:它包括電壓-頻率轉換模塊、處理模塊和衛星授時模塊； 所述的電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接待測電壓信號，電壓-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接；所述的衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，衛星授時模塊的時鐘輸出分別與電壓-頻率轉換模塊和處理模塊的時鐘輸入連接，為電壓-頻率轉換模塊和處理模塊提供時鐘基準。
2.根據權利要求1所述的基於衛星導航系統的電壓精密計量裝置，其特徵在於:它還包括電壓信號調理模塊，所述的電壓信號調理模塊的輸入端與連接待測電壓信號，電壓信號調理模塊的輸出端與電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接。
3.根據權利要求1所述的基於衛星導航系統的電壓精密計量裝置，其特徵在於:所述的衛星授時模塊包括GPS衛星授時模塊、北鬥衛星授時模塊、GLONASS衛星授時模塊和伽利略衛星授時模塊中的任意一種或多種的組合。
4.基於衛星導航系統的電流精密計量裝置，其特徵在於:它包括電流-頻率轉換模塊、處理模塊和衛星授時模塊； 所述的電流-頻率轉換模塊的輸入端連接待測電流信號，電流-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接；所述的衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，衛星授時模塊的時鐘輸出分別與電流-頻率轉換模塊和處理模塊的時鐘輸入連接，為電流-頻率轉換模塊和處理模塊提供時鐘基準。
5.根據權利要求4所述的基於衛星導航系統的電流精密計量裝置，其特徵在於:所述的電流-頻率轉換模塊包括電流-電壓轉換模塊和電壓-頻率轉換模塊； 所述的電流-電壓轉換模塊的輸入端連接待測電流信號，電流-電壓轉換模塊的輸出端與電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接，電壓-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接。
6.根據權利要求4或5所述的基於衛星導航系統的電流精密計量裝置，其特徵在於:它還包括電流信號調理模塊，所述的電流信號調理模塊的輸入端連接待測電流信號，電流信號調理模塊的輸出端與電流-頻率轉換模塊的輸入端連接。
7.根據權利要求4所述的基於衛星導航系統的電流精密計量裝置，其特徵在於:所述的衛星授時模塊包括GPS衛星授時模塊、北鬥衛星授時模塊、GLONASS衛星授時模塊和伽利略衛星授時模塊中的任意一種或多種的組合。
8.基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置，其特徵在於:它包括處理模塊、衛星授時模塊、電壓-頻率轉換模塊和電流-頻率轉換模塊； 所述的電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接待測電壓信號，電壓-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接；所述的電流-頻率轉換模塊的輸入端連接待測電流信號，電流-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接，所述的衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，衛星授時模塊的時鐘輸出分別與電壓-頻率轉換模塊、電流-頻率轉換模塊和處理模塊的時鐘輸入連接，為電壓-頻率轉換模塊、電流-頻率轉換模塊和處理模塊提供時鐘基準。
9.根據權利要求8所述的基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置，其特徵在於:它還包括電壓信號調理模塊和電流信號調理模塊； 所述的電壓信號調理模塊的輸入端與連接待測電壓信號，電壓信號調理模塊的輸出端與電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接； 所述的電流信號調理模塊的輸入端連接待測電流信號，電流信號調理模塊的輸出端與電流-頻率轉換模塊的輸入端連接。
10.根據權利要求8所述的基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量裝置，其特徵在於:所述的電流-頻率轉換模塊包括電流-電壓轉換模塊和電壓-頻率轉換模塊； 所述的電流-電壓轉換模塊的輸入端連接待測電流信號，電流-電壓轉換模塊的輸出端與電壓-頻率轉換模塊的輸入端連接，電壓-頻率轉換模塊的輸出端與處理模塊連接。
11.根據權利要求8所述的基於衛星導航系統的電流精密計量裝置，其特徵在於:所述的衛星授時模塊包括GPS衛星授時模塊、北鬥衛星授時模塊、GLONASS衛星授時模塊和伽利略衛星授時模塊中的任意一種或多種的組合。
12.基於衛星導航系統的電壓精密計量方法，其特徵在於:它包括以下步驟: S11，產生可溯源時鐘信號:衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，為電壓-頻率轉換模塊和處理模塊提供高精度、可溯源的時鐘信號； S12，電壓-頻率轉換:電壓-頻率轉換模塊接收待測量的電壓信號和衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號後，將該待測電壓信號轉換成與該電壓信號幅值成正比的頻率信號，再把該頻率信號傳送給後續的處理模塊； S13，計算待測電壓信號幅值:處理模塊接收到電壓-頻率轉換模塊輸出的頻率信號和衛星授時模塊輸出的時鐘信號後，計算出當前頻率信號的頻率值，通過該頻率值換算出待測量電壓信號幅值的測量值。
13.根據權利要求12所述的基於衛星導航系統的電壓精密計量方法，其特徵在於:它還包括信號調理步驟，所述的信號調理步驟為:通過電壓信號調理模塊對待測量的電壓信號進行增益和降噪處理，再將處理後的電壓信號發送給後續的電壓-頻率轉換模塊。
14.根據權利要求12所述的基於衛星導航系統的電壓精密計量方法，其特徵在於:所述的待測電壓信號幅值的計算步驟為: 處理模塊根據衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，對電壓-頻率轉換模塊輸出的頻率信號進行定時採樣，定時採樣的定時周期與解析度的關係表達式為: 計數值=輸出頻率X定時周期； 解析度=信號幅值/最大計數值 =信號幅值/ (最大輸出頻率X定時周期)； 待測量的電壓信號幅值的計算公式為: 信號幅值=計數值X解析度 =輸出頻率X定時周期X解析度。
15.基於衛星導航系統的電流精密計量方法，其特徵在於:它包括以下步驟: S21，產生可溯源時鐘信號:衛星授時模塊從衛星導航系統接收授時信號並提取出時鐘信號，為電流-頻率轉換模塊和處理模塊提供高精度和可溯源的時鐘信號； S22，電流-頻率轉換:電流-頻率轉換模塊接收待測量的電流信號和衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，將該電流信號轉換成與該電壓信號幅值成正比的頻率信號，並將該頻率信號傳送給後續處理模塊； S23，計算待測電流信號幅值:處理模塊接收到電壓-頻率轉換模塊輸出的頻率信號和衛星授時模塊輸出的時鐘信號後，計算出當前頻率信號的頻率值，通過該頻率值換算出待測量電流信號幅值的測量值。
16.根據權利要求15所述的基於衛星導航系統的電流精密計量方法，其特徵在於:在電流-頻率轉換步驟中，電流-電壓轉換模塊接收待測量的電流信號，並將該待測量的電流信號轉換成電壓信號，電壓-頻率模塊再根據衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號將該電壓信號轉換成與其幅值成正比的頻率信號。
17.根據權利要求15所述的基於衛星導航系統的電流精密計量方法，其特徵在於:它還包括信號調理步驟，所述的信號調理步驟為:通過電流信號調理模塊對待測量的電流信號進行增益和降噪處理，再將處理後的電流信號發送給後續的電流-頻率轉換模塊。
18.根據權利要求15所述的基於衛星導航系統的電壓、電流精密計量方法，其特徵在於:所述的待測電壓或電流信號幅值的計算步驟為: 處理模塊根據衛星授時模塊輸出的高精度時鐘信號，對電流-頻率轉換模塊輸出的頻率信號進行定時採樣，定時採樣的定時周期與解析度的關係表達式為: 計數值=輸出頻率X定時周期； 解析度=信號幅值/最大計數值 =信號幅值/ (最大輸出頻率X定時周期)； 待測量的電流信號幅值的計算公式為: 信號幅值=計數值X解析度 =輸出頻率X定時周期X解析度。
【文檔編號】G01R35/00GK104316890SQ201410634216
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】黃茂彪, 楊衡 申請人:成都天興電氣有限公司