高精度電參量分析儀的製作方法
2023-10-07 06:12:34 4
專利名稱：高精度電參量分析儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於交流電參量測試/分析、電能質量分析裝置檢定、科研測試中的電參量分析儀。
背景技術：
交流電參量的計量除了包括了對電壓、電流、功率、電能等常規電學量的測量外還 包括了諧波分析等電能質量的分析，對於上述電學量的計量在各行業中都相當的重要，所以對於這些量值的準確計量至關重要。國內一些儀表廠家也有一些較好的多功能標準表產品，其功能和性能不能滿足IEC或國家標準對多功能分析儀表的要求，其他一些較低端電能質量分析儀器多採用普通FFT或DFT算法進行諧波分析分析，部分分析儀採用鎖相環實現頻率跟蹤接近準同步採樣，但是跟蹤效果和被測信號有較大影響，分析精度只能滿足普通工作用表需求，不能作為標準使用，也不能滿足企業、省市級計量機構量值傳遞需要，只能作為運行檢查和定性分析用，所以在電參量分析方面，高精度的分析儀表在實際工程運用中還比較少，國內企業多數還是使用國外一些知名廠家產品。國外在分析儀表的研製方面較國內就有很大優勢，其技術水平較國內領先很多，但是國外儀表雖然性能比較好價格也非常的高，並且售後維修很不方便並且維護費用很高，因此研製準確度等級高並且能夠控制成本的多功能電參量分析儀非常有必要。
發明內容本實用新型的目的旨在克服現有技術的缺陷，提供一種測試分析功能全、測量精度高、顯示數據全、操作方便的高精度電參量分析儀。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，由模擬信號採樣器、三相輸入自動控制電路、前端驅動電路、A/D採樣電路、運算控制電路、顯示器及上位機組成，三相被測電壓、電流信號分別經過模擬信號米樣器輸入至三相輸入自動控制電路，三相輸入自動控制電路輸出信號經前端驅動電路送至A/D採樣電路，A/D採樣電路輸出數位訊號經運算控制電路後進入顯示器及上位機顯示。所述的模擬信號採樣器由MN型電阻分壓器、雙級電流互感器構成，MN型電阻分壓器、雙級電流互感器分別與三相輸入自動控制電路聯接。所述的三相輸入自動控制電路由可編程放大器、多路復用器構成，可編程放大器的輸入端與模擬信號採樣器中的MN型電阻分壓器和雙級電流互感器聯接，可編程放大器的輸出端與多路復用器聯接，多路復用器與前端驅動電路聯接。所述的MN型電阻分壓器由串聯電阻和並聯電阻構成，串聯電阻置於高電位補償導體中，串聯電阻、高電位補償導體和並聯電阻均置於接地屏蔽器中。所述串聯電阻和並聯電阻均為至少兩隻，且各電阻的電阻值相同。所述的前端驅動電路由電壓跟隨器、單端至差分AD驅動器構成，電壓跟隨器的輸入端與三相輸入自動控制電路的多路復用器聯接，電壓跟隨器的輸出端與單端至差分AD驅動器聯接，單端至差分AD驅動器與A/D採樣電路聯接。所述的A/D採樣電路由差分輸入A/D轉換器、電壓基準電路、時序控制電路構成，差分輸入A/D轉換器與前端驅動電路的單端至差分AD驅動器聯接，差分輸入A/D轉換器、時序控制電路與運算控制電路聯接，電壓基準電路、時序控制電路與差分輸入A/D轉換器聯接。所述的運算控制電路由DSP處理器、DDS數字頻率合成器構成，DSP處理器的輸入端與A/D採樣電路聯接，DSP處理器的輸出端與三相輸入自動控制電路的可編程放大器和多路復用器聯接，DDS數字頻率合成器的輸入端與DSP處理器聯接，DDS數字頻率合成器的輸出端與A/D採樣電路的時序控制電路聯接。 所述的上位機為計算機、PDA、手機、平板電腦中的一種，上位機通過RS232串行接口與運算控制電路中的DSP處理器聯接。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，運用DSP作為主要處理晶片，模擬被測信號輸入後電壓信號通過高精度MN型電阻分壓器、電流通過高精度雙級電流互感器採樣為六路A/D轉換器工作電壓信號，信號經過可編程放大器實現自動量限控制，六路信號通過多路復用器輪選轉換成為兩路信號，兩路信號經過電壓跟隨器提高輸入阻抗後經過單端至差分AD驅動器後進入18位差分輸入A/D轉換器轉換為數位訊號，18位差分輸入A/D轉換器的幅值參考由基準電壓電路提供、採樣頻率由DDS數字頻率合成器合成並經過時序控制電路後提供，轉換後的數位訊號通過18位差分輸入A/D轉換器傳送至DSP處理器，並由DSP進行運算處理運算出需要的幅值、頻率、相位等信息，其中諧波分析採用了非整周期傅立葉補償算法，配合DDS數字頻率合成器跟蹤被測信號頻率可大幅提高諧波分析精度，根據信號的幅值信息DSP處理器對可編程放大器進行控制實現自動量限控制，根據信號頻率信息DSP對數字頻率合成器進行控制使得18位差分輸入A/D轉換器採樣頻率保持為被測信號頻率的整數倍，DSP處理器將處理好的結果數據通過RS232串行接口傳送至觸摸式液晶控制器以及上位機顯示，同時觸摸式液晶顯示器及上位機通過RS232串行接口將用戶輸入信息傳送至DSP進行處理，根據這些信息DSP處理器對各部分電路進行控制實現各種不同測量功能。本實用新型測試分析功能多、電學參量測量精度高、諧波分析精度高、顯示數據齊全、操作方便。
圖I為本實用新型的結構框圖。圖2為本實用新型中的高精度MN型電阻分壓器結構示意圖。圖中，I-模擬信號採樣器，2-三相輸入自動控制電路，3-前端驅動電路，4-A/D採樣電路，5-運算控制電路，6-串聯電阻，7-並聯電阻，8-高電位補償導體，9-接地屏蔽器。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步地說明，但不限於實施例。實施例I如圖I所示，本實用新型所述的高精度電參量分析儀，包括模擬信號採樣器I、三相輸入自動控制電路2、前端驅動電路3、A/D採樣電路4、運算控制電路5、顯示器和上位機，MN型電阻分壓器、雙級電流互感器構成模擬信號採樣器I，MN型電阻分壓器為高精度MN型電阻分壓器，雙級電流互感器為高精度雙級電流互感器，三相被測電壓、電流信號分別經過高精度MN型電阻分壓器、高精度雙級電流互感器輸入至三相輸入自動控制電路2中，可編程放大器、多路復用器構成三相輸入自動控制電路2，可編程放大器的輸入端與模擬信號採樣器I中的高精度MN型電阻分壓器和高精度雙級電流互感器聯接，兩隻以上阻值相同的串聯電阻和兩隻以上阻值相同的並聯電阻構成高精度MN型電阻分壓器，如圖2所示，串聯電阻6置於高電位補償導體8中，串聯電阻6、高電位補償導體8和並聯電阻7均置於接地屏蔽器9中，可編程放大器的輸出端與多路復用器聯接，多路復用器與前端驅動電路3聯接，電壓跟隨器、單端至差分AD驅動器構成前端驅動電路3，電壓跟隨器的輸入端與三相輸入自動控制電路2的多路復用器聯接，電壓跟隨器的輸出端與單端至差分AD驅動器聯接，單端至差分AD驅動器與A/D採樣電路4聯接，三相輸入自動控制電路2輸出信號經前端驅動電路3送至A/D採樣電路4，差分輸入A/D轉換器、電壓基準電路、時序控制電路構成A/D採樣電路4，差分輸入A/D轉換器與前端驅動電路3聯接，差分輸入A/D轉換器、時序控制電路 與運算控制電路5聯接，由DSP處理器、DDS數字頻率合成器構成運算控制電路5，DSP處理器的輸入端與A/D採樣電路4聯接，DSP處理器的輸出端與三相輸入自動控制電路2的可編程放大器和多路復用器聯接，DDS數字頻率合成器的輸入端與DSP處理器聯接，DDS數字頻率合成器的輸出端與A/D採樣電路4的時序控制電路聯接，電壓基準電路、時序控制電路與差分輸入A/D轉換器聯接A/D採樣電路4輸出數位訊號經運算控制電路5後進入顯示器及上位機顯示，上位機為計算機、PDA、手機、平板電腦中的一種，上位機通過RS232串行接口與運算控制電路5中的DSP處理器聯接。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，被測模擬信號經過高精度模擬信號採樣器I、三相輸入自動控制電路2、前端驅動電路3後由A/D採樣電路4轉換為數位訊號，數位訊號輸入至運算控制電路5進行運算、分析，DSP處理器將運算分析結果通過RS232串行接口輸出至顯示器和上位機進行顯示，同時根據運算結果及顯示器、上位機輸入對三相輸入自動控制電路2進行控制實現自動量限控制及三相輸入信號輪選。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，高精度模擬信號採樣器I包括高精度MN型電阻分壓器、高精度雙級電流互感器。對於交流電參量分析儀提高採樣器的採樣準確度是提高測試分析準確度的前提。高精度MN型電阻分壓器具有一個輸入點A、一個輸出點B、一個公共點C，輸入點A為高電位，輸出點B為低電位，公共點C接地，被測模擬信號經過至少兩隻的串聯電阻6、至少兩隻的並聯電阻7由輸出點輸出，公共點接地，高電位補償導體8與輸入點A聯接，接地屏蔽器9與公共點C聯接；高精度MN型電阻分壓器是採用同一批次、相同阻值的M只精密電阻串聯、N只精密電阻並聯，並且採用高電位補償、接地屏蔽結構的新型分壓器，該結構MN型電阻分壓器可將分壓精度提高至0. 0003%。高精度雙級電流互感器採用雙級補償繞組對被測信號的角差進行補償，提高採樣的準確性以及相位差，使得電流採樣精度提高至0. 005%。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，三相輸入自動控制電路2包括可編程放大器、多路復用器。可編程放大器由6片pga207可編程放大器構成，該放大器增益可通過編程設置為1、2、5、10倍，分別將I. 5-3V、0. 6-1. 5V、0. 3V-0. 6V、0. 15-0. 3V信號放大至I. 5-3V(額定工作電壓滿度的50-100%)這個A/D轉換器最佳工作區域，降低A/D採樣環節引入的誤差。多路復用器採用Maxim公司多路復用晶片Max309，實現三路信號復用，減少A/D轉換器數量簡化了電路，MAX309是高精度、8通道/雙4通道、高性能、CMOS模擬多路復用器，輪選速度快，信號失真小。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，前端驅動電路3包括電壓跟隨器、單端至差分AD驅動器。電壓跟隨器使用AD845設計，用於提高輸入阻抗，減少信號失真，AD845是一款快速、精密、N溝道JFET輸入、單晶片運算放大器，可實現非常低的輸入失調電壓和失調電壓漂移性能。單端至差分AD驅動器利用差分放大器AD8138實現，用於驅動差分輸入A/D轉換器，AD8138可以用作單端至差分放大器或差分至差分放大器大大簡化了差分信號放大與驅動，採用ADI公司的專有XFCB雙極性工藝製造，-3 dB帶寬為320 MHz，提供差分信號，諧波失真在現有差分放大器中最低。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，A/D採樣電路4包括18位差分輸入A/D轉換器、電壓基準電路、時序控制電路。18位差分輸入A/D轉換器採用AD公司AD7679芯 片，AD7679是無誤碼18位精度解析度無傳輸延遲的逐次逼近型模數轉換器，供電為單組5V電源，支持串行和並行系統接口。AD7679差分輸入範圍最大為5V，速度快最高採樣率為500kSPS，並且功耗很低在採樣率為570kSPS時功耗僅為76mW。AD7679的線性度和動態範圍在同類型ADC中是比較優異的，並且由於逐次逼近結構易用於多路技術所以它在應用上比同類型ADC更具有優勢。，其吞吐量大為570 kSPS積分非線性好最大值±2. 5LSB，高速、低功耗、線性好、動態範圍寬使的特點可大大降低A/D轉換器引入的誤差。基準電壓電路利用AD780實現，AD780是一款超高精度帶隙基準電壓源，可以利用4. 0 V至36 V的輸入提供2. 5 V或3.0 V輸出。它具有低初始誤差、低溫度漂移和低輸出噪聲，並能驅動任意大小的電容，因此非常適合用於增強高解析度ADC的性能。時序控制電路採用TTL晶片74LS121及74LS123用於穩定DDS數字頻率合成器合成的脈衝信號，為AD提供穩定的工作時鐘。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，運算控制器5包括DSP處理器、DDS數字頻率合成器。DSP處理器選用浮點型數位訊號處理器TMS320C6713，具有兩路McBSP接口，分別用於接收電壓、電流採樣後通過18位AD傳送的數位訊號，TMS320C6713的EMIF具有很強的接口能力，數據總線寬度達到32位，可尋址空間為4GB，可以與目前幾乎所有類型的存儲器直接接口，數據讀寫訪問速度最高可以達到932MB/S，EMIF用於擴展外設實現對其他部分的控制。DDS數字頻率合成器採用直接數字頻率合成器DDS專用晶片AD9850，AD9850高速的直接數字合成器DDS核心根據設定的32位頻率控制字和5位相移控制字，可產生0.029Hz到62.5MHz的正弦波信號和標準的方波信號，運用直接數字合成器替代傳統的模擬鎖相環對被測信號頻率進行跟蹤，保證採樣頻率為被測頻率的整數倍，可以有效提高提高分析、測量的準確度，特別是諧波分析的準確度，RS232串行接口利用DSP處理器的EMIF 口利用TL16C752B通用異步收發器UART晶片擴展，用於同液晶顯示器、上位機進行數據交換，TL16C752B晶片包含二路相互獨立的異步收發器，接收和發送各帶64-字節FIFO，並各自帶有Modem接口信號，最高傳輸速率可達1.5Mbps波特率。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，顯示器採用觸摸式液晶顯示器，通過RS232串行接口與DSP處理器進行數據交換，除具備顯示功能還具備輸入功能，取代傳統儀表的鍵盤輸入，操作簡單，便於實現各種測試、分析、圖形顯示功能；上位機為計算機、PDA、平板 電腦、手機中的一種，通過RS232串行接口與DSP處理器進行數據交換，用於存儲、管理測試、分析數據以及利用自動控制軟體實現對分析儀的自動控制。本實用新型所述的高精 度電參量分析儀，諧波分析算法為非整周期傅立葉補償算法，該算法通過計算出與周期準確值有關的整周期採樣的補數，進而利用梯形公式根據該補數計算出補償矩陣，並對該矩陣求逆計算出非整周期補償矩陣，用該矩陣與利用DFT計算出的傅立葉級數值進行點積，這樣就可以計算出接近於真實值的諧波幅值及相角值，在利用DDS頻率合成器實現頻率跟蹤以及其他控制手段保證補數在0. 5以內，可以將單次諧波分析的準確度提高到0. 05%，大大超出普通的諧波分析儀。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，可作為標準表使用也可作為電能質量分析儀使用，用於檢定和校準各類交流電能測量儀表及電能質量分析儀，具有自主編制的嵌入式儀表作業系統，觸摸式輸入，界面簡潔包含信息量大，可實現實時圖形顯示，為三相參數信息顯示、多次諧波顯示、矢量圖顯示、波形圖顯示提供穩定顯示界面。具有上位機程控管理軟體平臺，實現部分儀器自動檢定提供數據存儲管理平臺。信號輸入範圍為電壓0-400V,電流0-50A。被測信號頻率範圍為OHz-lkHz，電壓、電流、功率測試準確度為0. 02%,工頻諧波分析次數為50次，工頻諧波分析除運用DDS實現硬體頻率跟蹤外，還運用了非整周期傅立葉補償算法，大幅度提高分析精度，使得單次諧波測量精度能夠達到0. 05%。本實用新型所述的高精度電參量分析儀，運用DSP作為主要處理晶片，模擬被測信號輸入後電壓信號通過高精度MN型電阻分壓器、電流通過高精度雙級電流互感器採樣為六路A/D轉換器工作電壓信號，信號經過可編程放大器實現自動量限控制，六路信號通過多路復用器輪選轉換成為兩路信號，兩路信號經過電壓跟隨器提高輸入阻抗後經過單端至差分AD驅動器後進入18位差分輸入A/D轉換器轉換為數位訊號，18位差分輸入A/D轉換器的幅值參考由基準電壓電路提供、採樣頻率由DDS數字頻率合成器合成並經過時序控制電路後提供，轉換後的數位訊號通過18位差分輸入A/D轉換器傳送至DSP處理器，並由DSP進行運算處理運算出需要的幅值、頻率、相位等信息，其中諧波分析採用了非整周期傅立葉補償算法，配合DDS數字頻率合成器跟蹤被測信號頻率可大幅提高諧波分析精度，根據信號的幅值信息DSP處理器對可編程放大器進行控制實現自動量限控制，根據信號頻率信息DSP對數字頻率合成器進行控制使得18位差分輸入A/D轉換器採樣頻率保持為被測信號頻率的整數倍，DSP處理器將處理好的結果數據通過RS232串行接口傳送至觸摸式液晶控制器以及上位機顯示，同時觸摸式液晶顯示器及上位機通過RS232串行接口將用戶輸入信息傳送至DSP進行處理，根據這些信息DSP處理器對各部分電路進行控制實現各種不同測量功能。本實用新型測試分析功能多、電學參量測量精度高、諧波分析精度高、顯示數據齊全、操作方便。實施例2本實用新型所述的高精度電參量分析儀，高精度MN型電阻分壓器包括11隻電阻值相同的串聯電阻和12隻電阻值相同的並聯電阻。其餘同實施例I。實施例3本實用新型所述的高精度電參量分析儀，高精度MN型電阻分壓器包括13隻電阻值相同的串聯電阻和10隻電阻值相同的並聯電阻。其餘同實施例I。實施例4[0036]本實用新型所述的高精度電參量分析儀，高精度MN型電阻分壓器包括22隻電 阻值相同的串聯電阻和6隻電阻值相同的並聯電阻。其餘同實施例I。
權利要求1.一種高精度電參量分析儀，由模擬信號採樣器、三相輸入自動控制電路、前端驅動電路、A/D採樣電路、運算控制電路、顯示器及上位機組成，其特徵在於，三相被測電壓、電流信號分別經過模擬信號採樣器輸入至三相輸入自動控制電路，三相輸入自動控制電路輸出信號經前端驅動電路送至A/D採樣電路，A/D採樣電路輸出數位訊號經運算控制電路後進入顯示器及上位機顯示。
2.根據權利要求I所述的高精度電參量分析儀，其特徵在於，所述的模擬信號採樣器由MN型電阻分壓器、雙級電流互感器構成，MN型電阻分壓器、雙級電流互感器分別三相輸入自動控制電路聯接。
3.根據權利要求I或2所述的高精度電參量分析儀，其特徵在於，所述的三相輸入自動控制電路由可編程放大器、多路復用器構成，可編程放大器的輸入端與模擬信號採樣器中的MN型電阻分壓器和雙級電流互感器聯接，可編程放大器的輸出端與多路復用器聯接，多路復用器與前端驅動電路聯接。
4.根據權利要求I或2所述的高精度電參量分析儀，其特徵在於，所述的MN型電阻分壓器由串聯電阻和並聯電阻構成，串聯電阻置於高電位補償導體中，串聯電阻、高電位補償導體和並聯電阻均置於接地屏蔽器中。
5.根據權利要求I或2所述的高精度電參量分析儀，其特徵在於，所述串聯電阻和並聯電阻均為至少兩隻，且各電阻的電阻值相同。
6.根據權利要求I所述的高精度電參量分析儀，其特徵在於，所述的前端驅動電路由電壓跟隨器、單端至差分AD驅動器構成，電壓跟隨器的輸入端與三相輸入自動控制電路的多路復用器聯接，電壓跟隨器的輸出端與單端至差分AD驅動器聯接，單端至差分AD驅動器與A/D採樣電路聯接。
7.根據權利要求I所述的高精度電參量分析儀，其特徵在於，所述的A/D採樣電路由差分輸入A/D轉換器、電壓基準電路、時序控制電路構成，差分輸入A/D轉換器與前端驅動電路的單端至差分AD驅動器聯接，差分輸入A/D轉換器、時序控制電路與運算控制電路聯接，電壓基準電路、時序控制電路與差分輸入A/D轉換器聯接。
8.根據權利要求I或7所述的高精度電參量分析儀，其特徵在於，所述的運算控制電路由DSP處理器、DDS數字頻率合成器構成，DSP處理器的輸入端與A/D採樣電路聯接，DSP處理器的輸出端與三相輸入自動控制電路的可編程放大器和多路復用器聯接，DDS數字頻率合成器的輸入端與DSP處理器聯接，DDS數字頻率合成器的輸出端與A/D採樣電路的時序控制電路聯接。
9.根據權利要求I所述的高精度電參量分析儀，其特徵在於，所述的上位機為計算機、PDA、手機、平板電腦中的一種，上位機通過RS232串行接口與運算控制電路中的DSP處理器聯接。
專利摘要一種高精度電參量分析儀涉及一種用於交流電參量測試/分析、電能質量分析裝置檢定、科研測試中的電參量分析儀，由模擬信號採樣器、三相輸入自動控制電路、前端驅動電路、A/D採樣電路、運算控制電路、顯示器及上位機組成，三相被測電壓、電流信號分別經過模擬信號採樣器輸入至三相輸入自動控制電路，三相輸入自動控制電路輸出信號經前端驅動電路送至A/D採樣電路，A/D採樣電路輸出數位訊號經運算控制電路後進入顯示器及上位機顯示，本實用新型能實現各種不同測量功能，測試分析功能多、電學參量測量精度高、諧波分析精度高、顯示數據齊全、操作方便。
文檔編號G01R35/00GK202421332SQ20112041978
公開日2012年9月5日 申請日期2011年10月30日 優先權日2011年10月30日
發明者吳志東, 張自長, 曾舒帆, 朱自科, 李亞娟, 陳萬才, 陳世榮 申請人:雲南省計量測試技術研究院