专利名称：不受谐波影响的伏安相位表的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电工测量仪表，具体地说是测量电参数的伏安相位表。
背景技术：
目前使用较为普遍的SMG2000等传统的双钳伏安相位表，是继电保护工、校表工和线路 装修工的通用测量工具。该仪表相位测量部分的电路结构如图1所示，主要由两路放大器、 两路比较器、相位差识别、A/D转换器和微控制器组成。该仪表需要硬件电路来识别相位的 信号，其测量相位的原理是，两路输入信号IN1和IN2，分别经过放大器和比较器识别出信 号的过零点，即将信号以零点为边沿转换成矩形波，信号的正半周为矩形波的高电平，信号 的负半周为矩形波的低电平。两路矩形波相邻下降沿之间的时间差为两路信号的相位差；然 后由相位差识别电路将时间形式的相位差转化为模拟形式的电压值；再由处理器通过A/D转 换器采集电压信号，通过转换得到信号的相位差值。即，该电路测量相位的关键是使用硬件 电路中的比较器来识别两路信号的过零点。在输入信号为标准正弦波时，过零点识别不会有 问题，但是，当输入信号中谐波含量较大时，信号的过零点会发生偏移，严重时会在半个周期 内出现多个过零点，导致该电路无法正确测量相位。故此，传统的双钳伏安相位表在谐波影 响严重时，无法准确测量信号的相位。
发明内容
本发明的目的在于改进传统仪表存在的不足，提供不受谐波影响的伏安相位表。 本发明是这样实现的主要由互感器、IA转换器、可编程放大器、A/D转换器、微控制
器和液晶屏构成。互感器用来转换信号，将被测的电压或电流信号按一定的比例转换为电流
信号，并使被测信号与转换后的信号电气隔离，该互感器也可以用电阻来代替；1/V转换器， 用来将互感器输出的电流信号转化为电压信号；可编程放大器由放大器与数字电位器构成， 用来放大输入信号，使之满足A/D转换后计算精度的要求；微控制器负责控制可编程放大器 的增益调节和A/D转换器进行信号采集，还用于计算输入信号频率、控制采样频率和计算相 位；最后由液晶屏显示处理结果。
本发明的工作原理是两路被测信号经过各自的互感器后，通过I/V转换器将电流信号 转换为电压信号，然后使用可编程放大器进行放大；再由微控制器控制A/D转换器分别对两 路放大后的信号进行采样、计算，得到两路信号的频率和可编程放大器的增益设置值；随后 由微控制器改变两路可编程放大器的增益，并再次控制A/D转换器分别对两路放大后的信号 进行采样；最后微控制器采用快速傅立叶变换方法对采样值进行处理，得到两路信号的相位差值。
微控制器涉及到的特殊算法说明 1.频率算法推导过程。
考虑被测周期信号x (t)不含谐波情况下如何由 一组采样数据计算出它的实际频率f 。。假设x (t)为正弦波，且Px(t)"in(2nf。t+0)。如杲已知被测频率f(j約等于某个确定的频率f，即fff+A f，lAfl《f。，令
<formula>formula see original document page 4</formula>计算可得
其中S-nAfT。 由式(4),
式(5)可得
<formula>formula see original document page 4</formula>①
②
③
④
其中0为对应积分区间中间(即{ = 0)处被测信号的相位。将式(2)，式(3)离散化，得到-
<formula>formula see original document page 4</formula>上两式中，KTS = 2T。若釆样频率足够高，R'与R接近， (S)算出
与I接近。于是，可由式(7)、式
<formula>formula see original document page 4</formula>⑨
连续釆样M个周期(此处周期为T，而非被测信号的实际周期)，且MT〈0.5/lMl，这样可以保
证第M个周期中间处的相位eM与第i个周期中间处的相位e之差小于n.由式(9)计算出^和^，则
可得出被测信号的频率为
<formula>formula see original document page 4</formula>
上述分析中未考虑被测信号含谐波的情况。其实，由于f约等于f。，也就有釆样窗口接近于被 测信号周期的整数倍，因此谐波成份对式(2)和式(3)积分的结杲影响不大，所以在被测信号含有 谐波吋，仍可用式(10)比较准确地测算出被测信号的基波频率f。.如果需要进一步提高准确度，也 可先滤除被测信号中的谐波后，再利用式(10)计算f。.
2. 获得频率的方法
1) 鉴于本发明是针对电力系统的测量仪表，所以假设被测信号频率X = 50 Hz。根 据采样定律同时兼顾傅立叶方法计算方便，采样频率应为信号频率的2的n次方 倍，n值越大，计算精度越高。为了达到理想的效果，这里将采样频率定为50Hz 的64倍，即XX 64 = 3200Hz。
2) 在对信号进行一个周期的采样后，利用上述运算1之公式⑦至⑩，计算得到该信 号的频率值Y。
3) 判断如果iY-Xi《0. lHz，则认为该信号的频率即为Y，频率计算完成。 如果IY-Xl 〉0. lHz，则令X = Y，重新执行步骤1-2，直到满足步骤3的条件为止。
3. 计算相位
1)
2)
3)
根据计算得到的信号频率Y，确定采样频率。采样频率同样设定为信号频率的64 倍。
根据快速傅立叶计算方法的要求, 使用快速傅立叶算法得到相位差c 信号的相位差
,W」
对两路输入信号同步进行1个周期的采样。 具体计算公式如下，Oil-012的值就是两路
5 H^向cos〖^.jfe
fc=0
2 V 2tt 一 2jx〗向sin卩^r舞
12
b
11
A厂
i=0
AT
〗i
arctan
ii
2 \\ 2兀
w阔 w
2 2tt
^12
本发明结构简单、使用方便，解决了谐波影响相位测量值的问题。
图1. SMG2000系列双钳伏安相位表电路原理示意图； 图2.本发明电路结构示意图中，1、 2是放大器，3是A/D转换器，4是内核，5是液晶屏，6是电源处理模块，7、 8是互感器，9、 10是I/V转换器，ll是微控制器，12、 13是数字电位器。
图3.微控制器的相位测量流程示意图。
具体实施例方式
下面结合附图叙述一个本发明的实施例。
图2显示了本实施例的电路结构，主要由互感器(7、 8)、 1/V转换器(9、 10)、放大器(1、 2)、数字电位器(12、 13)、微控制器(11)、液晶屏(5)以及电源处理模块(6)组成。互 感器选用HPT304A型号；微控制器内部含有内核(4)和A/D转换器(3); I/V转换器和放大 器采用0P2277运算放大器，微控制器选用C8051F系列单片机。电源分为V+、 V-、 GND三种 电压，V+为3.3V，用作微控制器和模拟电路的电源；GND为1.5V，用做模拟电路的参考中点 电压；V-为OV，用做微控制器和模拟电路的地线。
1/V转换器由运算放大器(9、 10)连同反馈电阻构成；可编程放大器由运算放大器(1、 2)和数字电位器(12、 13)构成。数字电位器(12、 13)的型号选用X9313。
被测信号在经过互感器(7、 8)后，送入该电路的输入端。先经过I/V转换器(9、 10)， 将电流型信号转换为电压型信号；然后经过放大器(1、 2)将信号放大并送入微控制器(11) 的A/D转换器(3)输入引脚，放大器(1、 2)的增益由微控制器(11)通过设置数字电位器 (12、 13)实现；最后由微控制器(11)控制其内部A/D转换器，对信号采样、计算，得到 两路信号的相位差值。
本实施例由控制、计算程序和硬件两部分实现了不受谐波影响的相位测量其中控制、 计算程序存在于微控制器内核中，几个文要硬件及其作用是
1. 1/V转换器，用来将互感器转换过来的电流信号转换为电压信号。
2. 可编程放大器，用来调整信号的幅度，使之满足微控制器计算相位的精度要求。
3. 微控制器内部的A/D转换器，将交流模拟电压信号转换为离散的数字信号。
4. 微控制器内核，由内部的程序完成控制A/D采样、调节可编程放大器的增益、计算频 率和相位等。
图3系本发明之微控制器的相位测量控制流程图，过程如下
1. 鉴于本仪表是电力系统使用的测量仪表，而电力系统测量的电压、电流信号频率均为 50Hz，所以假设起始频率为X=50Hz,即歩骤14。
2. 根据采样定律同时兼顾傅立叶方法计算方便，采样频率应为信号频率的2的n次方倍， 所以A/D采样频率使用64倍的信号频率。然后对输入信号进行一个周期，即64个点 的采样(该过程是信号的离散化)，即步骤15。
3. 根据釆样到的离散数据，利用"频率算法推导过程"中的公式⑦至⑩计算出信号的频 率值Y，即步骤16。
4. 判断lY-Xl《0. lHz是否成立，即步骤17。
5. 如果lY-X|《0. lHz不成立，则将频率值Y赋给X，即步骤18。然后重新执行上述2 至5,直到满足5的条件为止。
6. 如果1Y-X|《0. lHz成立，则认为信号的频率即为Y ，计算得到采样频率Z二YX64， 即步骤19。
7. 按照采样频率Z，对两路输入信号同步采样一个周期的离散数据，即步骤20。
8. 根据7采样得到的离散数据，使用均方根方法计算,得到输入信号的幅度，即步骤21。
9. 根据8计算得到的幅度值，重新设置数字电位器(12、 13)的电阻值，从而改变放大 器的增益，即步骤22。
10. 根据7采样得到的离散数据，使用快速傅立叶公式，计算得到两路信号的相位差值，即 步骤23。
权利要求
1.不受谐波影响的伏安相位表，有A/D转换器(3)、微控制器(11)和液晶屏(5)，其特征在于有互感器(7)和互感器(8)、I/V转换器(9)和I/V转换器(10)、放大器(1)和放大器(2)与数字电位器(12)和数字电位器(13)构成的可编程放大器等，互感器(8)用来转换信号，将被测的电压或电流信号按一定的比例转换为电流信号；I/V转换器(9)和I/V转换器(10)，用来将互感器输出的电流信号转化为电压信号；放大器(1)和放大器(2)用来放大输入信号，使之满足A/D转换后计算精度的要求；微控制器(11)负责控制数字电位器(12)和数字电位器(13)，用来调节放大器(1)和放大器(2)的增益并利用A/D转换器(3)进行信号采集，还用于计算输入信号频率、控制采样频率和计算相位；最后由液晶屏(5)显示处理结果。
2.根据权利要求1所述不受谐波影响的伏安相位表，其特征在于所说的互感器(7)和 互感器(8)可用电阻代替。
全文摘要
本发明涉及不受谐波影响的伏安相位表，其由互感器、I/V转换器、可编程放大器、微控制器和液晶屏构成，I/V转换器将互感器输出的电流信号转化为电压信号，经可编程放大器将输入信号放大，使之满足A/D转换后计算精度的要求，微控制器控制可编程放大器的增益调节、信号采集、控制采样频率和计算相位，由液晶屏显示处理结果。本发明结构简单、使用方便，解决了谐波对相位测量值造成误差的影响问题。
文档编号G01R25/00GK101178418SQ20071018854
公开日2008年5月14日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者穆明健 申请人:西安爱邦电气有限公司