专利名称：高精度电参量分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于交流电参量测试/分析、电能质量分析装置检定、科研测试中的电参量分析仪。
背景技术：
交流电参量的计量除了包括了对电压、电流、功率、电能等常规电学量的测量外还包括了谐波分析等电能质量的分析，对于上述电学量的计量在各行业中都相当的重要，所以对于这些量值的准确计量至关重要。国内一些仪表厂家也有一些较好的多功能标准表产品，其功能和性能不能满足 IEC或国家标准对多功能分析仪表的要求，其他一些较低端电能质量分析仪器多采用普通 FFT或DFT算法进行谐波分析分析，部分分析仪采用锁相环实现频率跟踪接近准同步采样， 但是跟踪效果和被测信号有较大影响，分析精度只能满足普通工作用表需求，不能作为标准使用，也不能满足企业、省市级计量机构量值传递需要，只能作为运行检查和定性分析用，所以在电参量分析方面，高精度的分析仪表在实际工程运用中还比较少，国内企业多数还是使用国外一些知名厂家产品。国外在分析仪表的研制方面较国内就有很大优势，其技术水平较国内领先很多，但是国外仪表虽然性能比较好价格也非常的高，并且售后维修很不方便并且维护费用很高，因此研制准确度等级高并且能够控制成本的多功能电参量分析仪非常有必要。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术的缺陷，提供一种测试分析功能全、测量精度高、 显示数据全、操作方便的高精度电参量分析仪。本发明所述的高精度电参量分析仪，由模拟信号采样器、三相输入自动控制电路、 前端驱动电路、A/D采样电路、运算控制电路、显示器及上位机组成，三相被测电压、电流信号分别经过模拟信号采样器输入至三相输入自动控制电路，三相输入自动控制电路输出信号经前端驱动电路送至A/D采样电路，A/D采样电路输出数字信号经运算控制电路后进入显示器及上位机显示。所述的模拟信号采样器由MN型电阻分压器、双级电流互感器构成，MN型电阻分压器、双级电流互感器分别与三相输入自动控制电路联接。所述的三相输入自动控制电路由可编程放大器、多路复用器构成，可编程放大器的输入端与模拟信号采样器中的MN型电阻分压器和双级电流互感器联接，可编程放大器的输出端与多路复用器联接，多路复用器与前端驱动电路联接。所述的MN型电阻分压器由串联电阻和并联电阻构成，串联电阻置于高电位补偿导体中，串联电阻、高电位补偿导体和并联电阻均置于接地屏蔽器中。所述串联电阻和并联电阻均为至少两只，且各电阻的电阻值相同。所述的前端驱动电路由电压跟随器、单端至差分AD驱动器构成，电压跟随器的输入端与三相输入自动控制电路的多路复用器联接，电压跟随器的输出端与单端至差分AD 驱动器联接，单端至差分AD驱动器与A/D采样电路联接。所述的A/D采样电路由差分输入A/D转换器、电压基准电路、时序控制电路构成， 差分输入A/D转换器与前端驱动电路的单端至差分AD驱动器联接，差分输入A/D转换器、 时序控制电路与运算控制电路联接，电压基准电路、时序控制电路与差分输入A/D转换器联接。所述的运算控制电路由DSP处理器、DDS数字频率合成器构成，DSP处理器的输入端与A/D采样电路联接，DSP处理器的输出端与三相输入自动控制电路的可编程放大器和多路复用器联接，DDS数字频率合成器的输入端与DSP处理器联接，DDS数字频率合成器的输出端与A/D采样电路的时序控制电路联接。所述的上位机为计算机、PDA、手机、平板电脑中的一种，上位机通过RS232串行接口与运算控制电路中的DSP处理器联接。本发明所述的高精度电参量分析仪，运用DSP作为主要处理芯片，模拟被测信号输入后电压信号通过高精度MN型电阻分压器、电流通过高精度双级电流互感器采样为六路A/D转换器工作电压信号，信号经过可编程放大器实现自动量限控制，六路信号通过多路复用器轮选转换成为两路信号，两路信号经过电压跟随器提高输入阻抗后经过单端至差分AD驱动器后进入18位差分输入A/D转换器转换为数字信号，18位差分输入A/D转换器的幅值参考由基准电压电路提供、采样频率由DDS数字频率合成器合成并经过时序控制电路后提供，转换后的数字信号通过18位差分输入A/D转换器传送至DSP处理器，并由DSP 进行运算处理运算出需要的幅值、频率、相位等信息，其中谐波分析采用了非整周期傅里叶补偿算法，配合DDS数字频率合成器跟踪被测信号频率可大幅提高谐波分析精度，根据信号的幅值信息DSP处理器对可编程放大器进行控制实现自动量限控制，根据信号频率信息 DSP对数字频率合成器进行控制使得18位差分输入A/D转换器采样频率保持为被测信号频率的整数倍，DSP处理器将处理好的结果数据通过RS232串行接口传送至触摸式液晶控制器以及上位机显示，同时触摸式液晶显示器及上位机通过RS232串行接口将用户输入信息传送至DSP进行处理，根据这些信息DSP处理器对各部分电路进行控制实现各种不同测量功能。本发明测试分析功能多、电学参量测量精度高、谐波分析精度高、显示数据齐全、操作方便。
图1为本发明的结构框图。图2为本发明中的高精度MN型电阻分压器结构示意图。图中，1-模拟信号采样器，2-三相输入自动控制电路，3-前端驱动电路，4-A/D采样电路，5-运算控制电路，6-串联电阻，7-并联电阻，8-高电位补偿导体，9-接地屏蔽器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步地说明，但不限于实施例。实施例1
如图1所示，本发明所述的高精度电参量分析仪，包括模拟信号采样器、三相输入自动控制电路、前端驱动电路、A/D采样电路、运算控制电路、显示器和上位机，丽型电阻分压器、双级电流互感器构成模拟信号采样器，MN型电阻分压器为高精度MN型电阻分压器，双级电流互感器为高精度双级电流互感器，三相被测电压、电流信号分别经过高精度MN型电阻分压器、高精度双级电流互感器输入至三相输入自动控制电路中，可编程放大器、多路复用器构成三相输入自动控制电路，可编程放大器的输入端与模拟信号采样器中的高精度MN 型电阻分压器和高精度双级电流互感器联接，两只以上阻值相同的串联电阻和两只以上阻值相同的并联电阻构成高精度MN型电阻分压器，如图2所示，串联电阻置于高电位补偿导体中，串联电阻、高电位补偿导体和并联电阻均置于接地屏蔽器中，可编程放大器的输出端与多路复用器联接，多路复用器与前端驱动电路联接，电压跟随器、单端至差分AD驱动器构成前端驱动电路，电压跟随器的输入端与三相输入自动控制电路的多路复用器联接，电压跟随器的输出端与单端至差分AD驱动器联接，单端至差分AD驱动器与A/D采样电路联接，三相输入自动控制电路输出信号经前端驱动电路送至A/D采样电路，差分输入A/D转换器、电压基准电路、时序控制电路构成A/D采样电路，差分输入A/D转换器与前端驱动电路联接，差分输入A/D转换器、时序控制电路与运算控制电路联接，由DSP处理器、DDS数字频率合成器构成运算控制电路，DSP处理器的输入端与A/D采样电路联接，DSP处理器的输出端与三相输入自动控制电路的可编程放大器和多路复用器联接，DDS数字频率合成器的输入端与DSP处理器联接，DDS数字频率合成器的输出端与A/D采样电路的时序控制电路联接，电压基准电路、时序控制电路与差分输入A/D转换器联接A/D采样电路输出数字信号经运算控制电路后进入显示器及上位机显示，上位机为计算机、PDA、手机、平板电脑中的一种，上位机通过RS232串行接口与运算控制电路中的DSP处理器联接。本发明所述的高精度电参量分析仪，被测模拟信号经过高精度模拟信号采样器、 三相输入自动控制电路、前端驱动电路后由A/D采样电路转换为数字信号，数字信号输入至运算控制电路进行运算、分析，DSP处理器器将运算分析结果通过RS232串行接口输出至显示器和上位机进行显示，同时根据运算结果及显示器、上位机输入对三相输入自动控制电路进行控制实现自动量限控制及三相输入信号轮选。本发明所述的高精度电参量分析仪，高精度模拟信号采样器包括高精度MN型电阻分压器、高精度双级电流互感器。对于交流电参量分析仪提高采样器的采样准确度是提高测试分析准确度的前提。高精度MN型电阻分压器具有一个输入点A、一个输出点B、一个公共点C，输入点A为高电位，输出点B为低电位，公共点C接地，被测模拟信号经过至少两只的串联电阻、至少两只的并联电阻由输出点输出，公共点接地，高电位补偿导体与输入点联接，接地屏蔽器与公共点联接；高精度MN型电阻分压器是采用同一批次、相同阻值的M只精密电阻串联、N只精密电阻并联，并且采用高电位补偿、接地屏蔽结构的新型分压器，该结构MN型电阻分压器可将分压精度提高至0. 0003%。高精度双级电流互感器采用双级补偿绕组对被测信号的角差进行补偿，提高采样的准确性以及相位差，使得电流采样精度提高至 0.005%。本发明所述的高精度电参量分析仪，三相输入自动控制电路包括可编程放大器、 多路复用器。可编程放大器由6片pga207可编程放大器构成，该放大器增益可通过编程设置为 1、2、5、10 倍，分别将 1. 5-3V、0. 6-1. 5V、0. 3V-0. 6V、0. 15-0. 3V 信号放大至 1. 5-3V (额定工作电压满度的50-100%)这个A/D转换器最佳工作区域，降低A/D采样环节引入的误差。多路复用器采用Maxim公司多路复用芯片Max309，实现三路信号复用，减少A/D转换器数量简化了电路，MAX309是高精度、8通道/双4通道、高性能、CMOS模拟多路复用器，轮选速度快，信号失真小。本发明所述的高精度电参量分析仪，前端驱动电路包括电压跟随器、单端至差分 AD驱动器。电压跟随器使用AD845设计，用于提高输入阻抗，减少信号失真，AD845是一款快速、精密、N沟道JFET输入、单芯片运算放大器，可实现非常低的输入失调电压和失调电压漂移性能。单端至差分AD驱动器利用差分放大器AD8138实现，用于驱动差分输入A/D 转换器，AD8138可以用作单端至差分放大器或差分至差分放大器大大简化了差分信号放大与驱动，采用ADI公司的专有XFCB双极性工艺制造，-3 dB带宽为320 MHz，提供差分信号， 谐波失真在现有差分放大器中最低。本发明所述的高精度电参量分析仪，A/D采样电路包括18位差分输入A/D转换器、 电压基准电路、时序控制电路。18位差分输入A/D转换器采用AD公司AD7679芯片，AD7679 是无误码18位精度分辨率无传输延迟的逐次逼近型模数转换器，供电为单组5V电源，支持串行和并行系统接口。AD7679差分输入范围最大为5V，速度快最高采样率为500kSPS，并且功耗很低在采样率为570kSPS时功耗仅为76mW。AD7679的线性度和动态范围在同类型ADC 中是比较优异的，并且由于逐次逼近结构易用于多路技术所以它在应用上比同类型ADC更具有优势。，其吞吐量大为570 kSPS积分非线性好最大值士2. 5LSB，高速、低功耗、线性好、 动态范围宽使的特点可大大降低A/D转换器引入的误差。基准电压电路利用AD780实现， AD780是一款超高精度带隙基准电压源，可以利用4.0 V至36 V的输入提供2. 5 V或3. 0 V输出。它具有低初始误差、低温度漂移和低输出噪声，并能驱动任意大小的电容，因此非常适合用于增强高分辨率ADC的性能。时序控制电路采用TTL芯片74LS121及74LS123用于稳定DDS数字频率合成器合成的脉冲信号，为AD提供稳定的工作时钟。本发明所述的高精度电参量分析仪，运算控制器包括DSP处理器、DDS数字频率合成器。DSP处理器选用浮点型数字信号处理器TMS320C6713，具有两路McBSP接口，分别用于接收电压、电流采样后通过18位AD传送的数字信号，TMS320C6713的EMIF具有很强的接口能力，数据总线宽度达到32位，可寻址空间为4GB，可以与目前几乎所有类型的存储器直接接口，数据读写访问速度最高可以达到932MB/S，EMIF用于扩展外设实现对其他部分的控制。DDS数字频率合成器采用直接数字频率合成器DDS专用芯片AD9850，AD9850 高速的直接数字合成器DDS核心根据设定的32位频率控制字和5位相移控制字，可产生0.029Hz到62.5MHz的正弦波信号和标准的方波信号，运用直接数字合成器替代传统的模拟锁相环对被测信号频率进行跟踪，保证采样频率为被测频率的整数倍，可以有效提高提高分析、测量的准确度，特别是谐波分析的准确度，RS232串行接口利用DSP处理器的 EMIF 口利用TL16C752B通用异步收发器UART芯片扩展，用于同液晶显示器、上位机进行数据交换，TL16C752B芯片包含二路相互独立的异步收发器，接收和发送各带64-字节FIFO， 并各自带有Modem接口信号，最高传输速率可达1. 5Mbps波特率。本发明所述的高精度电参量分析仪，显示器采用触摸式液晶显示器，通过RS232 串行接口与DSP处理器进行数据交换，除具备显示功能还具备输入功能，取代传统仪表的键盘输入，操作简单，便于实现各种测试、分析、图形显示功能；上位机为计算机、PDA、平板电脑、手机中的一种，通过RS232串行接口与DSP处理器进行数据交换，用于存储、管理测试、分析数据以及利用自动控制软件实现对分析仪的自动控制。本发明所述的高精度电参量分析仪，谐波分析算法为非整周期傅里叶补偿算法， 该算法通过计算出与周期准确值有关的整周期采样的补数，进而利用梯形公式根据该补数计算出补偿矩阵，并对该矩阵求逆计算出非整周期补偿矩阵，用该矩阵与利用DFT计算出的傅里叶级数值进行点积，这样就可以计算出接近于真实值的谐波幅值及相角值，在利用 DDS频率合成器实现频率跟踪以及其他控制手段保证补数在0. 5以内，可以将单次谐波分析的准确度提高到0. 05%，大大超出普通的谐波分析仪。本发明所述的高精度电参量分析仪，可作为标准表使用也可作为电能质量分析仪使用，用于检定和校准各类交流电能测量仪表及电能质量分析仪，具有自主编制的嵌入式仪表操作系统，触摸式输入，界面简洁包含信息量大，可实现实时图形显示，为三相参数信息显示、多次谐波显示、矢量图显示、波形图显示提供稳定显示界面。具有上位机程控管理软件平台，实现部分仪器自动检定提供数据存储管理平台。信号输入范围为电压0-400V，电流0-50A。被测信号频率范围为OHz-lkHz，电压、电流、功率测试准确度为0. 02%,工频谐波分析次数为50次，工频谐波分析除运用DDS实现硬件频率跟踪外，还运用了非整周期傅里叶补偿算法，大幅度提高分析精度，使得单次谐波测量精度能够达到0. 05%。本发明所述的高精度电参量分析仪，运用DSP作为主要处理芯片，模拟被测信号输入后电压信号通过高精度MN型电阻分压器、电流通过高精度双级电流互感器采样为六路A/D转换器工作电压信号，信号经过可编程放大器实现自动量限控制，六路信号通过多路复用器轮选转换成为两路信号，两路信号经过电压跟随器提高输入阻抗后经过单端至差分AD驱动器后进入18位差分输入A/D转换器转换为数字信号，18位差分输入A/D转换器的幅值参考由基准电压电路提供、采样频率由DDS数字频率合成器合成并经过时序控制电路后提供，转换后的数字信号通过18位差分输入A/D转换器传送至DSP处理器，并由DSP 进行运算处理运算出需要的幅值、频率、相位等信息，其中谐波分析采用了非整周期傅里叶补偿算法，配合DDS数字频率合成器跟踪被测信号频率可大幅提高谐波分析精度，根据信号的幅值信息DSP处理器对可编程放大器进行控制实现自动量限控制，根据信号频率信息 DSP对数字频率合成器进行控制使得18位差分输入A/D转换器采样频率保持为被测信号频率的整数倍，DSP处理器将处理好的结果数据通过RS232串行接口传送至触摸式液晶控制器以及上位机显示，同时触摸式液晶显示器及上位机通过RS232串行接口将用户输入信息传送至DSP进行处理，根据这些信息DSP处理器对各部分电路进行控制实现各种不同测量功能。本发明测试分析功能多、电学参量测量精度高、谐波分析精度高、显示数据齐全、操作方便。实施例2
本发明所述的高精度电参量分析仪，高精度MN型电阻分压器包括11只电阻值相同的串联电阻和12只电阻值相同的并联电阻。其余同实施例1。实施例3
本发明所述的高精度电参量分析仪，高精度MN型电阻分压器包括13只电阻值相同的串联电阻和10只电阻值相同的并联电阻。其余同实施例1。实施例4
本发明所述的高精度电参量分析仪，高精度MN型电阻分压器包括22只电阻值相同的串联电阻和6只电阻值相同的并联电阻。其余同实施例1。
权利要求
1.一种高精度电参量分析仪，由模拟信号采样器、三相输入自动控制电路、前端驱动电路、A/D采样电路、运算控制电路、显示器及上位机组成，其特征在于，三相被测电压、电流信号分别经过模拟信号采样器输入至三相输入自动控制电路，三相输入自动控制电路输出信号经前端驱动电路送至A/D采样电路，A/D采样电路输出数字信号经运算控制电路后进入显示器及上位机显示。
2.根据权利要求1所述的高精度电参量分析仪，其特征在于，所述的模拟信号采样器由MN型电阻分压器、双级电流互感器构成，MN型电阻分压器、双级电流互感器分别三相输入自动控制电路联接。
3.根据权利要求1或2所述的高精度电参量分析仪，其特征在于，所述的三相输入自动控制电路由可编程放大器、多路复用器构成，可编程放大器的输入端与模拟信号采样器中的MN型电阻分压器和双级电流互感器联接，可编程放大器的输出端与多路复用器联接，多路复用器与前端驱动电路联接。
4.根据权利要求1或2所述的高精度电参量分析仪，其特征在于，所述的MN型电阻分压器由串联电阻和并联电阻构成，串联电阻置于高电位补偿导体中，串联电阻、高电位补偿导体和并联电阻均置于接地屏蔽器中。
5.根据权利要求1或2所述的高精度电参量分析仪，其特征在于，所述串联电阻和并联电阻均为至少两只，且各电阻的电阻值相同。
6.根据权利要求1所述的高精度电参量分析仪，其特征在于，所述的前端驱动电路由电压跟随器、单端至差分AD驱动器构成，电压跟随器的输入端与三相输入自动控制电路的多路复用器联接，电压跟随器的输出端与单端至差分AD驱动器联接，单端至差分AD驱动器与A/D采样电路联接。
7.根据权利要求1所述的高精度电参量分析仪，其特征在于，所述的A/D采样电路由差分输入A/D转换器、电压基准电路、时序控制电路构成，差分输入A/D转换器与前端驱动电路的单端至差分AD驱动器联接，差分输入A/D转换器、时序控制电路与运算控制电路联接， 电压基准电路、时序控制电路与差分输入A/D转换器联接。
8.根据权利要求1或7所述的高精度电参量分析仪，其特征在于，所述的运算控制电路由DSP处理器、DDS数字频率合成器构成，DSP处理器的输入端与A/D采样电路联接，DSP 处理器的输出端与三相输入自动控制电路的可编程放大器和多路复用器联接，DDS数字频率合成器的输入端与DSP处理器联接，DDS数字频率合成器的输出端与A/D采样电路的时序控制电路联接。
9.根据权利要求1所述的高精度电参量分析仪，其特征在于，所述的上位机为计算机、 PDA、手机、平板电脑中的一种，上位机通过RS232串行接口与运算控制电路中的DSP处理器联接。
全文摘要
一种高精度电参量分析仪涉及一种用于交流电参量测试/分析、电能质量分析装置检定、科研测试中的电参量分析仪，由模拟信号采样器、三相输入自动控制电路、前端驱动电路、A/D采样电路、运算控制电路、显示器及上位机组成，三相被测电压、电流信号分别经过模拟信号采样器输入至三相输入自动控制电路，三相输入自动控制电路输出信号经前端驱动电路送至A/D采样电路，A/D采样电路输出数字信号经运算控制电路后进入显示器及上位机显示，本发明能实现各种不同测量功能，测试分析功能多、电学参量测量精度高、谐波分析精度高、显示数据齐全、操作方便。
文档编号G01R35/00GK102435847SQ201110334469
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月30日 优先权日2011年10月30日
发明者吴志东, 张自长, 曾舒帆, 朱自科, 李亚娟, 陈万才, 陈世荣 申请人:云南省计量测试技术研究院