直流瞬时功率的计量电路的制作方法

本实用新型涉及交流和直流信号测量中模数信号处理的技术领域，尤其涉及一种高精度的直流瞬时功率的计量电路。

背景技术：

随着新能源的蓬勃发展，高精度的直流测量日益显得重要。在含有各种杂波的直流系统中，通过直流电压通道和直流电流通道采样后所得数据的同步性，直接关系到直流功率计量的准确性。

多通道同步采样就是多个采样通道在同一时刻的采样数据，并且多通道间具有相同的采样周期。根据提供同步采样方式的不同，可以为硬件同步采样和软件同步采样。

硬件同步采样是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲，硬件设计复杂且同步时效性很容易受硬件电路参数一致性的影响。

软件同步采样通过对采样后的数值运用线性插值方法修正采样值，使得到的采样值最大限度的接近理想采样时刻。

为了能够得到高精度的直流瞬时功率，需要精确的保证直流电压和直流电流的采样数据时刻均在同一时刻。由于电路设计中，采样部件、增益调节电路和滤波电路性能和参数的差异，信号反应的实时性存在的不同，因此采样得到的直流电压数据和直流电流数据与实际时刻存在误差。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种同步准确高、实用性好的直流瞬时功率的计量电路。

为了达到上述目的，本实用新型一种直流瞬时功率的计量电路，包括电压采样部件、电流采样部件、第一增益调整电路、第二增益调整电路、第一滤波电路、第二滤波电路、数模转换芯片、磁隔离芯片以及处理器，所述第一增益调整电路的输入端与电压采样部件的输出端相连，所述第一增益调整电路的输出端与第一滤波电路的输入端相连，所述第二增益调整电路的输入端与电流采样部件的输出端相连，所述第二增益调整电路的输出端与第二滤波电路的输入端相连，所述第一滤波电路的输出端以及第二滤波电路的输出端与数模转换芯片的输入端相连，所述磁隔离芯片的输入端与数模转换芯片的输出端相连，所述磁隔离芯片的输出端与处理器的输入端相连。

其中，所述第一增益调整电路与第二增益调整电路的电路结构相同，且第一增益调整电路与第二增益调整电路均包括信号放大单元以及负信号变正信号单元，所述信号放大单元的输出端与所述负信号变正信号单元的输入端相连。

其中，所述电压采样部件为电压采样电阻，所述电流采样部件为电流采样电阻.

其中，所述第一滤波电路与第二滤波电路均为低通滤波器.

其中，所述数模转换芯片为16位SAR型模数转换器。

本实用新型的有益效果是：

与现有技术相比，本实用新型设计把被测电压信号和电流取样组件的输出信号进行增益调整，低通滤波等一系列处理，转换为适合模数转换器输入范围的模拟信号送入模数转换器，再经模数转换器转换为数字信号送至处理器进行处理。该电路具有易于实现、测量精度高、实用性好的特点，而且不仅可以应用于单个模数转换芯片中不同通道之间的同步，也可以应用在采用多个模数转换芯片的方案中实现采样信号的同步。

附图说明

图1为本实用新型直流瞬时功率的计量电路的结构示意图；

图2为本实用新型直流瞬时功率的计量电路的电路原理图。

主要元件符号说明如下：

10、电压采样部件 11、电流采样部件

12、第一增益调整电路 13、第二增益调整电路

14、第一滤波电路 15、第二滤波电路

16、数模转换芯片 17、磁隔离芯片

18、处理器。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

参阅图1，本实用新型一种直流瞬时功率的计量电路，包括电压采样部件10、电流采样部件11、第一增益调整电路12、第二增益调整电路13、第一滤波电路14、第二滤波电路15、数模转换芯片16、磁隔离芯片17以及处理器18，第一增益调整电路12的输入端与电压采样部件10的输出端相连，第一增益调整电路12的输出端与第一滤波电路14的输入端相连，第二增益调整电路13的输入端与电流采样部件11的输出端相连，第二增益调整电路13的输出端与第二滤波电路15的输入端相连，第一滤波电路14的输出端以及第二滤波电路15的输出端与数模转换芯片16的输入端相连，磁隔离芯片17的输入端与数模转换芯片16的输出端相连，磁隔离芯片17的输出端与处理器18的输入端相连。

相较于现有技术，本实用新型设计把被测电压信号和电流取样组件的输出信号进行增益调整，低通滤波等一系列处理，转换为适合模数转换器输入范围的模拟信号送入模数转换器，再经模数转换器转换为数字信号送至处理器18进行处理。在处理器18中首先利用相位夹角已知的低频交流电压信号和交流电流信号计算出两者延时或超前相位差，再利用线性插值通过软件重构采样数据的方式补偿该相位并计算出相位补偿系数，以该相位补偿系数作为直流电压和直流电流采样的同步补偿系数，对采样数据进行补偿后算出直流瞬时功率。该方法具有易于实现、同步准确高、实用性好的特点，而且不仅可以应用于单个模数转换芯片中不同通道之间的同步，也可以应用在采用多个模数转换芯片的方案中实现采样信号的同步。

进一步参阅图2，第一增益调整电路12与第二增益调整电路13的电路结构相同，且第一增益调整电路12与第二增益调整电路13均包括信号放大单元以及负信号变正信号单元，信号放大单元的输出端与负信号变正信号单元的输入端相连。如图2所示，电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、芯片U以及一个放大器之间的相互连接形成信号放大单元；电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9以及一个放大器之间的相互连接形成将负信号抬高2.5V变成正信号的单元。

在本实施例中，电压采样部件10为电压采样电阻，电流采样部件11为电流采样部件，第一滤波电路14与第二滤波电路15均为低通滤波器，数模转换芯片16为16位SAR型模数转换器。

本实用新型一种直流瞬时功率的准同步计算方法，包括以下计算步骤：

S1、针对电压采样通道和电流采样通道，在模拟信号板中分别输入交流电压信号和交流电流信号，且交流电压信号和交流电流信号之间相位角φa明确已知；

S2、在同一时刻，启动对交流电压信号和交流电流信号的采样，采样时刻和采样频率一致，处理器18在得到采样数据后，利用数字滤波技术对数据进行处理，以滤除高次谐波；

S3、运用过零点测周期法精确计算出电压信号和电流信号的频率和周期；

S4、根据交流电压信号和电流信号的采样周期，对交流电压信号和交流电流信号分别做线性插值重构，再进行FFT分析，求出两者之间的夹角φb；

针对FFT算法对信号长度应为2的整数幂的约束条件，提出了一种对采样信号进行线性插值重构方式的FFT改进策略。

线性插值是数学、计算机图形学等领域广泛使用的一种插值方法。现有已知坐标点(x0，y0)与(x1，y1)，若要得到区间[x0，x1]内某一位置x所对应的函数值y，可由公式计算得出：

令方程两边的比值为α，则

y＝y0+α*(y1-y0)；

频谱分析采样时，可以将采样频率设置到12.8K，采样点之间的时间间隔非常小，线性拟合程度很高，因而在采样点之间的时间间隔的区间内进行线性插值的算法的误差非常小。通过线性插值方法，可以获取2的整数幂长度的分析样本，使其满足FFT算法的计算约束条件。

基于线性插值重采样的改进FFT算法，可得到分析信号的整数周期并且适用于FFT的采样序列，抑制了泄漏效应和栅栏效应的误差，对信号的频谱和相位分析处理可快速完成，有非常高的精准性和实时性。可以根据此方法利用FFT算法计算出高精度的交流电压信号和交流电流信号的夹角φb。

S5、以交流电压采样信号为基准，对交流电流采样数据进行线性插值平移，使平移后交流电压和交流电流信号之间的相位夹角为φa，同时由此确定此刻的线性插值平移插值修订系数K，并将该数值存贮在设备中；

S6、每次在通过模数转换芯片完成固定数量的模数转换后，自动调用插值修订系数K并利用插值算法对电流采样信号进行重构，使电压采样数据和电流采样数据达到准同步；此方法消除了硬件电路和软件采样控制时序所产生的信号延时的影响；

S7、在直流功率计算中，自动调用插值修订系数K并利用插值算法对电流采样信号进行重构，再运用直流功率计算公式所得到的直流功率，具有非常高的瞬时精度，利用该高精度的瞬时功率，可实现高精度直流标准电能表脉冲输出的高精度。

例如：当模数转换芯片采样频率为12.8kHz时，取准同步后同时刻256个电压电流的采样数据进行运算(N＝256)，即可计算出20毫秒内高精度的直流瞬时功率。

在本实施例中，在步骤S2中，利用数字滤波技术对数据进行处理中，使用的数字滤波器为FIR有限长单位冲激响应滤波器。采用数字滤波的方式节省成本，修改方便，而且稳定性好。常用的数字滤波有IIR无限长脉冲响应滤波器和FIR有限长单位冲激响应滤波器两种，两者各有其优缺点。IIR数字滤波具有幅频效果好，滤波阶数低等特点，但其相位非线性，相位特性不好控制，而且相位随截止频率变化而变化，在对相位要求较高时，还需加相位校准网络。FIR数字滤波绝对稳定，具有严格的线性相位，幅度特性随意设置的同时，可以保证精确的线性相位，但滤波阶数比较大。对比考虑，软件数字滤波采用FIR数字低通滤波，避免高次谐波的干扰。

在S3中对交流信号按照如下过零点测周期法计算频率：

设定等间隔每个采样点的时间为Ts，找出一个周波中同一方向的两个过零点，则点y1(0)和点y1(n)两过零点之间的采样时间为(N-1)*Ts，再通过前后过零点，计算y0(n)与过零点的时间距离为Y1，同理y1(n)与过零点的时间距离为Y2，称Y1+Y2即为一个周波中采样周期的非整周期时间，一个周期中的整周期采样时间加上非整周期余数时间即为一个周波中实际采样时间，据此计算出信号的实际测量频率；N为在某一短时间内的模数转换芯片的采样次数。

在本实施例中，在S3中对交流信号按照如下过零点测周期法继续计算周期：

采样周期Ts非常短，y0(n)和y1(n)的连线近似认为是一条直线，求出两点之间的连线斜率，可近似得到信号周期到起始点y1(n)的时间点Y1为：

同样可求得f1(n)到信号周期的结束时间点Y2为：

一个完整采样周期的采样时间T为：

在本实施例中，在步骤S7中，直流瞬时功率计算公式如下：

Ui和ii分别是电压通道和电流通道在同一时刻的采样值。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。