专利名称：便携式谐波分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是属智能检测技术领域。
随着电力电子技术的发展以及它们在各个工业部门用电设备上的应用，导致了电力系统谐波含量的迅速增长，使电网的谐波污染日益严重，对电力系统各种设备和通讯线路产生了有害影响。要采取抑制谐波的对策，限制谐波污染造成的危害，必须对谐波源和供电点电压和电流的谐波含量或畸变率(值)进行实时测量和分析。为此，国内外先后研制了一些谐波测试仪。如保定计算机厂生产的SXF－1型数字采样式谐波分析仪，德国制造的NOWA－1型交流电网谐波分析仪等。这些测量仪器由于价格昂贵、体积大、重量重、使用繁锁，很难实现普及应用和携带到现场进行实时检测。
本实用新型的目的就是提供一种新型的、便于携带、能在生产现场向进行实时检测的、智能化程度高及测量精度高的谐波分析仪。
本实用新型是由被测信号输入前置电路、采样脉冲发生器、采样保持电路与模数转换(A／D)电路、单片机系统、显示及打印电路等组成。其工作原理是将被测连续时间信号f(t)的一个周期T分成N个等分点，每隔T／N秒进行一次采样得到离散时间信号，经过模数转换(A／D)得到用有限字长表示的离散时间信号f(KT／N)，把这些数据输入单片机系统进行快速付里叶变换分析处理，计算出被测信号的各次谐波有效值，谐波含量、谐波总畸变率，并显示和打印其分析结果。在输入前置电路中采用电压隔离变压器、电流隔离变压器，可使电网与本仪器在电气上完全隔离，并可抑制掉电网的瞬态冲击电压和冲击电流，保护后置电路，使用高性能的模数转换A／D芯片以及相应的硬件电路，采用先进的单片微机为中央处理单元，用汇编语言编写高效率的谐波分析程序和仪器监控程序，使本仪器采用的硬件为最少。
本实用新型具有电压、电流信号同时采集分析能力，将被测信号的一个周期等分成128个采样点，每一个通道信号，每次测量均采样电网基波的8个整周期，共1024点，然后再进行数据处理分析。具有跟踪系统频率同步采样的功能，在系统频率变动±5HZ范围内仍能正确分析。具有自检功能，能对仪器所有内存单元及关键硬件电路作自动检测，并发出故障存在的信息。能实时打印和用数码管显示被测信号的分析结果。本实用新型体积小、重量轻、结构合理、使用方便，可直接将电压互感器和电流互感器二次测的被测信号输入本仪器。本仪器测量精度高，可广泛适用于各供电电网谐波实时检测的场合。
附
图1为本实用新型的电源部分线路图。
附图2、3为本实用新型的工作原理线路图。
本实用新型的实施例结合附图1、2、3进行说明。
220V交流电压经电源变压器降压、桥式整流、三端稳压器稳压、滤波后，得到本仪器各电路所需的直流工作电压±5V、±12V。
由电压隔离变压器、电流隔离变压器、低通滤波器和钳位电路组成被测信号输入前置电路。被测电压信号经电压隔离变压器IC1后，其输出经电阻R1接运放IC2的3端，和通过电容C1接IC2的1、2、5端。运放IC2为LM324。运放IC2的3端经电容C2接地，IC2的输出6、7端经电阻R2送由二极管D1、D2、稳压管W1、W2构成的钳位电路，再分别经电阻R14接采保器IC10的3端，经电阻R6接过零比较器IC5的5端。被测电流信号经并接的电阻R3后接电流隔离变压器IC3，其输出经电阻R4接运放IC4的3端，和通过电容C3接IC4的1、2、5端。运放IC4为LM324。IC4的3端经电容C4接地，6、7端输出经电阻R5送由二极管D3、D4、稳压管W3、W4构成的钳位电路，再经电阻R18接采保器IC9的3端，运放和阻容元件构成有源低通滤波器。
由过零比较器(LM339)IC5、锁相环(CD404.6)IC6、分频器(CD4020)IC8、整形电路(74LS14)IC7、电阻R7～R13、电容C5、C6构成的采样脉冲发生器。将从IC5的5端输入的50HZ正弦信号通过过零比较，在IC5的2端输出50HZ方波信号经电阻R8、R9分压后，再通过电阻R10分别接锁相环IC6的14端，整形电路IC7的13端。IC5的4端、12端接地，2端与3端之间接电阻R7。锁相环IC6的6端与7端之间接电容C5，5端和8端接地，11端经电阻R12接地，13端与9端之间接电阻R11，9端经电阻R13、电容C6接地，IC6的3端接分频器IC8的13端，IC6的4端接IC8的10端。分频器IC8的8、11端接地，9端输出的6、4KHZ方波信号送通道转换开关IC10的11端，IC8的10端输出12、8KHZ方波信号送IC7的1端。整形电路IC7的11端接12端，10端输出的50HZ方波信号经a点送单片机IC20的P1、1口，IC7的2端接3端，4端输出的采样脉冲12、8KHZ方波信号分别经b点送A／D转换器IC12的12端，和经电阻R22、R23分压后送采保器IC9、IC10的各自8端。IC7的5端经d点与单片机IC20的P1、3口相连，IC7的6端经电阻R24、指示灯L1接地，这是用于判断有出错信号时，点亮L1。采样脉冲发生器的作用是产生与输入被测电压信号同步的采样脉冲，频率是12.8KHZ，且当输入信号频率发生变化，锁相环锁定，保证采样脉冲频率恒为输入被测电压信号频率的256倍，采保器对每个被测信号的一个周期采样256点。
由采样保持器(LF398)IC9、IC10、通道转换开关(CD4051)IC11、A／D转换器(AD573)IC12构成的采样保持电路与模数转换电路。将被测电压、电流信号一个周期内的256个采样点，经6、4KHZ频率的快速切换，使被测电压、电流信号一个周期内的各自的128个采样值进行模－数转换，且通过数据总线送单片机系统存放。这里IC9的3端输入为50HZ的被测电流信号，2端经电阻R19接地、经电阻R20接1端，6端经电容C8接地，5端输出的被测电流信号每个周期内的256个采样值经电阻R21送IC11的14端。IC10的3端输入为50HZ的被测电压信号，2端经电阻R15接地，经电阻R16接1端，6端经电容C7接地，5端输出的被测电压信号每个周期内的256个采样值经电阻R17送IC11的13端。IC11的6、8、9、10端接地，11端输入的为通道转换频率6、4KHZ，3端输出的被测电压、电流每个周期内的各自的128个采样值经C点送IC12的14端。IC12的17、15端接地，18端接单片机IC20的P1、0口，20端接译码电路IC16的Y2端，8位数据端出LSB～MSB接单片机系统的数据总线，使其受单片机系统的控制，进行模～数转换，数据传输、存放。
由单片机(8031)IC20、八D锁存器(74LS373)IC13、译码电路(74LS138)IC16、数据存贮器(6264)IC14、程序存贮器(2764)IC15构成的单片机系统，在程序存贮器IC15内存放本仪器的监控、数据采集、处理、分析(FFT)及显示、打印程序，在数据存贮器IC14内存放采样数据、中间处理结果和最后分析结果。这里IC16的1、2、3端分别接IC20的P2.5、P2.6、P2.7口，IC16的Y0、Y1分别接IC14、IC17的CE端。IC20的八位数据线P0.0～P0.7接数据总线，IC20的P2.0～P2.4接IC14、IC15的高5位地址线A8～A12，IC20的PSEN线接IC15的DE端，IC20的9端接手动高电平复位电路，IC20的WR、RD分别接IC14的WR、DE和IC17的WR、RD，IC20的ALE接IC13的11端和IC17的ALE(11)端，IC20的P1.3、P1.4、P1.5口分别经电阻R26、R27、R28和开关K1、K2、K3后接＋5V或接地。用于显示和打印的选择。IC13的D0～D7接数据总线，Q0～Q7输出接IC14、IC15的低8位地址线A0～A7。IC14、IC15的D0～D7接数据总线。这样，单片机在固化程序控制下，有条不紊地进行自动数据采集，分析处理(FFT)，其最后分析结果送打印、显示。此外，还可进行自检。
微型智能打印机GP－16直接挂接在数据总线上，受IC15内的程序控制，自动打印最后谐波分析结果，包括各次谐波有效值，谐波含量，谐波总畸变率等。
由可编程序并行扩展口(8155)IC17、缓冲器／驱动器(74LS06、74LS07)IC19、IC18及8个七段显示数码管LED构成的显示电路，在单片机系统控制下，显示所需的最后谐波分析结果。这里IC17的AD0～AD7接数据总线(DATA BUS)，IC17的输出口PA0～PA7接IC19后，再接点亮各数码管的控制极。IC17的输出口PB0～PB7接IC18后，其8位输出经电阻R29～R36后接＋5V，同时接点亮数码管各段的控制极。这样，显示电路即可直接显示最后分析结果的数值。
权利要求1.一种新型的便携式谐波分析仪，是由被测信号输入前置电路、采样脉冲发生器、采样保持电路与模数转换(A/D)电路、单片机系统、显示及打印电路等组成，其特征在于a、220V交流电压经电源变压器降压、桥式整流、三端稳压器稳压、滤波后，得到本仪器各电路所需的直流工作电压±5V、±12V；b、由电压隔离变压器、电流隔离变压器、低通滤波器和钳位电路组成的被测信号输入前置电路，是将测电压信号经电压隔离变压器IC1后，其输出经电阻R1接运放IC2的3端，和通过电容C1接IC2的1、2、5端，运放IC2和阻容元件R1、C2构成有源低通滤波器，IC2的3端经电容C2接地，IC2的输出6、7端经电阻R2送由二极管D1、D2、稳压管W1、W2构成的钳位电路，再分别经电阻R14接采保器IC10的3端，经电阻R6接过零比较器IC5的5端；被测电流信号经并接的电阻R3后接电流隔离变压器IC3，其输出经电阻R4接运放IC4的3端，和通过电容C3接IC4的1、2、5端，运放IC4和阻容元件R4、C4构成有源低通滤波器，IC4的3端经电容C4接地，6、7端输出经电阻R5送由二极管D3、D4、稳压管W3、W4构成的钳位电路，再经过电阻R18接采保器IC9的3端；c、由过零比较器IC5、锁相环IC6、分频器IC8、整形电路IC7、电阻R7～R13、电容C5、C6构成的采样脉冲发生器，IC5的4、12端接地，3端与2端之间接电阻R7，2端输出经电阻R8、R9分压后，再经电阻R18分别接锁相环IC6的14端，IC7的13端；IC6的6端与7端之间接电容C5，5端和8端接地，11端经电阻R12接地，13端和9端之间接电阻R11，9端经电阻R13、电容C6接地，3端接IC8的13端，IC6的4端分别接IC8的10端和IC7的1端；IC8的8、11端接地，9端接通道转换开关IC11的11端；IC7的2端接3端，11端接12端，6端经电阻R24、指示灯L1接地，10端经a点接单片机IC20的P1、1口，IC7的5端经d点接单片机IC20的P1、3口，IC7的4端分别经b点接A/D转换器IC12的12端，和经电阻R22、R23分压后接采保器IC9、IC10的各自8端；d、由采样保持器IC9、IC10、通道转换开关IC11、A/D转换器IC12构成的采样保持电路与模数转换电路，IC9的2端经电阻R19接地，经电阻R20接1端，6端经电容C8接地，5端经电阻R21接IC11的14端；IC10的2端经电阻R15接地，经电阻R16接1端，6端经电容C7接地，5端经电阻R17接IC11的13端；IC11的6、8、9、10端接地，3端输出经C点接IC12的14端；IC12的17、15端接地，18端接单片机IC20的P1、0口，IC12的20端接译码器IC16的Y2端，8位数据输出端LSB～MSB接单片机系统的数据总线；e、由单片机IC20、八D锁存器IC13、译码器IC16、数据存贮器IC14、程序存贮器IC15构成的单片机系统，IC16的1、2、3端分别接IC20的P2.5、P2.6、P2.7口，IC16的Y0、Y1分别接IC14、IC17的CE端，IC20的八位数据线P0.0～P0.7接数据总线，IC20的P2.0～P2.4接IC14、IC15的高5位地址线A8～A12，IC20的PSEN线接IC15的DE端，IC20的9端接手动高电平复位电路，IC20的WR、RD分别接IC14的WR、DE和IC17的WR、RD端，IC20的ALE端接IC13的11端和IC17的ALE(11)端，IC20的P1、3、P1、4、P1、5口分别经电阻R26、R27、R28和开关K1、K2、K3后接+5V或接地；IC13的D0～D7接数据总线，Q0～Q7输出接IC14、IC15的低8位地址线A0～A7；IC14、IC15的D0～D7接数据总线；f、微型智能打印机直接挂接在单片机系统的数据总线上；g、由可编程序并行扩展口IC17、缓冲器/驱动器IC18、IC19及8个七段显示数码管LED构成的显示电路，IC17的AD0～AD7接数据总线，输出口PA0～PA7接IC19后，再接点亮各数码管的控制极，输出口PB0～PB7接IC18后，其8位输出经电阻R29～R36后接+5V，同时接点亮数码管各段的控制极。
2.根据权利要求1所述的谐波分析仪，其特征在于运放IC2、IC4是采用LM324，过零比较器IC5是采用LM339，锁相环IC6是采用CD4046，分频器IC8是采用CD4020整形电路IC7是采用74LS14，采保器IC9、IC10是采用LF398，通道转换开关IC11是采用CD4051，A／D转换器IC12是采用AD573，单片机IC20是采用8031，八D锁存器IC13是采用74LS373，译码器IC16是采用74LS138，程序存贮器IC15是采用2764，数据存贮器IC14是采用6264，可编程序并行扩展口是采用8155，缓冲器／驱动器IC18、IC19是采用74LS06、74LS07。
专利摘要一种新型的便携式谐波分析仪，是由被测信号输入前置电路、采样脉冲发生器，采样保持电路与模数转换(A/D)电路、单片机系统、显示及打印电路等组成，它可对被测电压、电流信号进行同时采样，并将每个被测信号的128个采样值进行快速付里叶变换(FFT)，显示和打印其最后分析结果，包括各次谐波的有效值、谐波含量和谐波总畸变率。本实用新型体积小，可广泛适用于各供电电网谐波实时检测的场合。
文档编号G01R23/16GK2091462SQ9121368
公开日1991年12月25日 申请日期1991年5月5日 优先权日1991年5月5日
发明者吴震春, 周化仁, 仇润鹤, 赵英林, 任子晖 申请人:中国矿业大学