专利名称：数模混合谐波分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数模混合谐波分析仪。
技术背景
随着电力电子技术的迅速发展，电网中非线性负载迅速增加。用电设备 对电网的干扰越来越严重，导致电网中谐波含量迅速增长，使电压和电流的 波形产生畸变，这不仅严重影响电网安全高效的运行，而且电参量测量的准 确性和仪表的可靠性都大大降低。实时测量电网及非线性用电设备的谐波分 量，掌握系统中谐波的实际情况，对于防止谐波危害、提高供电质量是十分 必要的。
谐波在线分析的主要方法， 一是基于模拟带通或带阻滤波器及检波的测 量法；二是基于傅里叶变换的谐波测量法；三是基于瞬时无功功率的谐波测 量法；四是基于小波变换的测量方法；五是基于神经网络的谐波测量法。
现在普遍采用数字测量方法，其中，基于傅里叶变换的谐波测量是应用 最广泛的方法，其主要原理是快速傅里叶变换。为了解决FFT算法应用于谐 波分析时存在的栅栏效应和泄漏现象，学者们提出了很多加窗和插值的方法。 在噪声情况下，即使采样同步，由于加性噪声的取样截断效应产生的频谱泄 漏以及调制性噪声的影响，使上述FFT算法在现场使用效果并不理想。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有谐波分析中同步及噪声情况下谐波测量的 不足，提供一种数模混合谐波分析仪。
上述的目的通过以下的技术方案实现
数模混合谐波分析仪，其组成包括取样传感器、辅助电源模块、测量 主板、键盘和液晶显示单元，被测量内容输入进所述的取样传感器，所述的 取样传感器与测量主板的调理单元模块连接，所述的辅助电源模块与测量主 板连接，所述的测量主板与键盘及液晶显示单元连接。
所述的数模混合谐波分析仪，所述的测量主板包括调理单元模块、程控
3倍频锁相单元、数模混合乘法单元、低通滤波单元、采样保持单元、多路采
集单元和单片机控制单元，所述的辅助电源模块将交流220伏电源转换为直 流+5伏和±12伏，为整个仪器提供直流电源；所述的取样传感器实现对被测 信号的取样；所述的信号调理单元实现对被测信号的变换，为程控倍频锁相 单元和数模混合乘法单元提供输入信号；所述的程控倍频锁相单元产生的N 倍频信号为数模混合乘法器的ROM提供低位地址，锁相环的倍频数N根据 要分析测量的谐波次数适当选定，以便产生严格同频或谐频的相互正交的标 准cos(^yZ)、 sin(A^/)信号；所述的数模混合乘法单元实现被测信号Vx与 eos(W)、 sin(^0、 c。s^欲)、sin(A:O分别相乘，相乘的结果分别作为低通滤 波单元的输入；所述的低通滤波单元对上述数模混合乘法器的输出进行滤波， 提取直流分量，送采样保持单元；所述的采样保持单元在单片机的控制下实 现采样或保持；所述的多路采集单元对保持后的信号依次进行采样，并送单 片机控制单元进行数据处理。
所述的数模混合谐波分析仪，所述的单片机控制单元主要完成如下四项 工作，其一是为数模混合乘法器的ROM提供高位地址，其二是完成采样保 持及多路采集的控制，其三是测量数据处理，其四是实现对键盘和液晶显示 单元的控制。
本实用新型的有益效果
本实用新型可以实现基于相关测量的最优滤波方法，采用基于模拟数字 混合乘法器的矢量原理，以及基波和谐波的正弦、余弦分量同步采样的方法 进行谐波分析。其中，利用模拟数字混合乘法器实现了最优相关滤波，可以 在最大信噪比准则下最大限度的滤除高次谐波和加性噪声的影响；对基波和 谐波的正弦、余弦分量同步采样的方法，可以消除调制性噪声对谐波含有率 及相位的影响。从而较理想的克服现场的干扰，解决了谐波分析中存在的问 题，使谐波分析结果更准确。由硬件实现乘法运算，软件计算量少，大大减 少了软件工作量。
附图1是本实用新型内部结构示意图。附图2是本实用新型一部分的电路图。 附图3是本实用新型另一部分的电路图。 附图4是本实用新型的原理框图。
具体实施方式
实施例1:
数模混合谐波分析仪，其组成包括取样传感器、辅助电源模块、测量 主板、键盘和液晶显示单元。被测量输入进所述的取样传感器，所述的取样 传感器与测量主板的信号调理单元模块连接，所述的辅助电源模块与测量主 板连接，所述的测量主板与键盘及液晶显示单元连接。
所述的数模混合谐波分析仪，其测量主板包括信号调理单元模块、程控
倍频锁相单元、数模混合乘法单元、低通滤波单元、采样保持单元、多路采 集单元和单片机控制单元。
所述的辅助电源模块采用电源变压器、整流桥、滤波器、稳压器及滤波
电容等，将交流220伏电源转换为直流+5伏和土12伏，为整个仪器提供直流电源。
所述的取样传感器采用电压互感器(或电流互感器)及放大器取样电路 实现对被测信号的取样。
所述的信号调理单元采用放大及有源滤波等实现对被测信号的变换，为 程控倍频锁相单元和数模混合乘法单元提供输入信号。
所述的程控倍频锁相单元由大规模可编程器件CPLD实现，产生的N倍频 信号为数模混合乘法器的ROM提供低位地址，锁相环的倍频数N根据要分析 测量的谐波次数适当选定，以便产生严格同频或谐频的相互正交的标准 cos(&战)、sin(A:纽)信号。
所述的数模混合乘法单元由8位并行输入的乘法型数/模(D/A)转换器 作为核心器件构成，被测信号Vx作为数/模(D/A)转换器的基准，实现被测 信号Vx与cos(奴)、sin(必/)、 cos(h。/)、 sin(to/)分别相乘，相乘的结果分别作为 低通滤波单元的输入。
所述的低通滤波单元由有源及无源滤波器实现，对上述数模混合乘法器的输出进行滤波，提取直流分量，送采样保持单元。
所述的采样保持单元由集成采样保持器组成，在单片机的控制下实现采 样或保持。
所述的多路采集单元由多路开关和4位半模/数转换器(A/D)组成，对 保持后的信号依次进行采样，并送单片机控制单元进行数据处理。
所述的单片机控制单元由不带模/数转换器(A/D)的单片机及外围电路 组成，主要完成如下四项工作，其一是为数模混合乘法器的ROM提供高位地 址，其二是完成采样保持及多路采集的控制，其三是测量数据处理，其四是 实现对键盘和液晶显示单元的控制。
所述的键盘和液晶显示单元分别采用薄膜按键和点阵液晶显示器组成， 它们互相配合，实现参数的设置、测量的控制及测量结果的显示。
实施例2:
数模混合谐波分析仪，其组成包括取样传感器、辅助电源模块、测量 主板、键盘和液晶显示单元。被测量输入进所述的取样传感器，所述的取样 传感器与测量主板的信号调理单元模块连接，所述的辅助电源模块与测量主 板连接，所述的测量主板与键盘及液晶显示单元连接。
所述的数模混合谐波分析仪，其测量主板包括信号调理单元模块、程控
倍频锁相单元、数模混合乘法单元、低通滤波单元、采样保持单元、多路采 集单元和单片机控制单元。
所述的辅助电源模块采用电源变压器、整流桥、滤波器、稳压器及滤波 电容等，将交流220伏电源转换为直流+5伏和土12伏，为整个仪器提供直流 电源。
所述的取样传感器采用电压互感器(或电流互感器)及放大器取样电路 实现对被测信号的取样。
所述的信号调理单元采用放大及有源滤波等实现对被测信号的变换，为 程控倍频锁相单元和数模混合乘法单元提供输入信号。
所述的程控倍频锁相单元由大规模可编程器件CPLD实现，产生的N倍频 信号为数模混合乘法器的ROM提供低位地址，锁相环的倍频数N根据要分析测量的谐波次数适当选定，以便产生严格同频或谐频的相互正交的标准 cos(A纽)、sin(A加)信号。
所述的数模混合乘法单元由10位并行输入的乘法型数/模(D/A)转换器 作为核心器件构成，被测信号Vx作为数/模(D/A)转换器的基准，实现被测 信号Vx与cos(m)、 sin(W)、 cos(to/)、 sin(to,)分别相乘，相乘的结果分别作为 低通滤波单元的输入。
所述的低通滤波单元由有源及无源滤波器实现，对上述数模混合乘法器 的输出进行滤波，提取直流分量，送采样保持单元。
所述的采样保持单元、多路采集单元及单片机控制单元和为一体，由带 采样保持器、多路开关和12位以上模/数转换器的单片机及外围电路组成， 实现采样保持、信号采样及数据处理等功能。
所述的键盘和液晶显示单元分别采用薄膜按键和点阵液晶显示器组成， 它们互相配合，实现参数的设置、测量的控制及测量结果的显示。
实施例3:
数模混合谐波分析仪，其组成包括取样传感器、辅助电源模块、测量 主板、键盘和液晶显示单元。被测量输入进所述的取样传感器，所述的取样 传感器与测量主板的信号调理单元模块连接，所述的辅助电源模块与测量主 板连接，所述的测量主板与键盘及液晶显示单元连接。
所述的数模混合谐波分析仪，其测量主板包括信号调理单元模块、程控
倍频锁相单元、数模混合乘法单元、低通滤波单元、采样保持单元、多路采 集单元和单片机控制单元。
所述的辅助电源模块采用开关电源电路将交流220伏电源转换为直流+5 伏和土12伏，为整个仪器提供直流电源。
所述的取样传感器采用电压互感器(或电流互感器)及放大器取样电路 实现对被测信号的取样。
所述的信号调理单元采用放大及有源滤波等实现对被测信号的变换，为 程控倍频锁相单元和数模混合乘法单元提供输入信号。
所述的程控倍频锁相单元由大规模可编程器件CPLD实现，产生的N倍频信号为数模混合乘法器的ROM提供低位地址，锁相环的倍频数N根据要分析 测量的谐波次数适当选定，以便产生严格同频或谐频的相互正交的标准
cos(Afttf) 、 sin(A:加)信号。
所述的数模混合乘法单元由12位并行输入的乘法型数/模(D/A)转换器 作为核心器件构成，被测信号Vx作为数/模(D/A)转换器的基准，实现被测 信号Vx与cos(纽)、sin(纽)、cosOt纽)、sin(&纽)分别相乘，相乘的结果分别作为 低通滤波单元的输入。
所述的低通滤波单元由有源及无源滤波器实现，对上述数模混合乘法器 的输出进行滤波，提取直流分量，送釆样保持单元。
所述的采样保持单元、多路采集单元及单片机控制单元和为一体，由带 釆样保持器、多路开关和12位以上模/数转换器的单片机及外围电路组成， 实现采样保持、信号采样及数据处理等功能。一
所述的键盘和液晶显示单元分别采用薄膜按键和点阵液晶显示器组成， 它们互相配合，实现参数的设置、测量的控制及测量结果的显示。
工作原理
利用模拟数字混合乘法器实现了最优相关滤波，可以在最大信噪比准则 下最大限度的滤除高次谐波和加性噪声的影响；采用对基波和谐波的正弦、 余弦分量同步采样的方法，可以消除调制性噪声对谐波含有率及相位的影响， 从而较理想的克服现场的干扰，使谐波分析结果更准确。由附图1可见，本 谐波分析仪由四路测量通道组成，其中，两个通道用于测量基波参数，称之 为基波通道，另两个通道用于测量谐波参数，称之为谐波通道。谐波通道的 数模混合乘法器的ROM中分区存有cos(/t欣)、sin(tor)的函数表，基波通道的 数模混合乘法器的ROM中分区存有每个周期内具有不同采样点数的cos(纽)、 sin(纽)函数表，基波通道的ROM分区与谐波通道的ROM分区相对应。高位 地址由单片机控制，以选取不同次谐波的波形数据。ROM向乘法型D/A转 换器的数据端传送cos(to) 、 sin(to)的函数值,D/A转换器的参考电压端^V接 入待测信号"W ，由乘法型D/A转换器完成数字量的标准信号cos(to/) 、 sin(to0 与模拟信号"(/)的数字模拟混合乘法运算。经过相乘、滤波后，得到直流信号— 1 ,
"。* =-"tosin(&)
由此可得k次谐波或基波的幅值和相位为:
=aK*2 + 2
& = arctan(》)
工作过程完成。
权利要求1.一种数模混合谐波分析仪，其组成包括取样传感器、辅助电源模块、测量主板、键盘和液晶显示单元，其特征是被测量内容输入进所述的取样传感器，所述的取样传感器与测量主板的调理单元模块连接，所述的辅助电源模块与测量主板连接，所述的测量主板与键盘及液晶显示单元连接。
2. 根据权利要求1所述的数模混合谐波分析仪，其特征是所述的测量 主板包括调理单元模块、程控倍频锁相单元、数模混合乘法单元、低通滤波 单元、采样保持单元、多路采集单元和单片机控制单元，所述的辅助电源模 块将交流220伏电源转换为直流+5伏和±12伏，为整个仪器提供直流电源； 所述的取样传感器实现对被测信号的取样；所述的信号调理单元实现对被测 信号的变换，为程控倍频锁相单元和数模混合乘法单元提供输入信号；所述 的程控倍频锁相单元产生的N倍频信号为数模混合乘法器的ROM提供低位 地址，锁相环的倍频数N根据要分析测量的谐波次数适当选定，以便产生严 格同频或谐频的相互正交的标准cos(A:纽)、sin(^0信号；所述的数模混合 乘法单元实现被测信号Vx与cos(W)、 sin(W)、 cos(;t纽)、sin(toO分别相乘， 相乘的结果分别作为低通滤波单元的输入；所述的低通滤波单元对上述数模 混合乘法器的输出进行滤波，提取直流分量，送采样保持单元；所述的采样 保持单元在单片机的控制下实现采样或保持；所述的多路采集单元对保持后 的信号依次进行采样，并送单片机控制单元进行数据处理。
专利摘要数模混合谐波分析仪，现有技术中为了解决FFT算法应用于谐波分析时存在的栅栏效应和泄漏现象，提出了很多加窗和插值的方法，在噪声情况下，即使采样同步，由于加性噪声的取样截断效应产生的频谱泄漏以及调制性噪声的影响，使上述FFT算法在现场使用效果并不理想。本产品组成包括取样传感器、辅助电源模块，被测量内容输入进所述的取样传感器，所述的取样传感器与测量主板的调理单元模块连接，所述的辅助电源模块与测量主板连接，所述的测量主板与键盘及液晶显示单元连接。本产品应用于实时分析、测量电网及非线性用电设备的谐波分量，掌握电网中谐波的含有率情况，特别适合于包含加性噪声和调制性噪声的场合。
文档编号G01R23/165GK201387450SQ200920098898
公开日2010年1月20日 申请日期2009年1月13日 优先权日2009年1月13日
发明者张礼勇, 林海军, 梁原华 申请人:哈尔滨理工大学