专利名称：一种单通道分时复用采样方法及其采样电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单通道分时复用采样方法及其采样电路，尤其是指应用于三相交
流系统的交流采样方法及其采样电路。
背景技术：
目前，在工业控制领域普遍使用的集散系统一般分为三级过程级、监控级和管理 信息级。集散系统是将分散于现场的以微机为基础的过程监测单元、过程控制单元、图文操 作站及主机(上位机)集成在一起的系统。它采用了局域网技术，将多个过程监控、操作站 和上位机互连在一起，使通信功能增强，信息传输速度加快，吞吐量加大，为信息的综合管 理提供了基础。在监控级中，现场输入/输出设备产生的信号通过控制网传送至主控设备， 主控设备安装预定的算法处理，向输入/输出设备发出控制命令。管理信息级位于上层，通 过系统网与现场控制站通信，交换信息。 交流采样装置位于输入/输出设备这一层，而在三相四线电力输送电网中，公知 的采样装置由三相采样电阻、放大器、采样保持电路、波形变换电路、A/D变换电路和单片机 组成。需要采样的综合电参数的原始信号有7个Ua、 Ub、 Uc、 Ia、 Ib、 Ic、 10，据此可计算出 多个电参数，其中常见的如功率(P/Q/S)、电能(Wh/varh)、功率因数(cos)、线电压(Vab/ Vbc/Vca)等，这些参数均为关联信号，需要两个或两个以上的信号进行关联采样。
现有的交流采样技术(多通道)存在以下缺点第一，原始信号有7个，就需要7 个通道，每个通道都需要与之相应的放大电路和抗混叠滤波电路，这样会造成输入电路复 杂；第二，通道间存在难以消除的离散性以及测量多路关联信号时异步采样所导致的测量 结果不精确都会给交流采样带来一定的影响，使得测量结果出现较大偏差；第三，输入信号 多，元器件的工作状态往往发生较大变化，会发生一系列漂移，不可避免的产生难以修正的 误差，造成仪表无法继续正常使用；第四，可以实现信号多级放大，如果多通道要实现这样 的功能，就需要每个通道都加多级放大电路，使硬件电路更加复杂。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种采样方法及其采样电路，保证采 样的信号实时、准确、精度高、可靠性强，设计趋于简单化。 本发明解决现有技术的技术方案是一种单通道分时复用采样方法，其步骤如下
步骤1，多路原始信号通过由单片机控制的模拟开关后变为单通道信号；
步骤2，单通道信号输出端接放大电路放大信号；
步骤3，放大电路的输出端接滤波电路滤除高频信号； 步骤4，滤波电路的输出端接带A/D的单片机对采样信号进行采样和计算。
步骤4中单片机的对采样信号进行采样和计算的程序包括采样程序和计算程序。
软件程序的主程序是信号进入单片机后，启动采样程序，由程序判断分时采集数 据是否结束，如果采样未结束，则继续分时采集数据，如果采样结束，则根据采集数据计算电路电压的有效值，并根据电流电压值选择放大倍数程序，然后再计算功率、功率因数等参 数。在计算程序中，单片机把采样数据根据公式，计算电流、电压、功率、频率等参数，计算完 成后返回分时采样数据程序继续对下一组信号进行采集计算，如此循环。
其中，判断分时采样程序是否结束时，需启用Tl中断程序。Tl中断程序依次由中 断程序入口、定时触发A/D和中断出口程序组成，A/D中断程序用来判断分时采样数据是否 结束。单片机进入A/D中断入口程序后，首先保存采样数据，然后判断该相电流电压采样是 否结束，如果是，则置采样结束标志，并选择下一相电压电流通道，由中断出口程序进入主 程序循环，如果采样未结束，则由程序判断是电压信道还是电流信道，如果是电压信道，则 选择电流信道并选择放大倍数，如果是电流信道，则选择电压信道并选择放大倍数，最终由 中断出口程序结束中断程序进入主程序循环。 —种应用单通道分时复用采样方法的单通道分时复用采样电路，依次由模拟开关 Ul、可编程放大电路、抗混叠滤波电路和带A/D的单片机U5连接组成，带A/D的单片机U5 控制模拟开关U1和可编程放大电路。多路电流电压强电信号由互感器转化成弱电信号进 入模拟开关Ul，模拟开关Ul的二进制输入端A、 B、 C在带A/D的单片机U5控制下，使得原 始信号Ua、Ub、Uc、 Ia、 Ib、 Ic、 10在模拟开关Ul的各通道有序导通， 一次只采集同相电流电 压信号，原始信号变为单通道信号送至可编程放大电路输入端口。可编程放大电路由正常 信号放大电流及弱信号放大电路顺次连接而成，正常信号放大电路包括运算放大器U3及 由电阻组成的外围电路，弱信号放大电路包括运算放大器U4、模拟开关U2及由电阻组成的 外围电路。多路弱信号进入可编程放大电路后，带A/D的单片机U5根据上次采样值控制模 拟开关U2选择放大倍数，实现小信号分级别放大，而干扰源并没有得到放大，提高了小信 号的采样精度。经过分级放大的信号输出端与抗混叠滤波电路相接，滤除高频信号。抗混 叠滤波电路由电阻R7、电容C5组成。滤除高频的信号后送至单片机U5的A/D端口进行采 样。 与现有技术相比，本发明的有益效果为第一，该方法采用单通道代替多通道，更 加简洁化；第二，由该方法设计出的一种单通道分时复用电路，将原有技术的多通道电路改 为单通道电路，分时复用，大大简化了电路；第三，多通道改为单通道后，避免了通道间的离 散型，减少了由于测量多路关联信号时异步采样所导致的不精确；第四，分时采集数据程 序、计算电流电压有效值并根据电流电压值选择放大倍数、计算功率、功率因数、频率等参 数程序，提高了测量的精确度。
图1是本发明采样程序的主程序图；
图2是本发明采样程序的Tl中断程序图；
图3是本发明采样程序的A/D中断程序图
图4是本发明的原理框图；
图5是本发明的电路原理图；。
具体实施例方式
本发明的设计方案在于克服现有技术的不足，提供一种单通道分时复用采样方法来代替现有技术的多通道采样方法，并根据该方法设计出一种单通道分时复用采样电路，以保证采样的信号实时、精确度高、可靠性强，使设计趋于简单化。下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明的技术特征及优点进行更深入的诠释。
—种单通道分时复用采样方法，其步骤如下 步骤1，多路原始信号通过由单片机控制的模拟开关后变为单通道信号；
步骤2，单通道信号输出端接放大电路放大信号；
步骤3，放大电路的输出端接滤波电路滤除高频信号； 步骤4，滤波电路的输出端接带A/D的单片机对采样信号进行采样和计算。
步骤4中单片机的对采样信号进行采样和计算的程序包括采样程序和计算程序。
如图1所示，软件程序的主程序是信号进入单片机后，启动采样程序，由程序判断分时采集数据是否结束，如果采样未结束，则继续分时采集数据，如果采样结束，则根据采集数据计算电路电压的有效值，并根据电流电压值选择放大倍数程序，然后再计算功率、功率因数等参数。在计算程序中，单片机把采样数据根据公式，计算电流、电压、功率、频率等参数，计算完成后返回分时采样数据程序继续对下一组信号进行采集计算，如此循环。
其中，判断分时采样程序是否结束时，需启用Tl中断程序。如图2，中断程序依次由中断程序入口 、定时触发A/D和中断出口程序组成。如图3所示的A/D中断程序，判断分时采样数据是否结束，进入中断入口程序，首先保存采样数据，然后判断该相电流电压采样是否结束，如果是，则置采样结束标志，并选择下一相电压电流通道，至中断出口程序进入主程序循环，如果采样未结束，则由程序判断是电压信道还是电流信道，如果是电压信道，则选择电流信道并选择放大倍数，如果是电流信道，则选择电压信道并选择放大倍数，最终由中断出口程序结束中断程序进入主程序循环。 下面对计算程序进一步说明。采样结束后，根据采集数据计算电路电压的有效值，并根据电流电压值选择放大倍数程序，然后再计算功率、功率因数等参数。在计算程序中，单片机把采样数据根据下面公式，计算电流、电压、功率、频率等参数。
1、有效值计算 t/《Y务;":《1> ;《 <2) 式中，N——每个周期均匀的采样点数 Ui——第i点的电压采样值 h——第i点的电流采样值 Ku——电压有效值的综合转换系数，是定值 &——电流有效值的综合转换系数，是定值 2、功率计算 F《K+2^"
<formula>formula see original document page 6</formula> 式中，i为第i+N/4次电流采样值。当i+N/4大于N时，i取为i_3N/4。可以证明
当N > 3时，按式(1) 、 (2) 、 (3) 、 (4)式计算将不产生离散化计算误差。 在采样时，因为不是同时采样，所以不能直接相乘，根据复化梯形算法
<formula>formula see original document page 6</formula>采样Ui时刻的电流值Ii二 (Ii+I(i+l))/2，也就是Ui时刻的电 2" .... A=i 一 .
流等于相邻两次电流值的平均。同理，三相功率P、Q的算式如下
<formula>formula see original document page 6</formula> 由此计算采样信号的电流电压有效值相对于多通道采样信号更具有实时性、精确 性、可靠性。 —种应用单通道分时复用采样方法的单通道分时复用采样电路的原理框图如图4 所示，电路依次由模拟开关U1、可编程放大电路、抗混叠滤波电路、带A/D的单片机U5连接 组成，带A/D的单片机U5控制模拟开关Ul和可编程放大电路。带A/D的单片机U5控制模 拟开关U1和可编程放大电路，模拟开关U1的各通道开关在带A/D的单片机U5的控制下有 序导通， 一次只采集同相电流电压信号，改原始信号为单通道信号，单通道信号进入可编程 放大电路放大信号，然后由抗混叠滤波电路滤除高频信号，送至带A/D的单片机U5采样，完 成对信号的采样。 下面结合电路原理图进一步说明，如图5。多路电压电流强电信号由互感器转化 成弱电信号，带A/D的单片机U5控制的二进制输入端A、B、C，使得原始信号Ua、Ub、Uc、 Ia、 Ib、Ic、IO在模拟开关Ul的各通道有序导通，一次只采集同相电流电压信号，同相电流电压 信号分别采样64点，原始信号变为单通道信号送至可编程放大电路输入端口。单片机定时 器T1每隔(电网周期/128)时间控制一次模拟开关U1，使该相电压、电流信号交替经过模 拟开关Ul进入可编程放大电路。 可编程放大电路由正常信号放大电流及弱信号放大电路顺次连接而成，正常信号 放大电路包括运算放大器U3及由电阻组成的外围电路，弱信号放大电路包括运算放大器 U4、模拟开关U2及由电阻组成的外围电路。多路弱信号进入可编程放大电路后，因为单片 机A/D精度有限，测量小信号精度低，为了提高精度，单片机根据上次电压电流的有效值控 制U2选择合适的放大倍数，实现小信号分级别放大，而干扰源并没有得到放大，提高了小 信号的采样精度。 经过分级放大的信号输出端与抗混叠滤波电路相接，滤除高频信号。抗混叠滤波 电路由电阻R7、电容C5组成。这个电路主要功能是滤除采样频率以上的高频信号，避免高 频信号对有效测量信号影响。 电流电压信号滤除高频信号后送至单片机U5的A/D端口进行采样和计算电压电流的有效值。
权利要求
一种单通道分时复用采样方法，其步骤如下步骤1，多路原始信号通过由单片机控制的模拟开关后变为单通道信号；步骤2，单通道信号输出端接放大电路放大信号；步骤3，放大电路的输出端接滤波电路滤除高频信号；步骤4，滤波电路的输出端接带A/D的单片机对采样信号进行采样和计算。
2. 根据权利要求1所述的一种单通道分时复用采样方法，其特征在于步骤4所述的单片机对采样信号进行采样和计算的程序包括采样程序和计算程序。
3. 根据权利要求2所述的一种单通道分时复用采样方法，其特征在于所述的采样程 序由主程序、Tl中断程序和A/D中断程序组成，主程序中判断采集数据是否结束时进入Tl 中断程序，而T1中断程序包括A/D中断程序。
4. 根据权利要求2所述的一种单通道分时复用采样方法，其特征在于所述的计算程序根据采集数据计算电流电压的有效值，并根据电流电压值选择放大倍数程序，然后再计 算功率、功率因数等参数。
5. —种应用权利1-4中任一项所述方法的单通道分时复用采样电路，其特征在于由 依次连接的模拟开关、可编程放大电路、抗混叠滤波电路、带A/D端口的单片机组成，带A/D 的单片机U5控制模拟开关Ul和可编程放大电路，模拟开关Ul的各通道开关在带A/D的单 片机U5的控制下有序导通， 一次只采集同相电流电压信号，改原始信号为单通道信号，单 通道信号进入可编程放大电路放大信号，然后由抗混叠滤波电路滤除高频信号，送至带A/D 的单片机U5采样，完成对信号的采样。
6. 根据权利要求5所述的一种单通道分时复用采样电路，其特征在于模拟开关U1由 芯片IC1组成，带A/D的单片机U5控制模拟开关Ul的二进制输入端A、B、C，使得原始信号 Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic、IO在模拟开关Ul的各通道有序导通， 一次只采集同相电流电压信号，原始信号变为单通道信号。
7. 根据权利要求6所述的一种单通道分时复用采样电路，其特征在于所述的单通道信号输出端接可编程放大电路实现分级放大，可编程放大电路由正常信号放大电流及弱信 号放大电路顺次连接而成，正常信号放大电路包括运算放大器U3及由电阻组成的外围电 路，弱信号放大电路包括运算放大器U4、模拟开关U2及由电阻组成的外围电路。
8. 根据权利要求7所述的一种单通道分时复用采样电路，其特征在于所述的经过分 级放大的信号输出端与抗混叠滤波电路连接，滤除高频信号，抗混叠滤波信号电路由电阻 R7、电容C5组成。
9. 根据权利要求8所述的一种单通道分时复用采样电路，其特征在于所述的经过滤 波的信号输出端与带A/D单片机U5连接，实现对信号的采样和计算。
全文摘要
本发明所公开的一种单通道分时复用采样方法，其步骤如下1，多路原始信号通过由单片机控制的模拟开关后变为单通道信号；2，单通道信号输出端接放大电路放大信号；3，放大电路的输出端接滤波电路滤除高频信号；4，滤波电路的输出端接带A/D的单片机对采样信号进行采样和计算。该方法借助一种单通道分时复用采样电路实现，采样电路依次由模拟开关、可编程放大电路、抗混叠滤波电路和带A/D的单片机连接组成，带A/D的单片机控制模拟开关和可编程放大电路。本发明克服了现有采样方法的多通道化，巧妙地采用单通道代替多通道，并根据该方法设计出一种单通道分时复用采样电路，从而提高了采样信号的实时性、精确性、可靠性。
文档编号G01R21/00GK101726658SQ201010019359
公开日2010年6月9日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者李桂友, 汤晓宇, 邓大智, 龙斌 申请人:河源市雅达电子有限公司