基于IR46标准的三相电能表检定装置功率源的制作方法

本发明属于交流电能表检测设备技术领域，具体地说是一种基于ir46标准的三相电能表检定装置功率源。

背景技术：

目前我国正在积极推进ir46标准转化工作，新的gb/t17215系列标准和电能表jjf1245型式评价大纲相继报批，各个电能表生产厂家也正在积极研制ir46相关样表；根据对ir46电能表相关标准和规范的解读，ir46有功电能表与现行国网智能电能表存在较大差异，如电能表等级定义不同、电流定义不同、误差试验不同以及潜起动测试项目不同等，同时还增加了多种谐波、方波和尖顶波等波形影响量测试项目。

目前使用的交流电能表检定装置大多不具备ir46测试条件，无法完全满足ir46有功电能表检测需要，特别是小电流输出精度和谐波输出这两块。为此，有必要设计一种新的交流电能表检定装置功率源，提升小电流输出性能和各种谐波、方波、尖顶波等波形输出准确度，满足ir46电能表性能测试和功能测试要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于ir46标准的三相电能表检定装置功率源，以提升小电流输出性能和各种谐波、方波、尖顶波等波形输出准确度，满足ir46电能表性能测试和功能测试要求。

为此，本发明采用如下的技术方案：基于ir46标准的三相电能表检定装置功率源，其包括人机界面控制单元、三相信号源、电压功率放大器、电流功率放大器和可调节工作电源；

所述的三相信号源包括数据处理单元、第一通讯单元、电压信号双d/a转换电路、电压模拟调理电路、电流信号双d/a转换电路和电流模拟调理电路；

所述数据处理单元的一端与电压信号双d/a转换电路和电流信号双d/a转换电路相连，另一端与人机界面控制单元内部通讯电路相连，接收人机界面控制单元的控制命令，数据处理单元通知电压信号双d/a转换电路和电流信号双d/a转换电路产生相应的离散小信号，电压信号双d/a转换电路输出端与电压模拟调理电路输入端相连，电流信号双d/a转换电路输出端与电流模拟调理电路输入端相连；

电压模拟调理电路输出端与电压功率放大器中的第一前置放大电路输入端相连，电流模拟调理电路输出端与电流功率放大器中的第二前置放大电路输入端相连，数据处理单元通过第一通讯单元分别与电压功率放大器和电流功率放大器中的第二通讯单元、第三通讯单元输入端相连，通过接收功率放大器中输出反馈信息实时调整模拟信号输出；

可调节工作电源输出端分别与电压功率放大器中的第一功率放大电路和电流功率放大器中的第二功率放大电路一端相连，为功率放大电路提供可变工作电源，确保功率放大器工作稳定可靠。

本发明通过电压、电流信号双d/a转换电路和模拟调理电路可产生正弦波、次谐波、奇次谐波、高次谐波、方波和尖顶波等交流模拟小信号。

本发明的三相信号源，可数字调幅、调相和调频，通过数字合成技术可输出正弦波、谐波、次谐波、奇次谐波、方波和尖顶波等多种波形，各种波形可程控输出。本发明的可调节工作电源，通过检测负载变化实时调整功率放大器工作电源输出幅值，降低管压降，减少发热，提高放大器可靠性。

进一步地，所述的电压功率放大器包括第一前置放大电路、第一功率放大电路、隔离升压单元、电压输出单元、第一硬件反馈电路、第一信号采样电路、第一数字pid调节电路和第二通讯单元；

第一前置放大电路输入端接收电压模拟调理电路的输出模拟信号，第一前置放大电路输出端与第一功率放大电路输入端相连，第一功率放大电路输出端与隔离升压单元输入端相连，电压输出单元输入端与隔离升压单元输出端相连，第一硬件反馈电路输入端与隔离升压单元输出端相连，第一硬件反馈电路输入端与第一功率放大电路输入端相连，电压输出单元输出端与第一信号采样电路输入端相连，第一信号采样电路输出端与第一数字pid调节电路输入端相连，第一数字pid调节电路输出端分别与第二通讯单元和第一功率放大电路一端相连，通过第一数字pid调节电路调节和反馈确保电压输出稳定、准确。本发明的电压功率放大器，通过硬件反馈和数字pid调节电路，确保电压源输出准确度高，稳定度好，满足ir46测试要求。

第一数字pid调节电路实时处理采集信号数据，计算出电压输出信号的幅值和相位后，由cpu通过调节内部数字电位器对电压功率放大器进行数字调节输出，确保电压输出稳定，所述的第一数字pid调节电路与第二通讯单元相连，通过第二通讯单元与三相信号源交互电压输出信息，实时调整电流模拟小信号输出。

进一步地，所述的电流功率放大器包括第二前置放大电路、第二功率放大电路、隔离升流单元、电流输出单元、第二硬件反馈电路、第二信号采样电路、第二数字pid调节电路和第三通讯单元；

第二前置放大电路输入端接收电流模拟调理电路的输出模拟信号，第二前置放大电路输出端与第二功率放大电路输入端相连，第二功率放大电路输出端与隔离升流单元输入端相连，电流输出单元输入端与隔离升流单元输出端相连，第二硬件反馈电路输入端与隔离升流单元输出端相连，第二硬件反馈电路输入端与第二功率放大电路输入端相连，电流输出单元输出端与第二信号采样电路输入端相连，第二信号采样电路输出端与第二数字pid调节电路输入端相连，第二数字pid调节电路输出端分别与第三通讯单元和第二功率放大电路一端相连，通过第二数字pid调节和反馈确保电流输出稳定、准确。本发明的电流功率放大器，通过硬件反馈和数字pid调节电路，确保电流源输出准确度高，稳定度好，满足ir46测试要求。

第二数字pid调节电路实时处理采集信号数据，计算出电流输出信号的幅值和相位后，由cpu通过调节内部数字电位器对电流功率放大器进行数字调节输出，确保电流输出稳定，所述的第二数字pid调节电路与第三通讯单元相连，通过第三通讯单元与三相信号源交互电流输出信息，实时调整电压模拟小信号输出。

进一步地，所述的可调节工作电源包括cpu控制单元、电压输出回路负载检测电路、第一模拟信号调节电路、第一可控开关电源、电流输出回路负载检测电路、第二模拟信号调节电路和第二可控开关电源；

电压输出回路负载检测电路输入端与电压功率放大器中的电压输出单元输出端相连，对电压输出回路负载进行实时检测，电流输出回路负载检测电路输入端与电流功率放大器中的电流输出单元输出端相连，对电流输出回路负载进行实时检测，cpu控制单元输入端分别与电压输出回路负载检测电路和电流输出回路负载检测电路输出端相连，cpu控制单元输出端分别与第一模拟信号调节电路和第二模拟信号调节电路输入端相连，第一模拟信号调节电路和第二模拟信号调节电路输出端分别与第一可控开关电源和第二可控开关电源输入端相连，第一可控开关电源输出端与第一功率放大电路输入端相连，第二可控开关电源输出端与第二功率放大电路输入端相连，cpu控制单元根据电压、电流输出回路负载变化实时调整模拟信号输出，达到控制开关电源输出效果。

进一步地，所述的三相电能表检定装置功率源还包括提供给人机界面控制单元和三相信号源工作电压的辅助电源单元。

进一步地，所述的三相电能表检定装置功率源还包括显示单元、键盘单元和通讯单元，所述的人机界面控制单元分别与显示单元、键盘单元和通讯单元相连；

人机界面控制单元通过键盘单元设置电压和电流输出参数，并在显示单元上显示。

进一步地，人机界面控制单元通过通讯单元与pc机端相连，通过pc机端发送命令，经过三相信号源、电压功率放大器和电流功率放大器输出幅值、相位和频率可调的交流电压和电流信号。

进一步地，所述的三相信号源中，所述的电压信号双d/a转换电路和电流信号双d/a转换电路均采用ad5547高速转换芯片，通过双16位实现24位输出，可提高电压、电流输出分辨率；数据处理单元采用stm32f40732处理器，数据处理快，可确保电压、电流模拟小信号同步输出。

进一步地，所述的第一通讯单元与数据处理单元之间设有高速光耦进行隔离。

进一步地，所述的人机界面控制单元包括arm主控板、键盘板和液晶显示屏，通过键盘板设置功率源输出参数并通过液晶显示屏进行状态显示。

进一步地，cpu控制单元采用stm32f207，通过cpu内部d/a和a/d资源，检测负载变化实时调整可控开关电源电压输出，确保功率管处于最佳工作状态。

本发明通过数字信号合成技术、线性功率放大技术和高精度电量采样技术产生一种失真度小、功率输出稳定高的交流功率源，配合其他部件以及自动测试软件实现对ir46电能表全自动检测。

本发明提升了小电流输出性能和各种谐波、方波、尖顶波等波形输出准确度，满足了ir46电能表性能测试和功能测试要求。

附图说明

图1是本发明三相电能表检定装置功率源的原理框图；

图2是本发明可调节工作电源的原理框图。

图1标记包括：1-人机界面控制单元；2-显示单元；3-键盘单元；4-通讯单元；5-三相信号源；51-数据处理单元；52-第一通讯单元；53-电压信号双d/a转换电路；54-电压模拟调理电路；55-电流信号双d/a转换电路；56-电流模拟调理电路；6-电压功率放大器；61-第一前置放大电路；62-第一功率放大电路；63-隔离升压单元；64-电压输出单元；65-第一硬件反馈电路；66-第一信号采样电路；67-第一数字pid调节电路；68-第二通讯单元；7-电流功率放大器；71-第二前置放大电路；72-第二功率放大电路；73-隔离升流单元；74-电流输出单元；75-第二硬件反馈电路；76-第二信号采样电路；77-第二数字pid调节电路；78-第三通讯单元；8-可调节工作电源。

图2标记包括：6-电压功率放大器；7-电流功率放大器；8-可调节工作电源；81-cpu控制单元；82-电压输出回路负载检测电路；83-第一模拟信号调节电路；84-第一可控开关电源；85-电流输出回路负载检测电路；86-第二模拟信号调节电路；87-第二可控开关电源。

具体实施方式

本发明提供了一种基于ir46标准的三相电能表检定装置功率源，下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。

参见附图的图1，图1示出了所述三相电能表检定装置中功率源的工作原理。所述三相电能表检定装置功率源，其由人机界面控制单元1、显示单元2、键盘单元3、通讯单元4、三相信号源5、电压功率放大器6、电流功率放大器7、可调节工作电源8以及提供给人机界面控制单元和三相信号源工作电压的辅助电源单元组成。

三相信号源5由数据处理单元51、第一通讯单元52、电压信号双d/a转换电路53、电压模拟调理电路54、电流信号双d/a转换电路55和电流模拟调理电路56组成；数据处理单元51一端与电压信号双d/a转换电路53和电流信号双d/a转换电路55相连，另一端与人机界面控制单元1内部通讯电路相连，接收人机界面控制单元1的控制命令，通知电压信号双d/a转换电路53和电流信号双d/a转换电路55产生相应的离散小信号，电压信号双d/a转换电路53输出端与电压模拟调理电路54输入端相连，电流信号双d/a转换电路55输出端与电流模拟调理电路56输入端相连，电压模拟调理电路54输出端与电压功率放大器6中的第一前置放大电路61输入端相连，电流模拟调理电路56输出端与电流功率放大器7中的第二前置放大电路71输入端相连，数据处理单元51通过第一通讯单元52分别与电压功率放大器6和电流功率放大器7中的第二通讯单元68、第三通讯单元78输入端相连，通过接收功率放大器中输出反馈信息实时调整模拟信号输出。

电压功率放大器6由第一前置放大电路61、第一功率放大电路62、隔离升压单元63、电压输出单元64、第一硬件反馈电路65、第一信号采样电路66、第一数字pid调节电路67和第二通讯单元68组成；第一前置放大电路61输入端与三相信号源5中的电压模拟调理电路54相连，接收电压模拟调理电路54的输出模拟信号，第一前置放大电路61输出端与第一功率放大电路62输入端相连，第一功率放大电路62输出端与隔离升压单元63输入端相连，电压输出单元64输入端与隔离升压单元63输出端相连，第一硬件反馈电路65输入端与隔离升压单元63输出端相连，第一硬件反馈电路65输入端与功率放大电路62输入端相连，电压输出单元64输出端与第一信号采集单元66输入端相连，第一信号采集单元66输出端与第一数字pid调节电路67输入端相连，第一数字pid调节电路67输出端分别与第二通讯单元68和第一功率放大电路62一端相连，通过数字pid调节和反馈确保电压输出稳定、准确。

电流功率放大器7由第二前置放大电路71、第二功率放大电路72、隔离升流单元73、电流输出单元74、第二硬件反馈电路75、第二信号采样电路76、第二数字pid调节电路77和第三通讯单元78组成；第二前置放大电路71输入端与三相信号源5中的电流模拟调理电路56相连，接收电流模拟调理电路56的输出模拟信号，第二前置放大电路71输出端与第二功率放大电路72输入端相连，第二功率放大电路72输出端与隔离升流单元73输入端相连，电流输出单元74输入端与隔离升流单元73输出端相连，第二硬件反馈电路75输入端与隔离升流单元73输出端相连，第二硬件反馈电路75输入端与第二功率放大电路72输入端相连，电流输出单元74输出端与第二信号采集电路76输入端相连，第二信号采集电路76输出端与第二数字pid调节电路77输入端相连，第二数字pid调节电路77输出端分别与第三通讯单元78和第二功率放大电路72一端相连，通过数字pid调节和反馈确保电流输出稳定、准确。

如图2所示，可调节工作电源8由cpu控制单元81、电压输出回路负载检测电路82、第一模拟信号调节电路83、第一可控开关电源84、电流输出回路负载检测电路85、第二模拟信号调节电路86和第二可控开关电源87组成，电压输出回路负载检测电路82输入端与电压功率放大器6中的电压输出单元64输出端相连，对电压输出回路负载进行实时检测，电流输出回路负载检测电路85输入端与电流功率放大器7中的电流输出单元74输出端相连，对电流输出回路负载进行实时检测，cpu控制单元81输入端分别与电压输出回路负载检测电路82和电流输出回路负载检测电路85输出端相连，cpu控制单元81输出端分别与第一模拟信号调节电路83和第二模拟信号调节电路86输入端相连，第一模拟信号调节电路83和第二模拟信号调节电路86输出端分别与第一可控开关电源84和第二可控开关电源87输入端相连，第一可控开关电源84输出端与电压功率放大器6中第一功率放大电路62输入端相连，第二可控开关电源87输出端与电流功率放大器7中第二功率放大电路72输入端相连，通过检测电压、电流输出回路负载变化实时调整可控开关电源输出。

人机界面控制单元1分别与显示单元2、键盘单元3和三相信号源5中数据处理单元51相连；人机界面控制单元1通过键盘单元3可设置电压、电流输出参数包括幅值、相位、频率和波形类型等，并在显示单元2上显示，人机界面控制单元1通过通讯单元4与pc机端相连，通过pc机端发送命令，经过三相信号源5、电压功率放大器6和电流功率放大器7输出幅值、相位和频率可调的交流电压、电流信号。

本实施例中，三相信号源采用了高速arm处理器（即数据处理单元）、低温度系数电压基准的并行d/a转换芯片（即电压信号双d/a转换电路和电流信号双d/a转换电路）、精密电阻以及精密运算放大器（即电压模拟调理电路和电流模拟调理电路）；每路信号中的d/a转换芯片采用ad5547双16位高速转换芯片，通过精密电阻取样网络和低温漂精密运算放大器电路可实现d/a24位输出，大大提高模拟信号输出性能，幅值输出分别率可达千万分之一，相位输出分别率可达0.001º；arm处理器采用st公司32位stm32f407处理器，主频高达160mhz，每个周波抽取1800个离散点，六路波形同时发生，几乎不存在延时；电压基准芯片（电压信号双d/a转换电路和电流信号双d/a转换电路）采用adr421，拥有极低的噪声和极小的温度系数，运用低温漂运算放大器，信号输出稳定；高速arm处理器和双16位d/a技术的运用，可大大提高数字波形点数和分辨率，使得数摸转换过程中模拟信号输出更加稳定，分辨率高，失真度小，完全满足ir46谐波试验要求和小电流性能测试需求。

本实施例中，功率放大电路采用线性功率放大器原理，利用增益可编程功率放大器（即前置放大电路）、高精度低温漂运算放大器（即功率放大电路）、闭环交流硬件反馈电路（即硬件反馈电路），使得整个电路具备较高的频率响应和负载调整率，确保信号输出稳定；通过信号采样电路和数字pid调节电路，实时计算电压、电流功率放大器中输出信号的幅值和相位，数字pid调节电路中的cpu通过调节内部数字电位器实时调整功率放大电路参数，同时数字pid调节电路与三相信号源中的数据处理单元进行信息交互，将采集到电压、电流输出的电压幅值、相位传递给信号源，信号源根据设定值与实际输出实时调整模拟小信号输出，确保输出信号稳定准确输出；对于在非正弦波波形状态下输出的电压电流信号，数字pid调节电路采用快速fft算法计算基波以及各次谐波的幅值和初相角，并与信号源设定值进行比较计算出基波、各次谐波含量误差和相位误差，然后通知信号源对谐波小信号进行修正，确保通过功率放大器放大后的各种谐波、次谐波、奇次谐波、方波和尖顶波输出试验要求。

本实施例中，电压、电流功率放大器中的工作电源采用可调节工作电源，可控开关电源采用华为3kva开关电源，可调节输出，性能稳定，输出可靠；cpu控制单元采用stm32f207芯片，利用芯片自身的a/d对功率管管压降进行检测，并通过检测结果由自身d/a输出模拟小信号控制开关电源输出，可确保无论输出电压、电流多大外接负载多少，功率管管压降始终维持在一个相对恒定的水平，从而可以保证功率管无论在空载或满载负荷条件下发热量保持一致，提高功率管工作可靠性；完善的过压、过流和过热保护电路可确保功率元器件在极端情况下不被损坏，大大提高整个设备的可靠性。

本实施例中，通讯单元包括与上位机通信的rs232、rs485和与人机界面控制单元通信的rs232，第一通讯单元52与数据处理单元51之间设有高速光耦进行隔离。

本发明的三相信号源采用arm处理器和双16位a/d转24位技术，实现六路信号同步输出，幅值输出分辨率达到千万分之一，相位输出幅值输出分辨率达到千0.001º；电压、电流功率放大器采用线性功率放大器原理，配合硬件反馈电路和数字pid调节电路可确保电压、电流输出稳定、准确，线性度好，波形失真度小；可调开关电源和负载实时检测的运用，使得线性功率放大器带载能力和可靠性大大提高，解决了线性放大器带载弱的问题；通过上述相关技术的应用，功率源稳定度达到0.01%以内，波形失真度小于0.1%，电压、电流输出准确度达到0.05%，电流回路带载能力达到2kva以上，1ma小电流输出性能也大大提高，可完成满足ir46小电流测试要求。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。