專利名稱：不受諧波影響的伏安相位表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電工測(cè)量?jī)x表，具體地說是測(cè)量電參數(shù)的伏安相位表。
背景技術(shù)：
目前使用較為普遍的SMG2000等傳統(tǒng)的雙鉗伏安相位表，是繼電保護(hù)工、校表工和線路 裝修工的通用測(cè)量工具。該儀表相位測(cè)量部分的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩路放大器、 兩路比較器、相位差識(shí)別、A/D轉(zhuǎn)換器和微控制器組成。該儀表需要硬件電路來識(shí)別相位的 信號(hào)，其測(cè)量相位的原理是，兩路輸入信號(hào)IN1和IN2，分別經(jīng)過放大器和比較器識(shí)別出信 號(hào)的過零點(diǎn)，即將信號(hào)以零點(diǎn)為邊沿轉(zhuǎn)換成矩形波，信號(hào)的正半周為矩形波的高電平，信號(hào) 的負(fù)半周為矩形波的低電平。兩路矩形波相鄰下降沿之間的時(shí)間差為兩路信號(hào)的相位差；然 后由相位差識(shí)別電路將時(shí)間形式的相位差轉(zhuǎn)化為模擬形式的電壓值；再由處理器通過A/D轉(zhuǎn) 換器采集電壓信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換得到信號(hào)的相位差值。即，該電路測(cè)量相位的關(guān)鍵是使用硬件 電路中的比較器來識(shí)別兩路信號(hào)的過零點(diǎn)。在輸入信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波時(shí)，過零點(diǎn)識(shí)別不會(huì)有 問題，但是，當(dāng)輸入信號(hào)中諧波含量較大時(shí)，信號(hào)的過零點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在半個(gè)周期 內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)過零點(diǎn)，導(dǎo)致該電路無法正確測(cè)量相位。故此，傳統(tǒng)的雙鉗伏安相位表在諧波影 響嚴(yán)重時(shí)，無法準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)的相位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改進(jìn)傳統(tǒng)儀表存在的不足，提供不受諧波影響的伏安相位表。 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的主要由互感器、IA轉(zhuǎn)換器、可編程放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制
器和液晶屏構(gòu)成?；ジ衅饔脕磙D(zhuǎn)換信號(hào)，將被測(cè)的電壓或電流信號(hào)按一定的比例轉(zhuǎn)換為電流
信號(hào)，并使被測(cè)信號(hào)與轉(zhuǎn)換后的信號(hào)電氣隔離，該互感器也可以用電阻來代替；1/V轉(zhuǎn)換器， 用來將互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；可編程放大器由放大器與數(shù)字電位器構(gòu)成， 用來放大輸入信號(hào)，使之滿足A/D轉(zhuǎn)換后計(jì)算精度的要求；微控制器負(fù)責(zé)控制可編程放大器 的增益調(diào)節(jié)和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集，還用于計(jì)算輸入信號(hào)頻率、控制采樣頻率和計(jì)算相 位；最后由液晶屏顯示處理結(jié)果。
本發(fā)明的工作原理是兩路被測(cè)信號(hào)經(jīng)過各自的互感器后，通過I/V轉(zhuǎn)換器將電流信號(hào) 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后使用可編程放大器進(jìn)行放大；再由微控制器控制A/D轉(zhuǎn)換器分別對(duì)兩 路放大后的信號(hào)進(jìn)行采樣、計(jì)算，得到兩路信號(hào)的頻率和可編程放大器的增益設(shè)置值；隨后 由微控制器改變兩路可編程放大器的增益，并再次控制A/D轉(zhuǎn)換器分別對(duì)兩路放大后的信號(hào) 進(jìn)行采樣；最后微控制器采用快速傅立葉變換方法對(duì)采樣值進(jìn)行處理，得到兩路信號(hào)的相位差值。
微控制器涉及到的特殊算法說明 1.頻率算法推導(dǎo)過程。
考慮被測(cè)周期信號(hào)x (t)不含諧波情況下如何由 一組采樣數(shù)據(jù)計(jì)算出它的實(shí)際頻率f 。。假設(shè)x (t)為正弦波，且Px(t)"in(2nf。t+0)。如杲已知被測(cè)頻率f(j約等于某個(gè)確定的頻率f，即fff+A f，lAfl《f。，令
<formula>formula see original document page 4</formula>計(jì)算可得
其中S-nAfT。 由式(4),
式(5)可得
<formula>formula see original document page 4</formula>①
②
③
④
其中0為對(duì)應(yīng)積分區(qū)間中間(即{ = 0)處被測(cè)信號(hào)的相位。將式(2)，式(3)離散化，得到-
<formula>formula see original document page 4</formula>上兩式中，KTS = 2T。若釆樣頻率足夠高，R'與R接近， (S)算出
與I接近。于是，可由式(7)、式
<formula>formula see original document page 4</formula>⑨
連續(xù)釆樣M個(gè)周期(此處周期為T，而非被測(cè)信號(hào)的實(shí)際周期)，且MT〈0.5/lMl，這樣可以保
證第M個(gè)周期中間處的相位eM與第i個(gè)周期中間處的相位e之差小于n.由式(9)計(jì)算出^和^，則
可得出被測(cè)信號(hào)的頻率為
<formula>formula see original document page 4</formula>
上述分析中未考慮被測(cè)信號(hào)含諧波的情況。其實(shí)，由于f約等于f。，也就有釆樣窗口接近于被 測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，因此諧波成份對(duì)式(2)和式(3)積分的結(jié)杲影響不大，所以在被測(cè)信號(hào)含有 諧波吋，仍可用式(10)比較準(zhǔn)確地測(cè)算出被測(cè)信號(hào)的基波頻率f。.如果需要進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度，也 可先濾除被測(cè)信號(hào)中的諧波后，再利用式(10)計(jì)算f。.
2. 獲得頻率的方法
1) 鑒于本發(fā)明是針對(duì)電力系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表，所以假設(shè)被測(cè)信號(hào)頻率X = 50 Hz。根 據(jù)采樣定律同時(shí)兼顧傅立葉方法計(jì)算方便，采樣頻率應(yīng)為信號(hào)頻率的2的n次方 倍，n值越大，計(jì)算精度越高。為了達(dá)到理想的效果，這里將采樣頻率定為50Hz 的64倍，即XX 64 = 3200Hz。
2) 在對(duì)信號(hào)進(jìn)行一個(gè)周期的采樣后，利用上述運(yùn)算1之公式⑦至⑩，計(jì)算得到該信 號(hào)的頻率值Y。
3) 判斷如果iY-Xi《0. lHz，則認(rèn)為該信號(hào)的頻率即為Y，頻率計(jì)算完成。 如果IY-Xl 〉0. lHz，則令X = Y，重新執(zhí)行步驟1-2，直到滿足步驟3的條件為止。
3. 計(jì)算相位
1)
2)
3)
根據(jù)計(jì)算得到的信號(hào)頻率Y，確定采樣頻率。采樣頻率同樣設(shè)定為信號(hào)頻率的64 倍。
根據(jù)快速傅立葉計(jì)算方法的要求, 使用快速傅立葉算法得到相位差c 信號(hào)的相位差
,W」
對(duì)兩路輸入信號(hào)同步進(jìn)行1個(gè)周期的采樣。 具體計(jì)算公式如下，Oil-012的值就是兩路
5 H^向cos〖^.jfe
fc=0
2 V 2tt 一 2jx〗向sin卩^r舞
12
b
11
A廠
i=0
AT
〗i
arctan
ii
2 \\ 2兀
w闊 w
2 2tt
^12
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，解決了諧波影響相位測(cè)量值的問題。


圖1. SMG2000系列雙鉗伏安相位表電路原理示意圖； 圖2.本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)示意圖中，1、 2是放大器，3是A/D轉(zhuǎn)換器，4是內(nèi)核，5是液晶屏，6是電源處理模塊，7、 8是互感器，9、 10是I/V轉(zhuǎn)換器，ll是微控制器，12、 13是數(shù)字電位器。
圖3.微控制器的相位測(cè)量流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖敘述一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例。
圖2顯示了本實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)，主要由互感器(7、 8)、 1/V轉(zhuǎn)換器(9、 10)、放大器(1、 2)、數(shù)字電位器(12、 13)、微控制器(11)、液晶屏(5)以及電源處理模塊(6)組成?；?感器選用HPT304A型號(hào)；微控制器內(nèi)部含有內(nèi)核(4)和A/D轉(zhuǎn)換器(3); I/V轉(zhuǎn)換器和放大 器采用0P2277運(yùn)算放大器，微控制器選用C8051F系列單片機(jī)。電源分為V+、 V-、 GND三種 電壓，V+為3.3V，用作微控制器和模擬電路的電源；GND為1.5V，用做模擬電路的參考中點(diǎn) 電壓；V-為OV，用做微控制器和模擬電路的地線。
1/V轉(zhuǎn)換器由運(yùn)算放大器(9、 10)連同反饋電阻構(gòu)成；可編程放大器由運(yùn)算放大器(1、 2)和數(shù)字電位器(12、 13)構(gòu)成。數(shù)字電位器(12、 13)的型號(hào)選用X9313。
被測(cè)信號(hào)在經(jīng)過互感器(7、 8)后，送入該電路的輸入端。先經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換器(9、 10)， 將電流型信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓型信號(hào)；然后經(jīng)過放大器(1、 2)將信號(hào)放大并送入微控制器(11) 的A/D轉(zhuǎn)換器(3)輸入引腳，放大器(1、 2)的增益由微控制器(11)通過設(shè)置數(shù)字電位器 (12、 13)實(shí)現(xiàn)；最后由微控制器(11)控制其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)信號(hào)采樣、計(jì)算，得到 兩路信號(hào)的相位差值。
本實(shí)施例由控制、計(jì)算程序和硬件兩部分實(shí)現(xiàn)了不受諧波影響的相位測(cè)量其中控制、 計(jì)算程序存在于微控制器內(nèi)核中，幾個(gè)文要硬件及其作用是
1. 1/V轉(zhuǎn)換器，用來將互感器轉(zhuǎn)換過來的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
2. 可編程放大器，用來調(diào)整信號(hào)的幅度，使之滿足微控制器計(jì)算相位的精度要求。
3. 微控制器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，將交流模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。
4. 微控制器內(nèi)核，由內(nèi)部的程序完成控制A/D采樣、調(diào)節(jié)可編程放大器的增益、計(jì)算頻 率和相位等。
圖3系本發(fā)明之微控制器的相位測(cè)量控制流程圖，過程如下
1. 鑒于本儀表是電力系統(tǒng)使用的測(cè)量?jī)x表，而電力系統(tǒng)測(cè)量的電壓、電流信號(hào)頻率均為 50Hz，所以假設(shè)起始頻率為X=50Hz,即歩驟14。
2. 根據(jù)采樣定律同時(shí)兼顧傅立葉方法計(jì)算方便，采樣頻率應(yīng)為信號(hào)頻率的2的n次方倍， 所以A/D采樣頻率使用64倍的信號(hào)頻率。然后對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一個(gè)周期，即64個(gè)點(diǎn) 的采樣(該過程是信號(hào)的離散化)，即步驟15。
3. 根據(jù)釆樣到的離散數(shù)據(jù)，利用"頻率算法推導(dǎo)過程"中的公式⑦至⑩計(jì)算出信號(hào)的頻 率值Y，即步驟16。
4. 判斷l(xiāng)Y-Xl《0. lHz是否成立，即步驟17。
5. 如果lY-X|《0. lHz不成立，則將頻率值Y賦給X，即步驟18。然后重新執(zhí)行上述2 至5,直到滿足5的條件為止。
6. 如果1Y-X|《0. lHz成立，則認(rèn)為信號(hào)的頻率即為Y ，計(jì)算得到采樣頻率Z二YX64， 即步驟19。
7. 按照采樣頻率Z，對(duì)兩路輸入信號(hào)同步采樣一個(gè)周期的離散數(shù)據(jù)，即步驟20。
8. 根據(jù)7采樣得到的離散數(shù)據(jù)，使用均方根方法計(jì)算,得到輸入信號(hào)的幅度，即步驟21。
9. 根據(jù)8計(jì)算得到的幅度值，重新設(shè)置數(shù)字電位器(12、 13)的電阻值，從而改變放大 器的增益，即步驟22。
10. 根據(jù)7采樣得到的離散數(shù)據(jù)，使用快速傅立葉公式，計(jì)算得到兩路信號(hào)的相位差值，即 步驟23。
權(quán)利要求
1.不受諧波影響的伏安相位表，有A/D轉(zhuǎn)換器(3)、微控制器(11)和液晶屏(5)，其特征在于有互感器(7)和互感器(8)、I/V轉(zhuǎn)換器(9)和I/V轉(zhuǎn)換器(10)、放大器(1)和放大器(2)與數(shù)字電位器(12)和數(shù)字電位器(13)構(gòu)成的可編程放大器等，互感器(8)用來轉(zhuǎn)換信號(hào)，將被測(cè)的電壓或電流信號(hào)按一定的比例轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；I/V轉(zhuǎn)換器(9)和I/V轉(zhuǎn)換器(10)，用來將互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；放大器(1)和放大器(2)用來放大輸入信號(hào)，使之滿足A/D轉(zhuǎn)換后計(jì)算精度的要求；微控制器(11)負(fù)責(zé)控制數(shù)字電位器(12)和數(shù)字電位器(13)，用來調(diào)節(jié)放大器(1)和放大器(2)的增益并利用A/D轉(zhuǎn)換器(3)進(jìn)行信號(hào)采集，還用于計(jì)算輸入信號(hào)頻率、控制采樣頻率和計(jì)算相位；最后由液晶屏(5)顯示處理結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述不受諧波影響的伏安相位表，其特征在于所說的互感器(7)和 互感器(8)可用電阻代替。
全文摘要
本發(fā)明涉及不受諧波影響的伏安相位表，其由互感器、I/V轉(zhuǎn)換器、可編程放大器、微控制器和液晶屏構(gòu)成，I/V轉(zhuǎn)換器將互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)可編程放大器將輸入信號(hào)放大，使之滿足A/D轉(zhuǎn)換后計(jì)算精度的要求，微控制器控制可編程放大器的增益調(diào)節(jié)、信號(hào)采集、控制采樣頻率和計(jì)算相位，由液晶屏顯示處理結(jié)果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，解決了諧波對(duì)相位測(cè)量值造成誤差的影響問題。
文檔編號(hào)G01R25/00GK101178418SQ20071018854
公開日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者穆明健 申請(qǐng)人:西安愛邦電氣有限公司