專利名稱：一種單通道分時復(fù)用采樣方法及其采樣電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單通道分時復(fù)用采樣方法及其采樣電路，尤其是指應(yīng)用于三相交
流系統(tǒng)的交流采樣方法及其采樣電路。
背景技術(shù)：
目前，在工業(yè)控制領(lǐng)域普遍使用的集散系統(tǒng)一般分為三級過程級、監(jiān)控級和管理 信息級。集散系統(tǒng)是將分散于現(xiàn)場的以微機為基礎(chǔ)的過程監(jiān)測單元、過程控制單元、圖文操 作站及主機(上位機)集成在一起的系統(tǒng)。它采用了局域網(wǎng)技術(shù)，將多個過程監(jiān)控、操作站 和上位機互連在一起，使通信功能增強，信息傳輸速度加快，吞吐量加大，為信息的綜合管 理提供了基礎(chǔ)。在監(jiān)控級中，現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備產(chǎn)生的信號通過控制網(wǎng)傳送至主控設(shè)備， 主控設(shè)備安裝預(yù)定的算法處理，向輸入/輸出設(shè)備發(fā)出控制命令。管理信息級位于上層，通 過系統(tǒng)網(wǎng)與現(xiàn)場控制站通信，交換信息。 交流采樣裝置位于輸入/輸出設(shè)備這一層，而在三相四線電力輸送電網(wǎng)中，公知 的采樣裝置由三相采樣電阻、放大器、采樣保持電路、波形變換電路、A/D變換電路和單片機 組成。需要采樣的綜合電參數(shù)的原始信號有7個Ua、 Ub、 Uc、 Ia、 Ib、 Ic、 10，據(jù)此可計算出 多個電參數(shù)，其中常見的如功率(P/Q/S)、電能(Wh/varh)、功率因數(shù)(cos)、線電壓(Vab/ Vbc/Vca)等，這些參數(shù)均為關(guān)聯(lián)信號，需要兩個或兩個以上的信號進行關(guān)聯(lián)采樣。
現(xiàn)有的交流采樣技術(shù)(多通道)存在以下缺點第一，原始信號有7個，就需要7 個通道，每個通道都需要與之相應(yīng)的放大電路和抗混疊濾波電路，這樣會造成輸入電路復(fù) 雜；第二，通道間存在難以消除的離散性以及測量多路關(guān)聯(lián)信號時異步采樣所導(dǎo)致的測量 結(jié)果不精確都會給交流采樣帶來一定的影響，使得測量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差；第三，輸入信號 多，元器件的工作狀態(tài)往往發(fā)生較大變化，會發(fā)生一系列漂移，不可避免的產(chǎn)生難以修正的 誤差，造成儀表無法繼續(xù)正常使用；第四，可以實現(xiàn)信號多級放大，如果多通道要實現(xiàn)這樣 的功能，就需要每個通道都加多級放大電路，使硬件電路更加復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采樣方法及其采樣電路，保證采 樣的信號實時、準(zhǔn)確、精度高、可靠性強，設(shè)計趨于簡單化。 本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案是一種單通道分時復(fù)用采樣方法，其步驟如下
步驟1，多路原始信號通過由單片機控制的模擬開關(guān)后變?yōu)閱瓮ǖ佬盘枺?
步驟2，單通道信號輸出端接放大電路放大信號；
步驟3，放大電路的輸出端接濾波電路濾除高頻信號； 步驟4，濾波電路的輸出端接帶A/D的單片機對采樣信號進行采樣和計算。
步驟4中單片機的對采樣信號進行采樣和計算的程序包括采樣程序和計算程序。
軟件程序的主程序是信號進入單片機后，啟動采樣程序，由程序判斷分時采集數(shù) 據(jù)是否結(jié)束，如果采樣未結(jié)束，則繼續(xù)分時采集數(shù)據(jù)，如果采樣結(jié)束，則根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算電路電壓的有效值，并根據(jù)電流電壓值選擇放大倍數(shù)程序，然后再計算功率、功率因數(shù)等參 數(shù)。在計算程序中，單片機把采樣數(shù)據(jù)根據(jù)公式，計算電流、電壓、功率、頻率等參數(shù)，計算完 成后返回分時采樣數(shù)據(jù)程序繼續(xù)對下一組信號進行采集計算，如此循環(huán)。
其中，判斷分時采樣程序是否結(jié)束時，需啟用Tl中斷程序。Tl中斷程序依次由中 斷程序入口、定時觸發(fā)A/D和中斷出口程序組成，A/D中斷程序用來判斷分時采樣數(shù)據(jù)是否 結(jié)束。單片機進入A/D中斷入口程序后，首先保存采樣數(shù)據(jù)，然后判斷該相電流電壓采樣是 否結(jié)束，如果是，則置采樣結(jié)束標(biāo)志，并選擇下一相電壓電流通道，由中斷出口程序進入主 程序循環(huán)，如果采樣未結(jié)束，則由程序判斷是電壓信道還是電流信道，如果是電壓信道，則 選擇電流信道并選擇放大倍數(shù)，如果是電流信道，則選擇電壓信道并選擇放大倍數(shù)，最終由 中斷出口程序結(jié)束中斷程序進入主程序循環(huán)。 —種應(yīng)用單通道分時復(fù)用采樣方法的單通道分時復(fù)用采樣電路，依次由模擬開關(guān) Ul、可編程放大電路、抗混疊濾波電路和帶A/D的單片機U5連接組成，帶A/D的單片機U5 控制模擬開關(guān)U1和可編程放大電路。多路電流電壓強電信號由互感器轉(zhuǎn)化成弱電信號進 入模擬開關(guān)Ul，模擬開關(guān)Ul的二進制輸入端A、 B、 C在帶A/D的單片機U5控制下，使得原 始信號Ua、Ub、Uc、 Ia、 Ib、 Ic、 10在模擬開關(guān)Ul的各通道有序?qū)ǎ?一次只采集同相電流電 壓信號，原始信號變?yōu)閱瓮ǖ佬盘査椭量删幊谭糯箅娐份斎攵丝凇？删幊谭糯箅娐酚烧?信號放大電流及弱信號放大電路順次連接而成，正常信號放大電路包括運算放大器U3及 由電阻組成的外圍電路，弱信號放大電路包括運算放大器U4、模擬開關(guān)U2及由電阻組成的 外圍電路。多路弱信號進入可編程放大電路后，帶A/D的單片機U5根據(jù)上次采樣值控制模 擬開關(guān)U2選擇放大倍數(shù)，實現(xiàn)小信號分級別放大，而干擾源并沒有得到放大，提高了小信 號的采樣精度。經(jīng)過分級放大的信號輸出端與抗混疊濾波電路相接，濾除高頻信號?？够?疊濾波電路由電阻R7、電容C5組成。濾除高頻的信號后送至單片機U5的A/D端口進行采 樣。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為第一，該方法采用單通道代替多通道，更 加簡潔化；第二，由該方法設(shè)計出的一種單通道分時復(fù)用電路，將原有技術(shù)的多通道電路改 為單通道電路，分時復(fù)用，大大簡化了電路；第三，多通道改為單通道后，避免了通道間的離 散型，減少了由于測量多路關(guān)聯(lián)信號時異步采樣所導(dǎo)致的不精確；第四，分時采集數(shù)據(jù)程 序、計算電流電壓有效值并根據(jù)電流電壓值選擇放大倍數(shù)、計算功率、功率因數(shù)、頻率等參 數(shù)程序，提高了測量的精確度。


圖1是本發(fā)明采樣程序的主程序圖；
圖2是本發(fā)明采樣程序的Tl中斷程序圖；
圖3是本發(fā)明采樣程序的A/D中斷程序圖
圖4是本發(fā)明的原理框圖；
圖5是本發(fā)明的電路原理圖；。
具體實施例方式
本發(fā)明的設(shè)計方案在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單通道分時復(fù)用采樣方法來代替現(xiàn)有技術(shù)的多通道采樣方法，并根據(jù)該方法設(shè)計出一種單通道分時復(fù)用采樣電路，以保證采樣的信號實時、精確度高、可靠性強，使設(shè)計趨于簡單化。下面結(jié)合實施例參照附圖進行詳細(xì)說明，以便對本發(fā)明的技術(shù)特征及優(yōu)點進行更深入的詮釋。
—種單通道分時復(fù)用采樣方法，其步驟如下 步驟1，多路原始信號通過由單片機控制的模擬開關(guān)后變?yōu)閱瓮ǖ佬盘枺?br> 步驟2，單通道信號輸出端接放大電路放大信號；
步驟3，放大電路的輸出端接濾波電路濾除高頻信號； 步驟4，濾波電路的輸出端接帶A/D的單片機對采樣信號進行采樣和計算。
步驟4中單片機的對采樣信號進行采樣和計算的程序包括采樣程序和計算程序。
如圖1所示，軟件程序的主程序是信號進入單片機后，啟動采樣程序，由程序判斷分時采集數(shù)據(jù)是否結(jié)束，如果采樣未結(jié)束，則繼續(xù)分時采集數(shù)據(jù)，如果采樣結(jié)束，則根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算電路電壓的有效值，并根據(jù)電流電壓值選擇放大倍數(shù)程序，然后再計算功率、功率因數(shù)等參數(shù)。在計算程序中，單片機把采樣數(shù)據(jù)根據(jù)公式，計算電流、電壓、功率、頻率等參數(shù)，計算完成后返回分時采樣數(shù)據(jù)程序繼續(xù)對下一組信號進行采集計算，如此循環(huán)。
其中，判斷分時采樣程序是否結(jié)束時，需啟用Tl中斷程序。如圖2，中斷程序依次由中斷程序入口 、定時觸發(fā)A/D和中斷出口程序組成。如圖3所示的A/D中斷程序，判斷分時采樣數(shù)據(jù)是否結(jié)束，進入中斷入口程序，首先保存采樣數(shù)據(jù)，然后判斷該相電流電壓采樣是否結(jié)束，如果是，則置采樣結(jié)束標(biāo)志，并選擇下一相電壓電流通道，至中斷出口程序進入主程序循環(huán)，如果采樣未結(jié)束，則由程序判斷是電壓信道還是電流信道，如果是電壓信道，則選擇電流信道并選擇放大倍數(shù)，如果是電流信道，則選擇電壓信道并選擇放大倍數(shù)，最終由中斷出口程序結(jié)束中斷程序進入主程序循環(huán)。 下面對計算程序進一步說明。采樣結(jié)束后，根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算電路電壓的有效值，并根據(jù)電流電壓值選擇放大倍數(shù)程序，然后再計算功率、功率因數(shù)等參數(shù)。在計算程序中，單片機把采樣數(shù)據(jù)根據(jù)下面公式，計算電流、電壓、功率、頻率等參數(shù)。
1、有效值計算 t/《Y務(wù);":《1> ;《 <2) 式中，N——每個周期均勻的采樣點數(shù) Ui——第i點的電壓采樣值 h——第i點的電流采樣值 Ku——電壓有效值的綜合轉(zhuǎn)換系數(shù)，是定值 &——電流有效值的綜合轉(zhuǎn)換系數(shù)，是定值 2、功率計算 F《K+2^"
<formula>formula see original document page 6</formula> 式中，i為第i+N/4次電流采樣值。當(dāng)i+N/4大于N時，i取為i_3N/4?？梢宰C明
當(dāng)N > 3時，按式(1) 、 (2) 、 (3) 、 (4)式計算將不產(chǎn)生離散化計算誤差。 在采樣時，因為不是同時采樣，所以不能直接相乘，根據(jù)復(fù)化梯形算法
<formula>formula see original document page 6</formula>采樣Ui時刻的電流值Ii二 (Ii+I(i+l))/2，也就是Ui時刻的電 2" .... A=i 一 .
流等于相鄰兩次電流值的平均。同理，三相功率P、Q的算式如下
<formula>formula see original document page 6</formula> 由此計算采樣信號的電流電壓有效值相對于多通道采樣信號更具有實時性、精確 性、可靠性。 —種應(yīng)用單通道分時復(fù)用采樣方法的單通道分時復(fù)用采樣電路的原理框圖如圖4 所示，電路依次由模擬開關(guān)U1、可編程放大電路、抗混疊濾波電路、帶A/D的單片機U5連接 組成，帶A/D的單片機U5控制模擬開關(guān)Ul和可編程放大電路。帶A/D的單片機U5控制模 擬開關(guān)U1和可編程放大電路，模擬開關(guān)U1的各通道開關(guān)在帶A/D的單片機U5的控制下有 序?qū)ǎ?一次只采集同相電流電壓信號，改原始信號為單通道信號，單通道信號進入可編程 放大電路放大信號，然后由抗混疊濾波電路濾除高頻信號，送至帶A/D的單片機U5采樣，完 成對信號的采樣。 下面結(jié)合電路原理圖進一步說明，如圖5。多路電壓電流強電信號由互感器轉(zhuǎn)化 成弱電信號，帶A/D的單片機U5控制的二進制輸入端A、B、C，使得原始信號Ua、Ub、Uc、 Ia、 Ib、Ic、IO在模擬開關(guān)Ul的各通道有序?qū)ǎ淮沃徊杉嚯娏麟妷盒盘?，同相電流電?信號分別采樣64點，原始信號變?yōu)閱瓮ǖ佬盘査椭量删幊谭糯箅娐份斎攵丝?。單片機定時 器T1每隔(電網(wǎng)周期/128)時間控制一次模擬開關(guān)U1，使該相電壓、電流信號交替經(jīng)過模 擬開關(guān)Ul進入可編程放大電路。 可編程放大電路由正常信號放大電流及弱信號放大電路順次連接而成，正常信號 放大電路包括運算放大器U3及由電阻組成的外圍電路，弱信號放大電路包括運算放大器 U4、模擬開關(guān)U2及由電阻組成的外圍電路。多路弱信號進入可編程放大電路后，因為單片 機A/D精度有限，測量小信號精度低，為了提高精度，單片機根據(jù)上次電壓電流的有效值控 制U2選擇合適的放大倍數(shù)，實現(xiàn)小信號分級別放大，而干擾源并沒有得到放大，提高了小 信號的采樣精度。 經(jīng)過分級放大的信號輸出端與抗混疊濾波電路相接，濾除高頻信號?？够殳B濾波 電路由電阻R7、電容C5組成。這個電路主要功能是濾除采樣頻率以上的高頻信號，避免高 頻信號對有效測量信號影響。 電流電壓信號濾除高頻信號后送至單片機U5的A/D端口進行采樣和計算電壓電流的有效值。
權(quán)利要求
一種單通道分時復(fù)用采樣方法，其步驟如下步驟1，多路原始信號通過由單片機控制的模擬開關(guān)后變?yōu)閱瓮ǖ佬盘枺徊襟E2，單通道信號輸出端接放大電路放大信號；步驟3，放大電路的輸出端接濾波電路濾除高頻信號；步驟4，濾波電路的輸出端接帶A/D的單片機對采樣信號進行采樣和計算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單通道分時復(fù)用采樣方法，其特征在于步驟4所述的單片機對采樣信號進行采樣和計算的程序包括采樣程序和計算程序。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單通道分時復(fù)用采樣方法，其特征在于所述的采樣程 序由主程序、Tl中斷程序和A/D中斷程序組成，主程序中判斷采集數(shù)據(jù)是否結(jié)束時進入Tl 中斷程序，而T1中斷程序包括A/D中斷程序。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單通道分時復(fù)用采樣方法，其特征在于所述的計算程序根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算電流電壓的有效值，并根據(jù)電流電壓值選擇放大倍數(shù)程序，然后再計 算功率、功率因數(shù)等參數(shù)。
5. —種應(yīng)用權(quán)利1-4中任一項所述方法的單通道分時復(fù)用采樣電路，其特征在于由 依次連接的模擬開關(guān)、可編程放大電路、抗混疊濾波電路、帶A/D端口的單片機組成，帶A/D 的單片機U5控制模擬開關(guān)Ul和可編程放大電路，模擬開關(guān)Ul的各通道開關(guān)在帶A/D的單 片機U5的控制下有序?qū)ǎ?一次只采集同相電流電壓信號，改原始信號為單通道信號，單 通道信號進入可編程放大電路放大信號，然后由抗混疊濾波電路濾除高頻信號，送至帶A/D 的單片機U5采樣，完成對信號的采樣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種單通道分時復(fù)用采樣電路，其特征在于模擬開關(guān)U1由 芯片IC1組成，帶A/D的單片機U5控制模擬開關(guān)Ul的二進制輸入端A、B、C，使得原始信號 Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic、IO在模擬開關(guān)Ul的各通道有序?qū)ǎ?一次只采集同相電流電壓信號，原始信號變?yōu)閱瓮ǖ佬盘枴?br> 7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種單通道分時復(fù)用采樣電路，其特征在于所述的單通道信號輸出端接可編程放大電路實現(xiàn)分級放大，可編程放大電路由正常信號放大電流及弱信 號放大電路順次連接而成，正常信號放大電路包括運算放大器U3及由電阻組成的外圍電 路，弱信號放大電路包括運算放大器U4、模擬開關(guān)U2及由電阻組成的外圍電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種單通道分時復(fù)用采樣電路，其特征在于所述的經(jīng)過分 級放大的信號輸出端與抗混疊濾波電路連接，濾除高頻信號，抗混疊濾波信號電路由電阻 R7、電容C5組成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種單通道分時復(fù)用采樣電路，其特征在于所述的經(jīng)過濾 波的信號輸出端與帶A/D單片機U5連接，實現(xiàn)對信號的采樣和計算。
全文摘要
本發(fā)明所公開的一種單通道分時復(fù)用采樣方法，其步驟如下1，多路原始信號通過由單片機控制的模擬開關(guān)后變?yōu)閱瓮ǖ佬盘枺?，單通道信號輸出端接放大電路放大信號；3，放大電路的輸出端接濾波電路濾除高頻信號；4，濾波電路的輸出端接帶A/D的單片機對采樣信號進行采樣和計算。該方法借助一種單通道分時復(fù)用采樣電路實現(xiàn)，采樣電路依次由模擬開關(guān)、可編程放大電路、抗混疊濾波電路和帶A/D的單片機連接組成，帶A/D的單片機控制模擬開關(guān)和可編程放大電路。本發(fā)明克服了現(xiàn)有采樣方法的多通道化，巧妙地采用單通道代替多通道，并根據(jù)該方法設(shè)計出一種單通道分時復(fù)用采樣電路，從而提高了采樣信號的實時性、精確性、可靠性。
文檔編號G01R21/00GK101726658SQ201010019359
公開日2010年6月9日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者李桂友, 湯曉宇, 鄧大智, 龍斌 申請人:河源市雅達電子有限公司