本發(fā)明涉及電能計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域,具體地說是一種具有諧波計(jì)量功能的單相電能表。

背景技術(shù)：

由于非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中大量投運(yùn)，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)的保護(hù)裝置與自動(dòng)化裝置的正常運(yùn)行，造成了這些裝置的誤動(dòng)與拒動(dòng)，直接威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此必須對非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波進(jìn)行處理，那么首先要完成的就是諧波的計(jì)量。

目前電能表都是只計(jì)量基波產(chǎn)生的電能，并且都是基于電能表計(jì)量芯片設(shè)計(jì)而成，這對諧波電能表的設(shè)計(jì)，采樣芯片的選擇都非常局限，而且成本非常高，不利于諧波電能表的推廣使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種電路設(shè)計(jì)簡單、成本低的具有諧波計(jì)量功能的單相電能表，

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種具有諧波計(jì)量功能的單相電能表，其特征是：包括輸入運(yùn)算放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、電能儲(chǔ)存模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊和電源模塊，電壓、電流信號依次經(jīng)過輸入運(yùn)算放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入到控制模塊，所述控制模塊還連接電能儲(chǔ)存模塊、按鍵模塊和LCD顯示模塊；

所述電源模塊包括交流-直流電壓轉(zhuǎn)換電路，高壓直流-低壓直流轉(zhuǎn)換電路和低壓直流-穩(wěn)壓直流轉(zhuǎn)換電路。

優(yōu)選地，所述輸入運(yùn)算放大模塊包括直流偏置信號產(chǎn)生電路、直流脈動(dòng)電壓信號產(chǎn)生電路和直流脈動(dòng)電流信號產(chǎn)生電路，所述直流偏置信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生直流偏置信號，所述直流脈動(dòng)電壓信號產(chǎn)生電路包括運(yùn)算放大器U10A，所述直流脈動(dòng)電流信號產(chǎn)生電路包括運(yùn)算放大器U10B，所述直流偏置信號分別輸入運(yùn)算放大器U10A和U10B的同相輸入端。

優(yōu)選地，所述交流-直流電壓轉(zhuǎn)換電路包括壓敏熱敏電阻RVT1、濾波電感L3、濾波電感L4、整流二極管D2和濾波電容C4，所述壓敏熱敏電阻RVT1的1管腳連接交流電壓信號AC_N，3管腳分別連接交流電壓信號AC_L和濾波電感L4的一端，2管腳連接濾波電感L3的一端，濾波電感L3的另一端連接整流二極管D2的負(fù)極，整流二極管D2的正極分別連接電感L1和濾波電容C4的一端，濾波電容C4的另一端連接濾波電感L4的另一端；

所述高壓直流-低壓直流轉(zhuǎn)換電路包括PWM調(diào)制芯片U1和濾波電容C3，所述PWM調(diào)制芯片U1的5管腳分別連接電感L1的另一端和電容C5的一端，4管腳分別連接電阻R7、R8的一端，3管腳連接電容C2的一端，1管腳分別連接電容C2、電阻R8的另一端和電感L2、電容C1的一端，電阻R7的另一端分別連接電容C1的另一端和二極管D1的負(fù)極，電容C1的一端還連接二極管D3的負(fù)極，二極管D3的正極連接濾波電容C3的一端，所述濾波電容C3、電感L2、電容C5的另一端和二極管D1的正極均連接電容C4的另一端；

所述低壓直流-穩(wěn)壓直流轉(zhuǎn)換電路包括電阻R9，電阻R9的一端連接濾波電容C3的一端，電阻R9的另一端連接電阻R10的一端，電阻R10的另一端分別連接電阻R5、電容C6的一端和可控穩(wěn)壓源Q1的陽極，可控穩(wěn)壓源Q1的參考極分別連接電阻R5的另一端和電阻R6的一端，電阻R6的另一端分別連接電感L5的一端和可控穩(wěn)壓源Q1的陰極，電感L5的另一端連接電容C6的另一端，電容C6的另一端輸出電壓Vcc，電容C6的一端接地。

優(yōu)選地，所述直流偏置信號產(chǎn)生電路輸入端接基準(zhǔn)電壓，所述基準(zhǔn)電壓分別輸入電容C7、C44和電阻R21的一端，電阻R21的另一端分別連接電阻R22、電容C41的一端和運(yùn)算放大器U10C的同相輸入端，運(yùn)算放大器U10C的反相輸入端分別連接電阻R20、電容C43的一端，電阻R20、電容C43的另一端連接運(yùn)算放大器U10C的輸出端，運(yùn)算放大器U10C的輸出端還分別連接電容C8、C42的一端，電容C7、C41、C44、C8、C42和電阻R22的另一端均接地，運(yùn)算放大器的輸出端輸出直流偏置信號。

優(yōu)選地，所述直流脈動(dòng)電壓信號產(chǎn)生電路的輸入端接交流電壓信號AC_L、AC_N，所述交流電壓信號AC_L接電阻R30的一端，電阻R30的另一端連接電壓互感器PT1的1管腳，電壓互感器PT1的2管腳接交流電壓信號AC_N，電壓互感器PT1的4管腳分別連接電阻R35、R48和電容C49的一端，電阻R48的另一端分別連接電阻R65、電容C57的一端和運(yùn)算放大器U10A反相輸入端，運(yùn)算放大器U10A的同相輸入端連接電阻R49的一端，電阻R49、R35和電容C49的另一端均連接所述直流偏置信號，所述運(yùn)算放大器U10A的輸出端接電阻R65、電容C57的另一端和電阻R62、電容C55的一端，電容C55的另一端接所述直流偏置信號，電阻R62的另一端輸出直流脈動(dòng)電壓信號；

所述直流脈動(dòng)電流信號產(chǎn)生電路的輸入端接交流電壓信號CT+、CT-，所述交流電壓信號CT+、CT-分別接電流互感器CT1的1、2管腳，電流互感器CT1的4管腳分別連接電阻R36、R50和電容C50的一端，電阻R50的另一端分別連接電阻R64、電容C58的一端和運(yùn)算放大器U10B反相輸入端，運(yùn)算放大器U10B的同相輸入端連接電阻R51的一端，電阻R51、R36和電容C102的另一端均連接所述直流偏置信號，所述運(yùn)算放大器U10B的輸出端接電阻R64、電容C58的另一端和電阻R63、電容C56的一端，電容C56的另一端接所述直流偏置信號，電阻R63的另一端輸出直流脈動(dòng)電流信號。

優(yōu)選地，所述運(yùn)算放大器U10A、U10B和U10C的型號均為TLV2374。

優(yōu)選地，所述PWM調(diào)制芯片U1的型號為LNK304，所述可控穩(wěn)壓源Q1的型號為TL431。

優(yōu)選地，所述控制模塊包括單片機(jī)，所述單片機(jī)的型號TMS320F28335PGFA，所述LCD顯示模塊包括段式液晶4*32顯示屏，所述段式液晶4*32顯示屏的驅(qū)動(dòng)芯片為HT1621B，所述存儲(chǔ)模塊包括存儲(chǔ)器，型號為EFPROM，所述按鍵模塊采用6*6輕觸按鍵。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用單電源給運(yùn)算放大器進(jìn)行供電，在運(yùn)算放大器的同相輸入端直接加入直流偏置基準(zhǔn)電壓Gadc，通過運(yùn)放進(jìn)行加法運(yùn)算，將交流電壓信號和交流電流信號的負(fù)半周抬升至0V以上，相比于現(xiàn)有技術(shù)供電成本低，電路簡單；控制模塊采用FFT運(yùn)算，計(jì)算簡便，速度快；本發(fā)明選用讀寫次數(shù)較低的存儲(chǔ)器，降低了成本，提高了安全性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所述電壓轉(zhuǎn)換電路的電路圖；

圖3是本發(fā)明所述直流偏置信號產(chǎn)生電路的電路圖；

圖4是本發(fā)明所述直流脈動(dòng)電壓信號產(chǎn)生電路的電路圖；

圖5是本發(fā)明所述直流脈動(dòng)電流信號產(chǎn)生電路的電路圖

具體實(shí)施方式

為能清楚說明本方案的技術(shù)特點(diǎn)，下面通過具體實(shí)施方式，并結(jié)合其附圖，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。

如圖1-5所示，本發(fā)明的一種具有諧波計(jì)量功能的單相電能表，其特征是：包括輸入運(yùn)算放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、電能儲(chǔ)存模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊和電源模塊，電壓、電流信號依次經(jīng)過輸入運(yùn)算放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入到控制模塊，所述控制模塊還連接電能儲(chǔ)存模塊、按鍵模塊和LCD顯示模塊。所述輸入運(yùn)算放大模塊將電壓信號和電流信號通過運(yùn)算放大將AC信號轉(zhuǎn)換為可以被AD轉(zhuǎn)換器識(shí)別0－3V的直流脈動(dòng)信號，A/D轉(zhuǎn)換模塊將所述直流脈動(dòng)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量信號送給所述控制模塊，控制模塊通過A/D轉(zhuǎn)換模塊得到基波電能與諧波電能；并將電能值送到電能存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)，并送到LCD顯示模塊進(jìn)行顯示，另外按鍵模塊控制LCD顯示模塊顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)，電源模塊給各模塊供電。

優(yōu)選地，所述控制模塊包括單片機(jī)，所述單片機(jī)的型號為TMS320F28335PGFA，所述LCD顯示模塊包括段式液晶4*32顯示屏，所述段式液晶4*32顯示屏的驅(qū)動(dòng)芯片為HT1621B，所述存儲(chǔ)模塊包括存儲(chǔ)器，型號為EFPROM，所述按鍵模塊采用6*6輕觸按鍵。

如圖2所示，所述電源模塊包括電壓轉(zhuǎn)換電路，所述電壓轉(zhuǎn)換電路包括交流-直流電壓轉(zhuǎn)換電路，高壓直流-低壓直流轉(zhuǎn)換電路和低壓直流-穩(wěn)壓直流轉(zhuǎn)換電路。

所述交流-直流電壓轉(zhuǎn)換電路包括壓敏熱敏電阻RVT1、濾波電感L3、濾波電感L4、整流二極管D2和濾波電容C4，所述壓敏熱敏電阻RVT1的1管腳連接交流電壓信號AC_N，3管腳分別連接交流電壓信號AC_L和濾波電感L4的一端，2管腳連接濾波電感L3的一端，濾波電感L3的另一端連接整流二極管D2的負(fù)極，整流二極管D2的正極分別連接電感L1和濾波電容C4的一端，濾波電容C4的另一端連接濾波電感L4的另一端。

所述高壓直流-低壓直流轉(zhuǎn)換電路包括PWM調(diào)制芯片U1和濾波電容C3，所述PWM調(diào)制芯片U1的5管腳分別連接電感L1的另一端和電容C5的一端，4管腳分別連接電阻R7、R8的一端，3管腳連接電容C2的一端，1管腳分別連接電容C2、電阻R8的另一端和電感L2、電容C1的一端，電阻R7的另一端分別連接電容C1的另一端和二極管D1的負(fù)極，電容C1的一端還連接二極管D3的負(fù)極，二極管D3的正極連接濾波電容C3的一端，所述濾波電容C3、電感L2、電容C5的另一端和二極管D1的正極均連接電容C4的另一端。

所述低壓直流-穩(wěn)壓直流轉(zhuǎn)換電路包括電阻R9，電阻R9的一端連接濾波電容C3的一端，電阻R9的另一端連接電阻R10的一端，電阻R10的另一端分別連接電阻R5、電容C6的一端和可控穩(wěn)壓源Q1的陽極，可控穩(wěn)壓源Q1的參考極分別連接電阻R5的另一端和電阻R6的一端，電阻R6的另一端分別連接電感L5的一端和可控穩(wěn)壓源Q1的陰極，電感L5的另一端連接電容C6的另一端，電容C6的另一端輸出電壓Vcc，電容C6的一端接地。

優(yōu)選地，所述電感L1～L5的值分別為1mH、1mH、2.7μH、2.7μH、2.7μH，二極管D1、D2和D3的型號均為UF4007，可控穩(wěn)壓源Q1的型號為TL431，電容C1～C6的規(guī)格分別為10μF/50V、0.1μF/100V、47μF/50V、6.8μF/400V、6.8μF/400V、100μF/16V,電阻R5～R10均為貼片電阻，代碼分別為2492、8201、562、272、8R20、8R20。

所述電壓轉(zhuǎn)換電路的工作原理：交流電壓信號AC_L、AC-N經(jīng)過壓敏熱敏電阻RVT1和濾波電感L3、L4后經(jīng)過整流二極管D2和濾波電容C4形成高電壓直流電壓，直流電壓經(jīng)過PWM調(diào)制芯片U1，經(jīng)過濾波電容C3濾波形成低電壓直流電壓，可控穩(wěn)壓源Q1為輸出電壓提供反饋基準(zhǔn)電壓，控制PWM調(diào)制芯片U1，實(shí)時(shí)調(diào)整PWM占空比，以達(dá)到穩(wěn)定的直流電壓輸出。

如圖3-5所示，所述輸入運(yùn)算放大模塊包括直流偏置信號產(chǎn)生電路、直流脈動(dòng)電壓信號產(chǎn)生電路和直流脈動(dòng)電流信號產(chǎn)生電路，所述直流偏置信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生直流偏置信號，所述直流脈動(dòng)電壓信號產(chǎn)生電路包括運(yùn)算放大器U10A，所述直流脈動(dòng)電流信號產(chǎn)生電路包括運(yùn)算放大器U10B，所述直流偏置信號分別輸入運(yùn)算放大器U10A和U10B的同相輸入端。

如圖3所示，所述直流偏置信號產(chǎn)生電路輸入端接基準(zhǔn)電壓，所述基準(zhǔn)電壓分別輸入電容C7、C44和電阻R21的一端，電阻R21的另一端分別連接電阻R22、電容C41的一端和運(yùn)算放大器U10C的同相輸入端，運(yùn)算放大器U10C的反相輸入端分別連接電阻R20、電容C43的一端，電阻R20、電容C43的另一端連接運(yùn)算放大器U10C的輸出端，運(yùn)算放大器U10C的輸出端還分別連接電容C8、C42的一端，電容C7、C41、C44、C8、C42和電阻R22的另一端均接地，運(yùn)算放大器的輸出端輸出直流偏置信號Gade。

優(yōu)選地，電阻R20～R22的值均為10KΩ，電解電容C7、C8的規(guī)格均為4.7μF、10V，電容C41～C44的值均為0.1μF。

如圖4所示，所述直流脈動(dòng)電壓信號產(chǎn)生電路的輸入端接交流電壓信號AC_L、AC_N，所述交流電壓信號AC_L接電阻R30的一端，電阻R30的另一端連接電壓互感器PT1的1管腳，電壓互感器PT1的2管腳接交流電壓信號AC_N，電壓互感器PT1的4管腳分別連接電阻R35、R48和電容C49的一端，電阻R48的另一端分別連接電阻R65、電容C57的一端和運(yùn)算放大器U10A反相輸入端，運(yùn)算放大器U10A的同相輸入端連接電阻R49的一端，電阻R49、R35和電容C49的另一端均連接所述直流偏置信號，所述運(yùn)算放大器U10A的輸出端接電阻R65、電容C57的另一端和電阻R62、電容C55的一端，電容C55的另一端接所述直流偏置信號，電阻R62的另一端輸出直流脈動(dòng)電壓信號。

如圖5所示，所述直流脈動(dòng)電流信號產(chǎn)生電路的輸入端接交流電壓信號CT+、CT-，所述交流電壓信號CT+、CT-分別接電流互感器CT1的1、2管腳，電流互感器CT1的4管腳分別連接電阻R36、R50和電容C50的一端，電阻R50的另一端分別連接電阻R64、電容C58的一端和運(yùn)算放大器U10B反相輸入端，運(yùn)算放大器U10B的同相輸入端連接電阻R51的一端，電阻R51、R36和電容C102的另一端均連接所述直流偏置信號，所述運(yùn)算放大器U10B的輸出端接電阻R64、電容C58的另一端和電阻R63、電容C56的一端，電容C56的另一端接所述直流偏置信號，電阻R63的另一端輸出直流脈動(dòng)電流信號。

優(yōu)選地，所述運(yùn)算放大器U10A、U10B和U10C的型號均為TLV2374，所述電阻R30的規(guī)格為220K/2W,電阻R35、R36的規(guī)格為22R/0.1％,電阻R48～R51、R64、R65的阻值均為10KΩ，電阻R62、R63的電阻值分別為10KΩ、47Ω，電容C49、C50、C55～C58的電容值分別為100pF、100pF、0.1μF、0.1μF、0.1μF、0.1μF。

所述輸入運(yùn)算放大模塊的工作原理是：基準(zhǔn)電壓Vref經(jīng)過電阻R21、R22進(jìn)行均值分壓，經(jīng)過集成運(yùn)算放大器U10C跟隨，輸出0.5*Vref的電壓信號，為交流電壓和交流電流信號提供直流偏置信號。交流電壓信號AC_L、AC_N經(jīng)過限流電阻R30和電壓互感器PT1的1、2引腳進(jìn)行隔離，由PT1的3、4引腳和取樣電阻R35輸出給運(yùn)算放大器U10A，運(yùn)算放大器U10A將電壓采樣的交流信號和直流偏置信號進(jìn)行運(yùn)算放大，輸出A/D轉(zhuǎn)換模塊可以識(shí)別的直流脈動(dòng)電壓信號。交流電壓信號CT+、CT-經(jīng)電流互感器CT1的1、2引腳進(jìn)行隔離，由CT1的3、4引腳和取樣電阻R36輸出給運(yùn)算放大器U10B，運(yùn)算放大器U10B將電流采樣的交流信號和直流偏置信號進(jìn)行運(yùn)算放大，輸出A/D轉(zhuǎn)換模塊可以識(shí)別的直流脈動(dòng)電流信號。

一般交流信號運(yùn)算放大電路由于交流信號存在正負(fù)信號，運(yùn)放供電電源需要正負(fù)雙電源供電，以保證交流信號負(fù)電壓不丟失，采用雙電源供電成本高，電路復(fù)雜，本發(fā)明采用單電源即可給運(yùn)算放大器進(jìn)行供電，在運(yùn)算放大器的同相輸入端直接加入直流偏置基準(zhǔn)電壓Gadc，通過運(yùn)放進(jìn)行加法運(yùn)算，將交流電壓信號和交流電流信號的負(fù)半周抬升至0V以上。

以上所述只是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也被視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。