專利名稱：用于高壓系統(tǒng)中峰值電壓和rms電壓的同時數(shù)字測量的系統(tǒng)的制作方法
相關(guān)主題公開和主張在Dr.Timothy James Fawcett等、提出于1998年6月10日、和標(biāo)題為“用于高壓試樣的擊穿電壓數(shù)字測量的系統(tǒng)(System For Digital Measurement Of Breakdown Voltage OfHigh Voltage Samples)”的共同待決美國專利申請(代理人文件35979)中；和在Dr.Timothy James Fawcett等、提出于1998年6月10日、和標(biāo)題為“使用數(shù)字峰值檢測來測量局部放電的系統(tǒng)(System ForMeasuring Partial Discharge Using Digital Peak Detection)”的共同待決美國專利申請(代理人文件36153)中；兩個所述申請通過參考特意包括在這里。
本發(fā)明涉及一種使用一個數(shù)字峰值捕獲電路來同時測量峰值電壓和均方根電壓的系統(tǒng)。
高壓測試規(guī)范需要對于高壓測量使用等效于直流(DC)加熱效應(yīng)的均方根(RMS)電壓或峰值換算到RMS電壓(即峰值/( ))的高壓測量。如果測量的高壓信號是理想的正弦波，則兩種測量是相同的。然而，在實際高壓系統(tǒng)中，高壓信號不是理想的正弦波，并且兩種測量彼此不一致。使用的兩種測量之一是否優(yōu)于另一種測量取決于進(jìn)行的測試。都使用純模擬過程測量這些參數(shù)把不準(zhǔn)確性引入到高壓系統(tǒng)中。
在電壓測量系統(tǒng)中，考慮信號中脈沖的高度。放大一般在測量脈沖之前進(jìn)行。例如，一個限帶放大器一般用來增大脈沖的數(shù)值。然后使用模擬峰值檢測系統(tǒng)測量脈沖高度。參照

圖1，一個模擬峰值檢測器2使用補償器4經(jīng)二極管8對電容器6充電。只要在電容器6上的電壓小于脈沖的電壓，電容器6就由補償器4充電。一旦在電容器6上的電壓超過脈沖的電壓，就停止充電。模擬峰值檢測器2在這時的輸出電壓等于已經(jīng)出現(xiàn)在輸入3上的最高電壓。當(dāng)數(shù)據(jù)探測系統(tǒng)用來檢測和測量各個脈沖時，在測量脈沖之后必須通過放電電容器6復(fù)位檢測器2，以便為下個脈沖作準(zhǔn)備。
難以把這種類型的模擬峰值檢測器配置成準(zhǔn)確的。模擬峰值檢測器取決于一個非線性反饋環(huán)路，該環(huán)路非常牢固地取決于峰值檢測系統(tǒng)的特性。峰值檢測系統(tǒng)附近特別是通過補償器4和一個輸出緩存器的延遲，引起模擬峰值檢測器的輸出電壓相對輸入部分滯后，導(dǎo)致輸出的超調(diào)。該超調(diào)的數(shù)值一般相對于電壓是非線性的，由此限制系統(tǒng)的精度。
對于模擬峰值檢測器也必須與用于峰值檢測的電容器6協(xié)調(diào)。一旦補償器4已經(jīng)停止對電容器充電，因為系統(tǒng)中的漏電流電容器6上的電壓往往“下垂”。這引起測量的不確定性，因為在測量數(shù)值之前電壓減小了某些量。通過使用較大的電容能限制這種影響。然而，較大電容需要較大電流來充電，導(dǎo)致電壓變化率降低并且限制能用于放大器的最大頻率。因而，增大在模擬峰值檢測系統(tǒng)中的環(huán)路延遲。當(dāng)在模擬峰值檢測器上要求復(fù)位時引入進(jìn)一步的復(fù)雜。來自復(fù)位開關(guān)的電荷注入能導(dǎo)致模擬峰值檢測器2的輸出上的偏移，模擬峰值檢測器2進(jìn)一步限制局部放電測量系統(tǒng)的精度。
因而，需要一種允許更精確的峰值檢測的電壓測量系統(tǒng)。另外，需要一種允許峰值電壓和RMS電壓的同時測量的電壓測量系統(tǒng)。如上所述，使用的兩種測量之一是否優(yōu)于另一種測量取決于進(jìn)行的測試。都使用純模擬過程測量這些參數(shù)把不準(zhǔn)確性引入到高壓系統(tǒng)中。例如，為了進(jìn)行峰值測量，設(shè)計峰值捕獲電路以提供足夠的精度。另一方面，為了進(jìn)行RMS測量，提出了設(shè)計問題，如轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定到最終值所要求的長安定時間和對輸入變化的緩慢響應(yīng)。因此對于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電壓反饋，模擬系統(tǒng)的使用是不希望的。
按照本發(fā)明的一個方面，提供一種電壓測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個計算機和一個配置成對信號進(jìn)行數(shù)字峰值測量的數(shù)字峰值檢測電路。
按照本發(fā)明的另一個方面，電壓測量系統(tǒng)使用數(shù)字信號處理同時測量峰值電壓和RMS電壓。
按照本發(fā)明的又一個方面，使用一個峰值檢測電路確定峰值電壓，該峰值檢測電路包括用來比較連續(xù)脈沖信號試樣和把兩個試樣較大一個存儲為峰值的三個寄存器和兩個比較器的兩級供給系統(tǒng)。提供一個狀態(tài)機以便按照希望脈沖捕獲窗口和脈沖信號斜率選擇性地選通寄存器和比較器及其他元件(例如鎖存器)。使用在存儲器裝置中的存儲電壓試樣的結(jié)合確定RMS電壓。
當(dāng)聯(lián)系附圖閱讀時從如下詳細(xì)描述將更容易地理解本發(fā)明的這些和其他特征及優(yōu)點，這些附圖形成該原始公開的一部分，并且其中圖l是模擬峰值檢測器的示意圖；圖2是常規(guī)局部放電測量系統(tǒng)的方塊圖；圖3表明由圖2中描繪的局部放電測量系統(tǒng)產(chǎn)生的波形；圖4表明在峰值檢測系統(tǒng)中的放大器的輸出和按照本發(fā)明一個實施例用來確定最小試樣率的參數(shù)；圖5表明按照本發(fā)明一個實施例通過工作在通用峰值捕獲模式中的峰值檢測系統(tǒng)的峰值捕獲；圖6表明按照本發(fā)明一個實施例通過工作在單脈沖捕獲模式中的峰值檢測系統(tǒng)的峰值捕獲；圖7表明按照本發(fā)明一個實施例通過工作在多脈沖捕獲模式中的峰值檢測系統(tǒng)的峰值捕獲；圖8表明按照本發(fā)明一個實施例建造的用于正極性信號的峰值檢測器的方塊圖；圖9表明用于正和負(fù)極性信號和按照本發(fā)明一個實施例建造的峰值檢測器的方塊圖；圖10表明按照本發(fā)明一個實施例的一種正和負(fù)峰值檢測的方法；圖11是按照本發(fā)明一個實施例建造的峰值檢測器的示意圖12是按照本發(fā)明一個實施例和圖9中描繪的電路用來確定峰值電壓的狀態(tài)圖；圖13是按照本發(fā)明一個實施例用來對高壓試樣確定擊穿電壓的系統(tǒng)；圖14是流程圖，描繪按照本發(fā)明一個實施例用來確定擊穿電壓的操作序列；圖15是流程圖，描繪按照本發(fā)明一個實施例在中斷處理器中的操作序列；及圖16是按照本發(fā)明一個實施例建造的用來同時測量峰值電壓和峰值至RMS電壓的系統(tǒng)。
實現(xiàn)數(shù)字峰值檢測和按照本發(fā)明建造的一種數(shù)字局部放電測量(PDM)系統(tǒng)10的方塊圖提供在圖2中。在數(shù)字局部放電檢測PDM系統(tǒng)10中的各種元件的輸出處的信號波形A、B、C、D和E表明在圖3中。對于PDM系統(tǒng)10的用途包括但不限于，測試和監(jiān)視電力電纜、配電和電力變壓器、中高壓開關(guān)設(shè)備、電力斷路器、氣體絕緣開關(guān)設(shè)備、絕緣套管、并聯(lián)電抗器、電壓和電流互感器、功率因數(shù)校正電容器、線路絕緣產(chǎn)品、避雷器、尤其是高壓元件及所有類型的絕緣材料。
一個經(jīng)受使用PDM系統(tǒng)10的局部放電檢測的試樣12(例如絕緣系統(tǒng)試樣)連接到一個耦合阻抗14上。如上所述，系統(tǒng)不是穩(wěn)態(tài)的，并且脈沖頻繁地疊加在從高壓源11跨過試樣12傳導(dǎo)的高壓波形上。參照圖3，提供給耦合阻抗14的波形為波形A。為了說明起見已經(jīng)放大了疊加在高壓波形A上的脈沖30的數(shù)值。耦合阻抗14的輸出描繪成圖3中的波形B。在通過放大器16的處理之后，脈沖能顯得象圖3的波形C。
繼續(xù)參照圖2，數(shù)字峰值檢測由一個峰值檢測電路22進(jìn)行，峰值檢測電路22包括下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的一個數(shù)字轉(zhuǎn)換器18、及峰值檢測和處理邏輯電路20。峰值檢測邏輯電路20的輸出通到一個緩存存儲器24，并且以后通到一個計算機28。計算機28最好連接到一個顯示裝置29上，并且進(jìn)行其他的處理和顯示功能。
如上所述，按照本發(fā)明一個實施例提供一種用來測量電壓信號的峰值的改進(jìn)系統(tǒng)，其中來自放大器16的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息流，并且用數(shù)字處理。因為放電活動的非周期特性，僅選擇高于放大器Nyquist頻率的抽樣頻率(即大于放大器的兩倍最大截止頻率)是不夠的。
參照圖4，便利的是，當(dāng)通過耦合阻抗14和放大器16時，考慮放電脈沖頂部的形狀，并且確定從脈沖最高點到其中它已經(jīng)下降到小于要使用的數(shù)字轉(zhuǎn)換器的1/2最低有效位(LSB)的點的時間。最小試樣速率最好是ts1或ts2中最大的一個。最大可接收誤差指示在32處。隨著放大器16的上頻率極限增大，要求的抽樣速率有對應(yīng)增大。如果在PDM系統(tǒng)10中實現(xiàn)的峰值檢測過程運動到較高抽樣分辨率，則要求的抽樣速率也有增大。因而，根據(jù)放大器特性選擇適當(dāng)?shù)某闃铀俾?，并且按照本發(fā)明選擇要求的系統(tǒng)分辨率。
一旦脈沖流已經(jīng)數(shù)字化，使用不呈現(xiàn)模擬峰值檢測器缺陷的數(shù)字處理系統(tǒng)，能完成峰值檢測過程。這消除與模擬放電檢測器有關(guān)的主要的不準(zhǔn)確性。數(shù)字峰值檢測系統(tǒng)比使用較簡單電路的模擬峰值檢測器更復(fù)雜。數(shù)字峰值檢測系統(tǒng)采用邏輯電路的有效量。而且，要求邏輯電路在較高速率下運行，因為使用了高抽樣速度。數(shù)字分辨率由于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)和數(shù)字成象的發(fā)展最近變得經(jīng)濟可行?，F(xiàn)有的FPGA系統(tǒng)把多路、千門能力、以及適用于要求抽樣速率的操作速度相結(jié)合。FPGA技術(shù)允許以前要求定制集成電路(IC)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜邏輯系統(tǒng)的發(fā)展。FPGA技術(shù)由數(shù)字成象字段的發(fā)展支持，數(shù)字成象字段已經(jīng)把高速、低成本存儲器和高速、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器帶到市場上。通過結(jié)合這兩種技術(shù)，按照本發(fā)明建造的數(shù)字PDM系統(tǒng)10在性能上能超過模擬檢測器及具有模擬和數(shù)字元件的混合檢測器，而價格與現(xiàn)有儀器不相上下。數(shù)字PDM系統(tǒng)10提供比其模擬或混合檢測器更大的靈活性，因為有可能把脈沖檢測系統(tǒng)的操作重新配置成適于處理數(shù)據(jù)的方式和對數(shù)據(jù)的約束的方式。
PDM系統(tǒng)10最好提供在不同用途中使用的三種基本操作模式?；灸Ｊ绞?1)通用測量和脈沖顯示；(2)脈沖捕獲和分析；及(3)時間依賴脈沖捕獲。當(dāng)以通用測量和脈沖顯示模式工作時，PDM系統(tǒng)10最接近地模仿傳統(tǒng)儀器的操作。這種模式優(yōu)化成提供對系統(tǒng)顯示的最快可能更新速率，以使PDM系統(tǒng)10模仿模擬陰極射線示波器的特性。
參照圖5，考慮到正的和負(fù)的峰值數(shù)值，在固定窗口(例如窗口36)中捕獲各個脈沖(例如脈沖34)。脈沖每一個根據(jù)其在循環(huán)中的位置、和從上次讀捕獲存儲器已經(jīng)過去的循環(huán)數(shù)量存儲在一個捕獲存儲器中。使相位在捕獲存儲器中的脈沖位置中是隱含的，通過使要求的計算最小簡化了把各個脈沖寫到系統(tǒng)顯示器29上的過程。在脈沖出現(xiàn)得如此靠近以致于他們占據(jù)一個單相位置36的場合，PDM系統(tǒng)10記錄最高脈沖，并且在系統(tǒng)顯示器29上指示最高脈沖。這避免PDM系統(tǒng)10必須把脈沖寫到顯示器29上，只要在當(dāng)前顯示器上畫出較大脈沖。該模式保證測量最高放電數(shù)值脈沖，但不保證在所有情形下分辨所有脈沖。換句話說，出現(xiàn)在一個窗口36中的多個脈沖產(chǎn)生一種結(jié)果，而跨過兩個窗口的單個脈沖產(chǎn)生兩種結(jié)果。然而，該模式的確提供與精確放電數(shù)值測量相結(jié)合的快速更新速率(例如一般每秒25次)。產(chǎn)生的顯示在如下方面看著象在模擬顯示器上它是雙極的，并且能顯示關(guān)于脈沖的超調(diào)(即一個脈沖與另一個脈沖的尾部同時出現(xiàn))。這使得PDM系統(tǒng)10對于習(xí)慣于傳統(tǒng)儀器的用戶感到舒適。當(dāng)需要觀看放電活動的統(tǒng)計量時，通用操作模式是不適當(dāng)?shù)?。例如，?dāng)進(jìn)行放電指紋印時，必須捕獲在定義間隔中的所有脈沖。在有通過捕獲脈沖超調(diào)在通用模式中得到提供更真實顯示的優(yōu)點的場合，它應(yīng)該在脈沖捕獲和分析模式中避免。下面聯(lián)系圖10-12描述時鐘信號38、時鐘啟動信號40及復(fù)位信號42。
關(guān)于脈沖捕獲模式和圖6，從脈沖34的第一部分48取出脈沖極性。一旦脈沖穿過零點就中斷該過程，并且直到用于失步的特定時間間隔已經(jīng)過去，如聯(lián)系圖9描述的那樣。脈沖捕獲最好在圖6中的點52處開始。脈沖檢測在過零點(即點54)處中斷，并且把結(jié)果寫到捕獲存儲器。脈沖檢測保持中斷或失步直到尾部50的末端(即點56)以避免捕獲超調(diào)。
通常，在脈沖34上的尾部50可能較長(例如在20微秒的量級上)，并且當(dāng)放電活動靠得較近時，該長度對脈沖分辨率強加一個不可接受的極限，如圖7中所示。因而，如果PDM系統(tǒng)10檢測到一個落到具有相同極性的第一脈沖58尾部中的第二脈沖60，則重新觸發(fā)PDM系統(tǒng)10。因而，捕獲第二脈沖60以及第一脈沖58。用于這種重新觸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)是，在重新觸發(fā)可能出現(xiàn)之前脈沖60穿過零點。在這種情況下，把脈沖信息存儲為數(shù)值-加-相位和循環(huán)。這較適于統(tǒng)計處理，但把一個系統(tǒng)開銷強加到限制其有效性的顯示更新上。繼續(xù)參照圖7，用于第一脈沖58的脈沖捕獲在點62處開始，并且對于該脈沖58在過零點(點64)處停止。出現(xiàn)在第一脈沖58尾部中的第二脈沖60引起重新觸發(fā)(點66)。用于第二脈沖60的脈沖捕獲在第二脈沖的過零點(即點68)處停止。失步出現(xiàn)直到點70。第三脈沖71的捕獲在點72處開始。一個第四脈沖73相對于第三脈沖71作為單脈沖處理，因為沒有過零點出現(xiàn)在他們之間。脈沖71和73的捕獲作為單事件處理，并且直到在點74處的過零點才寫結(jié)果。
第三操作模式是時間依賴脈沖捕獲模式。這是最簡單的操作模式。當(dāng)在該模式中操作時一旦觸發(fā)PDM系統(tǒng)10，PDM系統(tǒng)10就用從ADC得到的連續(xù)試樣填滿脈沖捕獲存儲器。在該模式中，沒有進(jìn)行捕獲脈沖峰值的償試。因而，沒有進(jìn)行放電數(shù)值的測量。該模式的主要應(yīng)用是用于電纜中的缺陷定位。通過測量在脈沖與其反射之間的時間間隔，能找到電纜內(nèi)的脈沖位置。通過與脈沖傳播整個電纜長度且返回發(fā)生點的時間相比較，能定位缺陷離開電纜遠(yuǎn)端的位置。這種模式也提供診斷設(shè)施，因為它允許要研究的脈沖形狀優(yōu)化系統(tǒng)帶寬。而且，因為基于時間的捕獲，所以這種模式允許干擾頻率的測量，從而能實現(xiàn)適當(dāng)?shù)臑V波。
在數(shù)字放電檢測PDM系統(tǒng)10中的計算機28例如最好是基于Windows 95TM軟件運行的個人計算機。計算機28配置成允許靈活的試驗記錄和向諸如WordTM和ExcelTM之類的不同軟件程序輸出數(shù)據(jù)。計算機28編程成對數(shù)字局部放電檢測提供靈活的分析工具。脈沖捕獲相對于相位或時間坐標(biāo)實現(xiàn)。為對于在垂直和水平軸上的脈沖選通的完全控制提供不同的操作模式。如上所述，F(xiàn)PGA技術(shù)最好與計算機28的中央處理單元板一起用于峰值檢測和操作。FPGA峰值檢測器的方塊圖提供在圖8中。如以上聯(lián)系圖2所述，來自放大器16的脈沖在他們使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化之前提供給FPGA峰值檢測器22。ADC最好是以9位分辨率提供一個符號位的10位ADC。ADC 78的輸出提供給一個包括ADC緩存器80和一個峰值緩存器82的兩級供給系統(tǒng)。在供給系統(tǒng)的兩級80和82中的值提供到一個數(shù)值比較器84。一個狀態(tài)機控制器86提供門控制以確定其中進(jìn)行峰值檢測的時間窗口，如聯(lián)系圖11和12描述的那樣。狀態(tài)機也控制供給系統(tǒng)的時鐘和供給系統(tǒng)中值的復(fù)位。
通過對電壓信號的正和負(fù)斜率的檢測、以及按照選擇操作模式(例如圖5中表明的通用脈沖捕獲模式或圖6和7中表明的脈沖捕獲分析模式)控制脈沖捕獲窗口的形狀，提高本發(fā)明的數(shù)字峰值檢測過程的精度。用于按照本發(fā)明最佳實施例建造的峰值檢測系統(tǒng)88的整個結(jié)構(gòu)表明在圖9中。峰值檢測系統(tǒng)88包括兩個分別用來確定兩個正和負(fù)極性電壓信號-Ve和+Ve的峰值檢測器電路90和92。每個峰值檢測器電路90和92最好按圖8和10-12所示配置。使用另一個控制兩個切換裝置96和98的操作的數(shù)值比較器94，比較峰值檢測器電路90和92的輸出。具有最大絕對峰值的正或負(fù)極性信號由切換裝置96和98對應(yīng)的一個提供給一個輸出100。最好使用用于分析、或顯示或兩者的計算機28存取在輸出100處的值。
在脈沖捕獲分析模式期間的正和負(fù)斜率(例如-Ve和+Ve)的檢測表明在圖10中。在峰值檢測系統(tǒng)88啟動(狀態(tài)102)之后，對于正和負(fù)極性信號+Ve和-Ve的峰值檢測(狀態(tài)104和106)分別開始。如以上聯(lián)系圖6和7討論的那樣，峰值檢測繼續(xù)，直到在信號中出現(xiàn)過零點。失步間隔然后初始化并且開始(狀態(tài)108和110)。只要+Ve信號的斜率大于或等于選擇閾值(例如對于噪聲選擇的閾值)，并且-Ve信號的斜率小于或等于選擇閾值，就把檢測狀態(tài)104和106的結(jié)果存儲在一個存儲器裝置中。在失步間隔終止之后，能再次進(jìn)入峰值檢測狀態(tài)104和106。
現(xiàn)在聯(lián)系圖11中的示意圖和圖12中的狀態(tài)圖描述峰值檢測器電路92的說明性實施。來自從ADC 78輸出的信號的符號位(圖8)、以及一個CGATE信號，提供到一個NOR門114。門114的輸出連接到一個下文稱作ADC0寄存器的第一ADC寄存器上。只要認(rèn)定CGATE輸入，CGATE輸入就是用來禁止ADC0寄存器的外部禁止輸入。因而，當(dāng)PDM系統(tǒng)10的另一部分確定輸入數(shù)據(jù)無效時，輸入脈沖列的部分能失步而免于測量。例如，PDM系統(tǒng)10可能已經(jīng)確定噪聲和相位相關(guān)噪聲不利地影響輸入信號的完整性，并因此影響從其得到的輸出的完整性。當(dāng)具有負(fù)極性的信號出現(xiàn)在寄存器ADC0的輸入處時，也能禁止ADC0寄存器。除至門114的ADC_IN9輸入反相和用一個值預(yù)置ADC0、ADC1和PEAK0之外，峰值檢測電路94的實施基本上與圖11中描繪的示意圖相同，不同之處在下面清楚地解釋。
如上所述，在10位ADC 78的輸出處的試樣ADC_IN[9∶0]提供到一個第一寄存器ADC0。除寄存器ADC0之外，ADC緩存器80(圖8)包括另一個接收第一寄存器ADC0的輸出ADC_PRE[8∶0]的寄存器ADC1。第二寄存器ADC1連接到構(gòu)成圖8中描繪的峰值緩存器82的寄存器PEAK0上。第一寄存器ADC0的輸出提供給第一和第二比較器COMP0和COMP1。比較器COMP0和COMP1最好是9位無符號比較器。第二寄存器ADC1的輸出提供給比較器COMP0，而寄存器PEAK0的輸出提供給另一個比較器COMP1。比較器COMP0和COMP1分別把寄存器ADC0的內(nèi)容與寄存器ADC1的相比較和把寄存器ADC0的內(nèi)容與寄存器PEAK0的相比較。兩個鎖存器ADCLT0和ADCLT1提供在比較器的輸出處。一個寄存器GATE_PIPE為產(chǎn)生一個控制信號GATE而提供。GATE信號是一個指示數(shù)據(jù)探測周期開始和結(jié)束的內(nèi)部產(chǎn)生信號(即在FPGA峰值檢測電路92或94內(nèi))。例如，如果系統(tǒng)處于通用測量和脈沖顯示模式中，則在與當(dāng)前存儲器位置對應(yīng)的試樣周期期間該信號為高。相位一移到該窗口之外，GATE信號就走低以初始化讀數(shù)，并且然后變高以啟動對于下個窗口的捕獲。狀態(tài)機86編程為實施圖12中描繪的狀態(tài)圖。
繼續(xù)參照圖11，當(dāng)控制信號GATE為高，并且如由比較器COMP0確定的那樣在寄存器ADC0中的試樣小于在寄存器ADC1中的試樣時，用于寄存器PEAK0的時鐘啟動在隨后周期上禁止。寄存器PEAK0因此保持峰值。當(dāng)如由比較器COMP1確定的那樣在寄存器ADC0中的試樣大于保持在寄存器PEAK0中的值時，重新啟動PEAK寄存器。捕獲峰值A(chǔ)DC_IN[9∶0]，直到控制信號GATE成為假。在PEAK0寄存器中的值然后存儲在例如外部電路中。狀態(tài)機的輸出PEAK_CAP指示何時正在更新峰值。供給系統(tǒng)技術(shù)是便利的，因為它增加了圖9中描繪的電路能操作的速度。當(dāng)在當(dāng)前FPGA裝置中實施時，電路能在80兆赫量級上的數(shù)據(jù)速率下操作。
與圖11中描繪的元件相對應(yīng)的狀態(tài)圖提供在圖12中。圖12中描繪的狀態(tài)表明考慮試樣信號的斜率以產(chǎn)生更準(zhǔn)確的峰值測量結(jié)果。峰值檢測時鐘啟動信號PEAK_CKEN在等待狀態(tài)118下運行。等待狀態(tài)118最好僅在復(fù)位操作之后使用。當(dāng)接收到開始信號(即把GATE設(shè)置到“1”)時，開始峰值檢測。狀態(tài)機控制器86首先按照狀態(tài)120操作，直到檢測到負(fù)斜率。只要輸入信號的斜率為正并且沒有檢測到下降沿(即GATE是“1”并且ADCPRE_LT_ADC是“0”)，狀態(tài)機控制器86就保持在狀態(tài)120下。在試樣信號中的下降沿出現(xiàn)時，禁止峰值捕獲(即把GATE設(shè)置到“0”)，并且對寄存器PEAK0讀數(shù)據(jù)(狀態(tài)122)。當(dāng)ADCPRE_LT_ADC是“1”時，就是說，寄存器ADC0的值大于寄存器ADC1的，狀態(tài)機控制器86繼續(xù)在狀態(tài)124下操作，同時斜率是正的并且獲得峰值數(shù)據(jù)。當(dāng)GATE是狀態(tài)124下的“0”時，終止峰值檢測間隔，并且把數(shù)據(jù)讀到寄存器PEAK0中。當(dāng)檢測到負(fù)斜率(即GATE是“1”并且ADCPRE_LT_ADC是“0”)時，狀態(tài)機控制器86返回狀態(tài)120，直到檢測到下降沿。
使用模擬系統(tǒng)典型地完成了諸如絕緣導(dǎo)線或電力電纜之類的試樣12的擊穿電壓測量。當(dāng)試樣擊穿時，模擬系統(tǒng)是有問題的，因為作為試樣擊穿結(jié)果產(chǎn)生的瞬態(tài)，能毀壞諸如擊穿電壓之類的存儲值。當(dāng)高串聯(lián)阻抗用于耦合阻抗14時，模擬系統(tǒng)特別成問題。當(dāng)使用高串聯(lián)阻抗時，輸出電壓在擊穿點處可能增大。另外，當(dāng)電壓在有效速率下時，由以前測量系統(tǒng)強加的滯后能把顯著的不準(zhǔn)確性強加在結(jié)果中。
按照本發(fā)明另一個實施例，提供的一個數(shù)字擊穿電壓檢測電路130，使用高壓信號的高速抽樣，與用于數(shù)字處理的硬件和軟件相結(jié)合，以產(chǎn)生擊穿電壓的準(zhǔn)確測量。參照圖13，硬件包括與聯(lián)系圖8描述的峰值檢測系統(tǒng)類似的數(shù)字峰值檢測器系統(tǒng)。一個來自高壓傳感器的輸入信號132經(jīng)放大器134放大，并且然后以高速率(例如比線路頻率大100倍)數(shù)字化，以保證使用一個高速ADC 136準(zhǔn)確地捕獲峰值。ADC 136的輸出提供到一個數(shù)據(jù)寄存器138，并且提供到一個數(shù)值比較器140。如果數(shù)值比較器檢測到ADC 136的輸出大于數(shù)據(jù)寄存器138的輸出，則控制邏輯電路142把ADC 136的輸出數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)據(jù)寄存器138中。數(shù)據(jù)寄存器138的輸出因此指示在ADC上讀的最高電壓，因為數(shù)據(jù)寄存器最后清零?？刂七壿嬰娐吩O(shè)計成當(dāng)讀寄存器時清零寄存器。
繼續(xù)參照圖13，高壓信號也由一個平方電路144處理，平方電路144指示波形的過渡或過零點。平方電路144的輸出提供到計算機28上的一個中斷輸入上。計算機28能用一個中斷處理器(圖14)編程以讀峰值檢測器，并且以上述方式得到在高壓波形每個循環(huán)上的峰值電壓。
在試樣的擊穿測試期間，存在一個與在試樣擊穿的系統(tǒng)檢測與從試樣除去高壓之間過去的時間相對應(yīng)的有限延遲。由于在這些用途中使用的控制系統(tǒng)的特性，有限延遲對于受測試試樣影響的輸入輸電線可能在幾個循環(huán)的量級上。在有限延遲周期期間，在試樣擊穿之后，電壓讀數(shù)是不定和無效的。按照本發(fā)明，編程計算機28以把連續(xù)讀數(shù)存儲到一個與其有關(guān)的緩存器，該緩存器配置成保持幾秒的以前讀數(shù)。該緩存器存儲對于輸出電壓的電流設(shè)置點。當(dāng)系統(tǒng)檢測到試樣已經(jīng)擊穿時，軟件防止計算機28更新緩存器，直到下次接通電壓源11。軟件控制計算機28檢查緩存器的末端和反向檢索存儲的條目，直到計算機28定位最靠近試樣輸出電壓的讀數(shù)。由計算機28定位的讀數(shù)表示基于循環(huán)對循環(huán)在試樣擊穿之前施加到試樣上的最后電壓。
圖14表明每當(dāng)擊穿電壓檢測電路已經(jīng)測量到波形峰值時借助于計算機28由擊穿檢測電路130(圖13)產(chǎn)生的中斷處理。計算機28監(jiān)視高壓(HV)傳感器132以便看它何時通(塊150)。如果HV傳感器132不通，則計算機28離開圖14中表明的例行程序。如果HV傳感器132通，則把電流設(shè)置點存儲在BD_SETPOINT中(塊152)。BUFFER_POSITION前進(jìn)一個位置(塊154)。如果到達(dá)緩存器末端，則把參數(shù)BUFFER_POSITION設(shè)置到緩存器的開始。計算機28從圖13中的峰值檢測系統(tǒng)讀峰值數(shù)值(塊156)，并且把峰值數(shù)值存儲在由BUFFER_POSITION指示的緩存器位置中(塊158和160)。計算機28然后離開圖14中表明的中斷處理器。
一旦系統(tǒng)已經(jīng)檢測到試樣擊穿已經(jīng)出現(xiàn)，則計算機28按照本發(fā)明運行擊穿電壓檢測過程，并且表明在圖15中。緩存器以陣列標(biāo)號0至(n-1)存儲最后‘n’個循環(huán)的峰值電壓。最后讀數(shù)的位置由BUFFER_POSITION指示。在緩存器中最早讀數(shù)的位置在位置(BUFFER_POSITION+1)中。在擊穿點處關(guān)于系統(tǒng)的設(shè)置點存儲在BD_SETPOINT中。確定擊穿電壓的過程涉及反向檢索存儲數(shù)據(jù)，以通過觀看差別找到最接近設(shè)置點的讀數(shù)。最初，把DIFFERENCE設(shè)置為99999(塊162)，它最好比任何可能讀數(shù)都高。把循環(huán)計數(shù)器設(shè)置為“0”(塊164)。然后計算在當(dāng)前緩存器讀數(shù)與設(shè)置點之間的差，即THIS_DIFFERENCE(塊166)。如果THIS_DIFFERENCE小于DIFFERENCE(塊168)，則把緩存器位置保存在READING_NUM中(塊170)，并且使DIFFERENCE等于THIS_DIFFERENCE(塊172)。計算機28然后反向步進(jìn)緩存器中的一個位置(塊174)，并且確定位置是否小于“0”(塊176)。如果位置小于“0”，則把BUFFER_POSITION設(shè)置到(n-1)，從而查找從緩存器的頂部繼續(xù)(塊178)。增大LOOP_COUNT(塊180)。計算機28確定是否已經(jīng)讀在緩存器中的所有位置(塊182)。如果剩下沒有讀的位置，則計算機28繼續(xù)從塊166執(zhí)行。當(dāng)LOOP_COUNT=n時，READING_NUM與在緩存器中最靠近BD_SETPOINT的讀數(shù)的位置相對應(yīng)。擊穿電壓由BUFFER[READING_NUM]給出(塊184)。
按照本發(fā)明的另一個實施例，一個系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)中的峰值電壓和均方根(RMS)電壓的同時數(shù)字測量而提供。高壓測試規(guī)范建議對于高壓測量使用等效于直流(DC)加熱效應(yīng)的RMS電壓或峰值換算到RMS電壓(即峰值/( ))。如果測量的高壓信號是理想的正弦波，則兩種測量是相同的。然而，在實際高壓系統(tǒng)中，高壓信號不是理想的正弦波，并且兩種測量彼此不一致。使用的兩種測量之一是否優(yōu)于另一種測量取決于進(jìn)行的測試。都使用純模擬過程測量這些參數(shù)把不準(zhǔn)確性引入到高壓系統(tǒng)中。對于峰值測量，設(shè)計峰值捕獲電路以提供足夠的精度。另一方面，對于RMS測量，提出了設(shè)計問題，如轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定到最終值所要求的長安定時間和對輸入變化的緩慢響應(yīng)。因此對于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電壓反饋，模擬系統(tǒng)的使用是不希望的。
按照本發(fā)明，使用一種數(shù)字處理系統(tǒng)189同時測量峰值電壓和RMS電壓。輸入電壓相對于線路頻率以高速率數(shù)字化。用于數(shù)字處理的硬件和軟件的組合用來測量高壓信號的峰值換算到RMS電壓和真實RMS電壓。
參照圖16，來自一個高壓傳感器190的信號使用一個放大器192緩存，并且提供給一個ADC 194的輸入。ADC 194以比高壓線路頻率高得多的頻率抽樣(例如比線路頻率快100倍)，以保證以足夠精度捕獲波形的峰值。ADC 194的輸出提供到一個數(shù)據(jù)寄存器196，并且提供到一個數(shù)值比較器198。數(shù)據(jù)寄存器196的輸出也提供給數(shù)值比較器198。數(shù)值比較器198向控制邏輯電路200指示分別在數(shù)據(jù)寄存器196和數(shù)值比較器198中的兩個值的哪一個具有最大數(shù)值。峰值檢測最好以在以上描述的與按照本發(fā)明的實施例相同的方式實現(xiàn)。如果ADC 194的輸出大于數(shù)據(jù)寄存器196中存儲的值，則數(shù)字處理系統(tǒng)189編程為把ADC 194的輸出寫到數(shù)據(jù)寄存器196中。數(shù)據(jù)寄存器196指示峰值。當(dāng)讀數(shù)據(jù)寄存器196時，提供控制邏輯電路200以保證清除數(shù)據(jù)寄存器196而準(zhǔn)備下次使用。通過以等于或慢于線路頻率的速率讀寄存器196，系統(tǒng)189的峰值數(shù)值輸出指示高壓信號的峰值，因為最后讀該峰值。
為了讀真實的RMS值，與硬件結(jié)合提供軟件以計算RMS至峰值因數(shù)。硬件包括一個以線路頻率的某一倍數(shù)運行的時鐘源。時鐘源能從由高壓信號驅(qū)動的平方電路202得到，該高壓信號然后驅(qū)動鎖相環(huán)系統(tǒng)204，以便把線路頻率乘以一個已知量n。時鐘信號然后用來驅(qū)動存儲輸入波形的n個試樣的存儲器206。按照軟件，計算機28周期地讀取提供n個電壓的存儲器206的內(nèi)容。n個電壓相結(jié)合以使用如下計算給出用于波形的峰值至RMS換算因數(shù)f=1nVpk×Σk=0k=n-1Vk2]]>其中Vpk是從峰值數(shù)值輸出讀時在循環(huán)中的最大電壓，Vk是在存儲器位置k記錄的電壓，及n是與線路頻率倍增因數(shù)對應(yīng)的存儲器位置的數(shù)目。對于任何具體的主循環(huán)，以這里公開的方式使用數(shù)字處理系統(tǒng)189和計算機28能計算峰值電壓和RMS電壓。在通常的使用中，不必計算每個循環(huán)的峰值至RMS換算因數(shù)f，因為波形基于每個循環(huán)不變。因數(shù)f而是能每秒或每隔一秒重新計算而精度不會顯著降低。
盡管已經(jīng)選擇了各種實施例來說明本發(fā)明，但熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將會理解，其中能進(jìn)行各種變更和修改而不脫離在所附權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種用來測量跨過試樣電氣裝置的電壓的電壓測量系統(tǒng)，包括一個放大器，連接到所述試樣電氣裝置上，用來放大經(jīng)所述交流源在所述試樣電氣裝置的輸出處出現(xiàn)的信號；一個數(shù)字轉(zhuǎn)換器，連接到所述放大器上，用來數(shù)字轉(zhuǎn)換所述信號，所述信號包括脈沖；一個數(shù)字峰值檢測器，連接到所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器上并且包括一個捕獲存儲器裝置，所述數(shù)字峰值檢測器編程成產(chǎn)生脈沖捕獲窗口、確定所述信號的極性變化、及按照所述脈沖捕獲窗口和所述信號的極性控制何時把與在所述脈沖捕獲窗口的至少一個中出現(xiàn)的所述脈沖的至少一個有關(guān)的數(shù)據(jù)存儲在所述捕獲存儲器裝置中；及一個均方根存儲器裝置，用來以預(yù)定間隔存儲所述信號的采樣。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓測量系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個平方電路；和一個乘法器，連接到所述平方電路的輸出和所述均方根存儲裝置的輸入上，所述乘法器產(chǎn)生與所述信號的線路頻率有關(guān)的時鐘信號并且把所述時鐘信號提供到所述均方根存儲器裝置，以控制所述均方根存儲器裝置何時存儲所述采樣。
全文摘要
提供一種同時測量峰值電壓和均方根電壓的電壓測量系統(tǒng)。該電壓測量系統(tǒng)采用一個用于峰值電壓測量的數(shù)字峰值檢測電路(22)。該電壓測量系統(tǒng)采用一個用來以與線路頻率倍增因數(shù)相對應(yīng)的預(yù)定間隔存儲電壓信號的試樣的存儲器裝置(24)。在存儲器裝置中的試樣然后用來計算均方根電壓。
文檔編號G01R19/25GK1303481SQ98814156
公開日2001年7月11日 申請日期1998年10月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月10日
發(fā)明者蒂莫西·J·福希特, 尼爾·S·福里 申請人:哈貝爾公司