專利名稱：手持式鉗形數(shù)字電流諧波分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種數(shù)字電流諧波分析儀，特別是涉及一種用于測(cè)試電力電網(wǎng)中諧波電流含量的手持式鉗形數(shù)字電流諧波分析儀。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的諧波分析儀一般是采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)工作抗外界干擾能力差，有的雖然采用數(shù)字電路，但是電路不能自動(dòng)選擇電流檔位。在小電流情況下，就選擇小電流檔位；在大電流情況下，就選擇大電流檔位。選擇電流檔位需要人為地去選擇，在中間部位的電流選擇什么樣的檔位就很難辦到。另一方面，目前使用的諧波分析儀一般是大型儀器或者依賴計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，體積比較大，不能隨身攜帶，不便于電力部門現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，即使有便攜式測(cè)量設(shè)備應(yīng)用，基本上是進(jìn)口的，價(jià)格昂貴。除此之外，現(xiàn)有技術(shù)還存在一些問(wèn)題(1)處理能力差，可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間較小，運(yùn)算速度較慢，難以運(yùn)行精度嚴(yán)格的算法進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理；(2)現(xiàn)有的處理器一般是用51系列和96系列單片機(jī)，隨著電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量和計(jì)算能力的不斷提高，這些器件在計(jì)算能力方面已不能很好的適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求；(3)有的分析儀無(wú)通訊和控制輸出功能，不能滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的發(fā)展要求。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于測(cè)試電力電網(wǎng)中諧波電流含量的手持式鉗形數(shù)字電流諧波分析儀。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是包括電源電路、電磁型互感器、測(cè)量電路、數(shù)字信號(hào)處理器、鍵盤電路和LCD顯示電路，所述的測(cè)量電路包括采樣電路、自動(dòng)選檔電路和調(diào)理電路，采樣電路由采樣電阻R1和R2組成，自動(dòng)選檔電路主由推放管T和繼電器組成，調(diào)理電路由運(yùn)算放大器AV1、AV2及輔助器件組成，采樣電阻R1和R2的一端連接在鉗型互感器的副邊的一端，采樣電阻R1和R2的另一端經(jīng)繼電器的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)連接在鉗型互感器的副邊的另一端，鉗型互感器的副邊兩端也連接運(yùn)算放大器AV1的正反相輸入端，運(yùn)算放大器AV1的輸出端連接運(yùn)算放大器AV2的正相輸入端，運(yùn)算放大器AV2的輸出端連接所述數(shù)字信號(hào)處理器的測(cè)量電流信號(hào)輸入端口，所述數(shù)字信號(hào)處理器的量程控制信號(hào)輸出端連接推放管T的基極。由采樣電路獲得測(cè)量電流信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路輸入到數(shù)字信號(hào)處理器處理，通過(guò)鍵盤選擇可以把測(cè)量值以及動(dòng)態(tài)的顯示諧波的情況顯示在液晶顯示器上，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器處理根據(jù)測(cè)得的處理結(jié)果反饋控制自動(dòng)選檔電路選擇量程。
本實(shí)用新型在運(yùn)算放大器AV1的正相輸入端與輸出端之間連接由電容C、電阻RC1和RC2組成的濾波電路。
本實(shí)用新型在運(yùn)算放大器AV2的輸出端連接由二極管D1和D2組成的鉗位保護(hù)電路。
本實(shí)用新型還包括通訊接口電路，通訊接口電路連接到數(shù)字信號(hào)處理器的相應(yīng)端口上。
本實(shí)用新型采用高集成的數(shù)字信號(hào)處理芯片，本實(shí)用新型采用的是TMS320F2407A。
本實(shí)用新型所述自動(dòng)選擇電流檔位，采用數(shù)字電路和軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇電流檔位，軟件設(shè)計(jì)程序按功能分初始化功能模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)化功能模塊、參數(shù)計(jì)算及指標(biāo)分析功能模塊?？煞譃橹鞒绦?、采樣中斷子程序、鍵盤中斷子程序3個(gè)部分。主程序完成系統(tǒng)的初始化，設(shè)定各種標(biāo)志位和相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志位，然后等待中斷，判斷鍵盤的設(shè)定，判斷數(shù)據(jù)是否采集完畢，在數(shù)據(jù)采集完，進(jìn)行運(yùn)算得到各種指標(biāo)輸出到LCD。
所述采樣中斷子程序，采樣中斷子程序響應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢的中斷信號(hào)，存取采樣數(shù)據(jù)，對(duì)采樣進(jìn)行計(jì)算，確定是否一個(gè)周期的數(shù)據(jù)采樣完畢，及能否進(jìn)行FFT運(yùn)算和其它的計(jì)算工作，控制數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP定時(shí)器。
所述鍵盤中斷流程圖，為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，利用了F2407A的I/O進(jìn)行鍵盤模塊的硬件設(shè)計(jì)。鍵盤事件以中斷形式通知數(shù)字信號(hào)處理芯片，鍵盤的中斷引腳是I/O口復(fù)用引腳，所以等鍵盤中斷事件發(fā)生后，將該引腳設(shè)置為輸入引腳避免中斷事件的再次觸發(fā)，延遲30毫秒后讀取該引腳電平，如果電平為低，說(shuō)明是正確的中斷觸發(fā)，否則是抖動(dòng)。鍵盤模塊完成的功能是系統(tǒng)與用戶之間的交互，允許用戶通過(guò)鍵盤進(jìn)行各種功能指標(biāo)的操作和設(shè)定。
本實(shí)用新型工作原理當(dāng)測(cè)量電流經(jīng)過(guò)采樣電路處理后，經(jīng)轉(zhuǎn)化，獲得一個(gè)周期的離散數(shù)字序列，再經(jīng)加窗技術(shù)處理后列通過(guò)快速傅立葉變換計(jì)算出1-50次諧波的幅值和含量以及電流的有效值，通過(guò)鍵盤選擇可以讀出任何值以及動(dòng)態(tài)的顯示諧波的情況。
本實(shí)用新型的有益效果是(1)自動(dòng)選擇電流檔位，測(cè)量范圍寬，算法上采用了加窗技術(shù)，防止了頻譜泄漏，在0.5-500A大范圍測(cè)量時(shí)自動(dòng)選檔；(2)測(cè)量精確，設(shè)計(jì)采用了高精度的電磁型互感器，系統(tǒng)在測(cè)量電流時(shí)采用雙量程的辦法，測(cè)量小信號(hào)用大的采樣電阻，測(cè)量大信號(hào)則采用小的采樣電阻，保證測(cè)量的精度；(3)體積小，采用高集成的數(shù)字信號(hào)處理芯片(TMS320F2407A)較少外圍擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能更強(qiáng)大，減少了體積，便于攜帶，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量快速，便于在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)使用；(4)采用數(shù)字電路和軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇電流檔位，能夠保證自動(dòng)選擇的檔位可以最精確，比模擬電路可靠；(5)采用最新數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，儀器全數(shù)字化，抗外界干擾能力強(qiáng)；(6)采用通訊接口，并與計(jì)算機(jī)連接保存數(shù)據(jù)，LCD顯示，畫面形象；(7)制造成本低，性能好，比進(jìn)口同類產(chǎn)品價(jià)格低。
圖1是本實(shí)用新型外觀正視圖；圖2是本實(shí)用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖；圖3是本實(shí)用新型電路原理圖；圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10是本實(shí)用新型顯示器和鍵盤面板開(kāi)機(jī)使用狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
參照?qǐng)D1～2，本實(shí)用新型主要包括電磁型互感器、數(shù)字信號(hào)處理器、鍵盤電路、LCD顯示電路、采樣電路、自動(dòng)選檔電路、調(diào)理電路、RS232通訊接口及電源電路。測(cè)量電流采樣經(jīng)過(guò)處理后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化，獲得一個(gè)周期的離散數(shù)字序列，再經(jīng)加窗技術(shù)處理后列通過(guò)快速傅立葉變換計(jì)算出1-50次諧波的幅值和含量以及電流的有效值，通過(guò)鍵盤選擇讀出測(cè)量值以及動(dòng)態(tài)的顯示諧波的情況。電流測(cè)量范圍0.5A-500A，測(cè)量范圍寬，采用高精度的電磁型互感器，誤差線性度0.2L。互感器變比1/2000，副邊電流為0.25-250mA，動(dòng)態(tài)范圍為1000倍。系統(tǒng)在測(cè)量電流時(shí)采用雙量程的辦法，測(cè)量小信號(hào)用大的采樣電阻，測(cè)量大信號(hào)則采用小的采樣電阻，保證測(cè)量的精度。采樣時(shí)，由數(shù)字信號(hào)處理器芯片擴(kuò)展I/O口依次控制選擇通道進(jìn)行選擇，選擇原則是從最小通道開(kāi)始依次開(kāi)通，選擇通過(guò)電壓最大而沒(méi)有超過(guò)AD測(cè)量范圍的通道，這樣使每次采樣的信號(hào)幅度盡可能逼近AD滿量程，提高了測(cè)量的精度，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)的信號(hào)是幅度比較小的雙極性信號(hào)，不適合AD采樣要求，所以又經(jīng)過(guò)10倍放大，電平提升，成為0-3V范圍內(nèi)AD可以測(cè)量的信號(hào)引入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行采樣處理。
參照?qǐng)D3，本實(shí)用新型實(shí)施例之一，它包括電源電路、電磁型互感器、測(cè)量電路、數(shù)字信號(hào)處理器、鍵盤電路和LCD顯示電路，測(cè)量電路包括采樣電路、自動(dòng)選檔電路和調(diào)理電路，采樣電路由采樣電阻R1和R2組成，自動(dòng)選檔電路由推放管T和繼電器J組成，調(diào)理電路由運(yùn)算放大器AV1、AV2及輔助器件組成，采樣電阻R1和R2的一端連接在鉗型互感器的副邊的一端，采樣電阻R1和R2的另一端經(jīng)繼電器J的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)連接在鉗型互感器的副邊的另一端，鉗型互感器的副邊兩端也連接運(yùn)算放大器AV1的正反相輸入端，運(yùn)算放大器AV1的輸出端連接運(yùn)算放大器AV2的正相輸入端，運(yùn)算放大器AV2的輸出端連接所述數(shù)字信號(hào)處理器的測(cè)量電流信號(hào)輸入端口，數(shù)字信號(hào)處理器的量程控制信號(hào)輸出端連接推放管T的基極。由采樣電路獲得測(cè)量電流信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路輸入到數(shù)字信號(hào)處理器處理，通過(guò)鍵盤選擇把測(cè)量值以及動(dòng)態(tài)的顯示諧波的情況顯示在液晶顯示器上，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器處理根據(jù)測(cè)得的處理結(jié)果反饋控制自動(dòng)選檔電路選擇量程。在運(yùn)算放大器AV1的正相輸入端與輸出端之間連接由電容C、電阻RC1和RC2組成的濾波電路，在運(yùn)算放大器AV2的輸出端連接由二極管D1和D2組成的鉗位保護(hù)電路，通訊接口電路連接到數(shù)字信號(hào)處理器的相應(yīng)端口上，采用高集成的數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2407A。
測(cè)量電流I經(jīng)過(guò)鉗型互感器，互感器副邊上的采樣電阻R1和R2通過(guò)接在數(shù)字信號(hào)處理器DSP選擇采樣電流，用于小電流采樣電阻是200Ω，用于大電流采樣電阻是5Ω，再后面連接一個(gè)運(yùn)算放大器以及電容C、電阻RC1和RC2用來(lái)濾波，消除5KHZ以上的高頻干擾，消除了高頻信號(hào)后，信號(hào)進(jìn)入調(diào)理電路。調(diào)理電路由一個(gè)頻率范圍很寬的運(yùn)算放大器及輔助器件組成，信號(hào)經(jīng)過(guò)RT2進(jìn)入運(yùn)算放大器，在運(yùn)算放大器的正端經(jīng)+3V的電平抬升電位，然后經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器跟蹤這個(gè)抬升電位的單極性信號(hào)，再經(jīng)RT4消除高頻干擾，把信號(hào)調(diào)理成0-3V的范圍里，同時(shí)把雙極性的信號(hào)變成單極性的信號(hào)讓DSP接受。D1和D2是保護(hù)電路，防止電位超過(guò)DSP的處理范圍。
鍵盤由4個(gè)鍵組成，重起鍵REST，采樣鍵START，選擇鍵CHOOSE，確定鍵ENTER，鍵盤4個(gè)鍵分別連接在DSP的IOPE1，IOPE2，IOPE3，ADCSOC接口上面，平時(shí)是高電平，保持在3.3V，這樣有助于抗干擾，當(dāng)有鍵按下時(shí)就使電平變?yōu)榈碗娖?。根?jù)電平的變化，程序就做相應(yīng)的事。液晶顯示LCD選用的是南亞的圖形液晶模塊128*64，型號(hào)LMA97S005AD。液晶顯示LCD連接在DSP上，連接方式是LCD的D0-D7數(shù)據(jù)口接在DSP的IOPB0-7腳上，D/I接在IOPA2上，R/W接在IOPA3上，E接在IOPA4上，CS1和CS2分別接在IOPA5和IOPA6上，根據(jù)LCD顯示的畫面上通過(guò)鍵盤選擇不同的按鍵操作，然后通過(guò)數(shù)據(jù)線把要顯示的內(nèi)容顯示到LCD上。通訊接口選用RS232，帶有PC使用程序。電源電路采用了低功耗的電源轉(zhuǎn)換芯片，選用9V電池供電，保證電池的待機(jī)時(shí)間。DSP和鍵盤要采用3.3V供電，LCD要采用5V供電，調(diào)理電路直接用9V供電。
參照?qǐng)D4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10，本實(shí)用新型顯示器和鍵盤面板開(kāi)機(jī)使用說(shuō)明如下(1)開(kāi)機(jī)LCD畫面顯示歡迎使用手持式鉗形數(shù)字電流諧波分析儀，見(jiàn)圖4。
(2)選項(xiàng)按下采樣鍵START，同時(shí)LCD畫面出現(xiàn)的畫面是4個(gè)選項(xiàng)，4個(gè)選項(xiàng)分別是有效值、諧波分析、頻譜分析和系統(tǒng)分析，見(jiàn)圖5，可以通過(guò)選擇鍵CHOOSE進(jìn)行循環(huán)選擇，按確定鍵ENTER確定進(jìn)入下層①如果選擇第一項(xiàng)有效值，按下確定鍵ENTER，出現(xiàn)的畫面是您測(cè)量的有效值XXX.XX，見(jiàn)圖6，然后讀出電流的有效值。
②如果選擇第二項(xiàng)諧波分析，按下確定鍵ENTER，出現(xiàn)的畫面見(jiàn)圖7，接著就是選擇諧波次數(shù)，按選擇鍵選擇諧波次數(shù)，按確定鍵讀出相應(yīng)的值見(jiàn)圖8。
③如果選擇第三項(xiàng)頻譜分析，按下確定鍵ENTER，出現(xiàn)的畫面見(jiàn)圖9。
④如果選擇第四項(xiàng)系統(tǒng)信息，按下確定鍵ENTER，出現(xiàn)的畫面見(jiàn)圖10。
權(quán)利要求1.一種手持式鉗形數(shù)字電流諧波分析儀，包括電源電路、電磁型互感器、測(cè)量電路、數(shù)字信號(hào)處理器、鍵盤電路和顯示電路，其特征在于所述的測(cè)量電路包括采樣電路、自動(dòng)選檔電路和調(diào)理電路，采樣電路由采樣電阻R1和R2組成，自動(dòng)選檔電路主由推放管T和繼電器組成，調(diào)理電路由運(yùn)算放大器AV1、AV2及輔助器件組成，采樣電阻R1和R2的一端連接在鉗型互感器的副邊的一端，采樣電阻R1和R2的另一端經(jīng)繼電器的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)連接在鉗型互感器的副邊的另一端，鉗型互感器的副邊兩端也連接運(yùn)算放大器AV1的正反相輸入端，運(yùn)算放大器AV1的輸出端連接運(yùn)算放大器AV2的正相輸入端，運(yùn)算放大器AV2的輸出端連接所述數(shù)字信號(hào)處理器的測(cè)量電流信號(hào)輸入端口，所述數(shù)字信號(hào)處理器的量程控制信號(hào)輸出端連接推放管T的基極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持式鉗形數(shù)字電流諧波分析儀，其特征是在運(yùn)算放大器AV1的正相輸入端與輸出端之間連接由電容C、電阻RC1和RC2組成的濾波電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持式鉗形數(shù)字電流諧波分析儀，其特征是在運(yùn)算放大器AV2的輸出端連接由二極管D1和D2組成的鉗位保護(hù)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持式鉗形數(shù)字電流諧波分析儀，其特征是包括通訊接口電路，通訊接口電路連接到數(shù)字信號(hào)處理器的相應(yīng)端口上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種手持式鉗形數(shù)字電流諧波分析儀，包括電源電路、電磁型互感器、采樣電路、自動(dòng)選檔電路、調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)處理器、鍵盤電路和顯示電路，由采樣電路獲得測(cè)量電流信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路輸入到數(shù)字信號(hào)處理器處理，通過(guò)鍵盤選擇可以把測(cè)量值以及動(dòng)態(tài)的顯示諧波的情況顯示在液晶顯示器上，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器處理根據(jù)測(cè)得的處理結(jié)果反饋控制自動(dòng)選檔電路選擇量程。本實(shí)用新型測(cè)量范圍寬，測(cè)量精確，操作簡(jiǎn)便快速，體積小便于攜帶，便于在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)使用。
文檔編號(hào)G01R23/16GK2665720SQ200320118489
公開(kāi)日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者蔡麗娟, 鄒祖冰 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)