一款三相电参数测试仪的解剖与分析Word格式.docx

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近年来，随着国民经济的快速发展，电力系统及其相关产业也随即不断发展，电力电子装置和非线性设备在公共电网中的得到了广泛应用，但这同时也使得电网中的电压波形、电流波形产生变化，谐波干扰增加，严重影响和威胁着电能质量,面对这些因素，电参数测试仪也在结构和性能上都有了很大的发展。

本文主要介绍的是日本横河公司生产的型号为“253751”系列的三相电参数测试仪电压测量部分的硬件结构。

分析它在信号采集电路上与传统电路的区别及其优势所在，并列出元器件的选型状况，分析仪器高精度标准的主要构架。

最后对板子的整体布局进行分析，理解设备对EMC的处理方式和工艺。

关键词

电参数测试仪；

信号采集；

EMC处理

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofnationaleconomy,electricpowersystemanditsrelatedindustriesalsoimmediatelycontinuousdevelopment,powerelectronicsandnonlinearequipmenthasbeenwidelyapplicationinthepublicpowergrid,butitalsomakesthegridchangeofvoltagewaveform,currentwaveformandharmonicinterferenceincreases,theseriousinfluenceandthreatenthepowerquality,inthefaceofthesefactors,theelectricparametertesterisalsoonthestructureandperformancehasagreatdevelopment.Yokogawacompanyaremainlyintroducedinthispapertheproductionmodelforthe"

253751"

seriesthree-phaseelectricparametertesterforvoltagemeasurementpartofthehardwarestructure.Analyseitintraditionalsignalacquisitioncircuitandcircuitdifferenceandadvantage,andlistthecomponentsselection,analysisofmainframeworkofstandardhighprecisioninstrument.Finallyanalyzetheoveralllayoutoftheboard,understandtheapproachandtechnologyoftheequipmentforEMC.

Keywords

Electricalparametertester;

Signalacquisition;

EMCprocessing

目录

1．引言1

1.1　研究的目的和意义1

1.2　电参数测量仪的发展状况与趋势2

1.2.1　电参数测量仪的发展历程2

1.2.2　国内外研究状况2

1.3　本课题的主要任务4

2．系统总体结构4

2.1　系统框图4

2.2　主要芯片资料5

2.2.1　主要芯片5

2.2.2　主要芯片资料5

2.3　硬件结构剖析16

2.3.1　输入保护电路16

2.3.2　不同量程滤波电路17

2.3.3　量程选择电路18

2.3.4　信号的分频处理部分20

2.3.5　不同频带信号选择电路21

2.3.6　信号放大电路24

2.3.7　频率测量电路25

2.3.8　模数转换电路27

2.3.9　控制信号的转换电路28

2.3.10　整形隔离电路28

2.3.11　光耦隔离电路30

2.3.12　微处理器接口32

3．系统抗干扰分析32

4．总结34

谢辞35

1．引言

最近几年以来，伴随着我国国民经济的快速发展，电力系统及其相关产业的发展以及电能管理制度的不断完善，电力电子行业的发展浪潮持续高涨，电参数测试仪在结构和性能上都有了很大的发展和改进。

传统的电磁式电参数测试仪正在逐步被电子式多功能电参数测试仪所替代，并结合全球无线传输技术及远方抄表技术，占据着配电自动化系统的主要部分。

电力电子装置和非线性设备在公共电网中的广泛应用，使得电网中的电压、电流波形产生畸变，谐波干扰增加，这种状况严重影响和威胁着电能质量；

另一方面，许多高端性能的家用电器、高精度试验仪器及办公设备、用于精密生产过程的自动控制设备以及对供电质量敏感的用电设备不断普及，这对电力系统供电质量的要求越来越高，解决电能质量问题成为近年来各个方面关注的热点，电能质量监测是当前所研究的一个重点问题，高精度采集三相电信号参数，有助于进一步分析控制并提高电能质量[1]。

1.1　研究的目的和意义

在现代工农业生产及人们的日常生活中，电能是一种用途最广泛的能源。

它不仅清洁方便经济实用，而且容易传输和转换，对电能的使用程度已成为衡量一个国家工业的发展水平的一个主要标准。

电能质量不仅影响着用户设备的正常工作状况，而且对电网的安全、经济运行都有着至关重要的作用。

近几年，国内用电量迅速增长，随着全国联网及特高压电网建设，电力电子学的发展，电力电子器件和电力电子设备在公共电网中的广泛应用，出现了许多谐波干扰，电压干扰及波动，电源质量恶化的状况。

而许多和电能质量有关的敏感控制设备和自动化设备越来越多的应用在工农业生产及人们的日常生活中，干扰和恶化对正在运行系统的安全性产生了严重的威胁，所以加强电能系统及电能质量的监测和管理是十分必要的。

实时、准确及有效的测量用电系统的各项参数，对电网的安全运行极为有利，而且对用户用电设备的正常运行有着极其重要的意义，最重要的是减少电能的浪费。

因此，监控三相电用电系统的电压、电流的有效值、有功功率、无功功率和功率因数、相角频率及电能等参数，对用电安全和减少用电浪费具有十分重要的意义。

1.2　电参数测量仪的发展状况与趋势

1.2.1　电参数测量仪的发展历程

传统的电参数测量是通过对模拟电压信号、电流信号的采样和计算来完成测量。

主要经历了以下几个阶段：

1.以模拟测量为主，通过基于电磁通量原理的指针式。

但其机械结构和电磁通量结构比较复杂，测量的精度也不高。

2.经过直流采样，将被测量信号整流成直流量，通过测量其平均值来测量被测参数的有效值。

这种方法软件设计简单，计算速度快。

但是，整流电路的准确度和稳定性直接影响着测量准确度，整流电路参数调整起来困难。

3.主要靠交流采样，先将电压、电流信号经高精度的电压、电流互感器转换成系统可测量的交流小信号，经过A/D转换器转换，然后再由微处理器进行计算。

这种方法可以采用不同的算法得到所需要的各种信息（如有效值、相位、频率等），实时性好，精度高。

随着微型处理器技术的不断发展和电力参数实时测量要求的不断提高，交流信号采样技术已经慢慢取代了直流采样技术。

大量电子器件的相继出现，对电能参数的测量由传统的电能表，逐渐被数字乘法器型电子式电能表取代。

特别是电能计量专用芯片出现以后，在很大程度上简化了测量电路的复杂性[2]。

1.2.2　国内外研究状况

从2003年以来，随着国内城镇电网进行大规模改造和建设，电力系统对三相多功能电能表的需求量迅速增长，到2004年产量估计约70万台，到目前为止，电能表的数量已是这个数量的好几倍。

国际、国内电表企业也纷纷看好电子产业快速发展的商机，抓紧新技术开发，不断推出了三相多功能表的新产品，以满足电能表市场的应用需求[3]。

电参数测试仪伴随着一系列电子产品的出现而诞生，到目前为止，已经有很长的发展历史。

以前，国内外进行电参数的参数测试普遍采用的是机械式电参数测试仪，也被称作感应式电参数测试仪，其制造技术成熟，价格低，性能也相当优越，特别是这类电参数测试仪对电源瞬变及各种频率的无线电干扰抗干扰能力强。

但是由于其机械机构的局限性及原理的的复杂度，在提高测试精度方面已经十分困难。

另外，由于电力系统一些新设备的投入应运及大量电子设备的广泛应用，由电能质量引起的问题日益增多，但对于电能管理来说，实现合理的电能分配及定制电能应用计划，机械式电参数测试仪已不能满足现代化电能管理的要求。

与传统的机械表相比，采用电子计量原理的三相多功能表，具有测试精度稿、可测试参数多、能计量谐波功率等优势。

从总体来看，三相多功能表是具有稳态电力负荷的计量产品，由于其应用范围不断扩大，电力系统也对电表逐渐提出新的技术要求。

现在市场上的三相多功能表性能和品质也不能完全适应电力系统的需求。

所以对如何合理地评估产品技术发展趋势，优化产品设计方案，推进三相多功能电表技术的发展状况，毋庸置疑是电表行业和电力系统共同关注的问题[4]。

目前国际上三相电能表技术的研究方向向着高精度、长寿命计量，高速率、实时测量的方向发展。

准确度可达到0.1%的有功电能计量，0.2S级三相基波表，具有分相的2—50次谐波有功功率计量。

高速率交流采样速率可达到256点/周波，记录周期最短为10毫秒[4][5]。

在我国，国产的三相多功能电能表也出现一些新技术，国产的电子式三相多功能表由于技术发展较晚，近年来，不断学习国际计量技术与管理经验，注重自主开发，强化自主产权，取得了很大的进步：

0.2S级有功功率计量仪，16位∑-△A/D芯片，160MIPS的DSP（交流采样速率256点/周波），负荷曲线记录和容量为4M字节的存储器，互感器合成误差补偿，变压器铜损及铁损计算；

0.5S级三相基波有功表，采用三相SOC单芯片或三相有功、无功计量芯片的低端三相多功能表设计，从技术上适应电表量大、面广的市场需求；

高压电能表，采用电子式传感器，悬浮式电源设计，有功电能计量准确度为0.5级，用于10千伏中压电网直接计量电能量。

三相电能计量专用芯片（具有基波/谐波电能计量功能，16位∑-△A/D，负荷动态范围1000:

1，线性度0.1%，测量带宽21次谐波，集成有温度传感器）；

采用Hilbert数字滤波器计量谐波无功功率的三相计量芯片；

采用数字并行算法和降低晶振频率技术的低功耗三相有功功率计量芯片[4][5]。

综上，历经十多年的发展，国内三相多功能表种类也开始多了起来，其中中、低端电表的技术研发能力较强，特别是冲击负荷电能计量理论与算法、谐波无功功率计量、具有谐波功率计量的三相专用芯片、高压电能表、GPRS通信技术应用、电能远程校准等技术项目具有创新意义。

同时也应该注意到，高性能的电表技术还不成熟，电网关口的测量仍旧依靠进口电表，这也是我们应该考虑的问题[6]。

面对现状，展望未来，我们要切合实际超前预测未来电表应用领域和技术需求的变化，才能沿着正确的产品技术之路前进。

1.3　本课题的主要任务

本课题主要是对日本横河公司的一款三相电参数测试仪的电压测量电路进行剖析并画出其原理图，分析其在高精度表的研究方面对硬件电路的布置和基本元器件的选型。

并对板子的整体布局进行分析，说明其对EMC的处理及信号的隔离技术。

2．系统总体结构

2.1　系统框图

图2-1　电参数测试仪电压测量部分的系统框图

2.2　主要芯片资料

2.2.1　主要芯片

系统用到的主要芯片及其型号，数目和单价如表2.1所示：

表2.1　主要芯片

2.2.2　主要芯片资料

（1）G6HK-2

图2-2　G6HK-2的结构图

G6HK-2是由日本欧姆龙公司生产的一款袖珍型双刀双掷两级信号切换用继电器，其功耗低（单端只有140mW）,磁场干扰能力弱，灵敏度高，瞬变电阻小（最大为100mΩ）,动作时间短（1-1.5ms），频率特性高，耐电压能力强（1500VAC,50/60HZ）,重量轻（1.5g）。

动作速度快，实现高度5mm，可以与半导体元件安装于同一基板,低消耗电力实现的低热起电力化（约2μV）。

可进行高密度实装[8,12]。

本系统选择这款继电器，从性能上讲其功耗低，抗干扰能力强，对于满足系统本身的高精度及低功耗要求很合适；

另一方面，其体积小，也是选在本系统中的一大优势，完全实现了其高密度实装的优点。

（2）AD845KN

图2-3　AD845结构图

AD845KN是一款快速，精密且具有结晶型场效应管输入的单片集成型运算放大器，其有先进的激光晶圆技术配置，能出色的实现低输入补偿电压和低补偿电压漂移性能，转换速率可达到100V/s,单位增益带宽为16MHz，校正时间短，驱动负载能力强，是场效应晶体管输入的运算放大器中的佼佼者。

其经常被用于一些有源滤波电路，取样保持电路，高速积分电路，A/D及D/A转换电路中。

最大供电电压15V，频率范围0.1HZ-100KHZ，开环增益250-500[12]。

根据AD845KN的快速，精密特性以及其驱动能力，也是本系统选择其作为运算放大器的主要原因。

（3）AD812

图2-4　AD812管脚排列

AD812是一款低功耗，可单电源+3V供电的双极放大器，每个放大器有50mA的输出电流可用来驱动高至150Ω的负载。

40Mhz时的增益平稳度为0.1dB,差分增益误差（0.02%）和差分相位误差（0.02。

）小，单位增益频宽145MHz，转换速率为1600V/ms，所以其常常用在一些单电源+5V供电或双电源至+18V供电的通用性高速应用系统中[12]。

（4）AD817

图2-5　AD817管脚排列

AD817是一种低成本,低功耗,单/双电源供电,高速运算放大器非常适合于广泛的信号调理和数据采集应用.这一突破性的产品还具有高输出电流驱动能力和无限大容性负载驱动能力,同时仍然保持出色的信号完整性。

单位增益带宽为50MHz，转换速率350V/s，稳定时间45ns，单电源+5v供电，双电源时供电电压为5-15v，电源的灵活性再加上极低的电源电流（7.5mA）和出色的交流特性，在所有电源条下,AD817在许多敏感电源应用电路里显得很完美。

在实际应用中,如ADC缓冲器和线路驱动器中，AD817具有的50mA最小输出电流和驱动无限大容性负载的能力,简化了设计任务[12]。

根据AD817出色的驱动性能，常用于ADC缓冲器和线路驱动器中，本系统也将其作为AD9220的驱动部分。

（5）AD744

图2-6　AD744管脚排列

AD744是一款快速稳定,精密,FET输入的单片运算放大器.以增强转换率和带宽的AD711BiFET家族中它提供了优异的直流特性,AD744还提供了使用自定义补偿来实现特殊的容性负载驱动能力的选择.AD744的单极点响应提供快速的结算：

500ns至0.01％.此功能结合其高直流精度SION,使得它适合作为一个缓冲放大器,用于12位,14位或16位的DAC和ADC。

其出色的动态响应特性决定它常用作前置放大器或有源滤波器[12]。

（6）CD4053BF

图2-7　CD4053BF管脚排列

CD4053是三2通道数字控制模拟开关，三个数字控制输入端A、B、C是相互独立的，而且具有一个INH输入口，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。

幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰-峰值至20V的数字信号。

例如若VDD＝+5，VSS＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。

这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD－VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。

当INH输入端＝“1”时，所有通道截止。

控制输入为高电平时，“0”通道被选，反之，“1”通道被选。

主要用于模拟数字信号多路复用和多路分解，A/D和D/A的转换电路及信号选通电路中[3，8,12,13]。

图2-8　CD4053真值表

图2-9　CD4053逻辑框图

图2-10　CD4053引脚功能

（7）DG444DY

图2-11　DG444DY管脚排列

DG444DY是一款单片四路SPST,CMOS模拟开关，它包括四个独立的单刀单掷（SPST）模拟开关和TTL及CMOS兼容数字输入端口，与DG211和DG212相比，其有更低的模拟导通电阻（85Ω）和更快的开关时间（tON<

250ns），电荷注入量少，应用简单。

IN1-IN4分别是逻辑控制端子，D1-D4为信号输出端子，S1-S4为信号输入端子。

主要用途有：

音频切换器，电池控制系统，高能耗系统，取样保持系统，通讯系统和自动测试系统[12]。

图2-12　DG444DY的真值表

（8）AD9220

AD9220是一款单电源12位模拟数字转换器。

产品提供了一个完整的单芯片样品12位，采样速率高达10.0MSPS，单5v电源供电时功耗仅为250mw，积分非线性误差0.5LSB，差分非线性误差0.3LSB，输入参考噪声0.09LSB，具有完善的电压基准能力和采样保持能力，信号与噪声及失真之比70分贝，无杂散动态范围86分贝。

一般情况下，为了满足直流精度和温度漂移特性，可采用外部基准电压。

它本身采用一种带有宽带输入采样的四级流水结构，使其在指定数据率的情况下为１２位数据精确提供了数字输出错误修正，保证了在整个操作温度范围内没有误码。

AD9220有一个非常灵活的输入端，允许它和单端或差分接口电路连接单端输入，要求当ＶＩＮＢ在一个中间代码过渡有直流偏移时，ＶＩＮＡ是来自信号源的Ｄｃ或ＡＣ信号。

AD9220的输入极其灵活，可以方便的连接到映像，媒体，通讯和数据采集系统中，真差分输入结构使单端输入和差分输入采样接口均支持各种输入范围[14]。

本系统中AD9220采用差分输入方式，这种方式的好处在于：

a对于这个设备的共模干扰具有抑制作用；

b可以最小程度的降低偶次谐波；

c信号波动小，对于信号源的线性度要求容易实现；

d用于信号波动小，因此被带宽所限制的不同运放都可以使用。

其引脚功能说明：

1脚CLK:

时钟输入端2脚BIT12:

数据输出最低位LSB;

3～12脚BIT1N:

数据输出位;

13脚BIT1:

数据输出最高位MSB;

14脚OTR:

数据溢出标志位;

15、26AVDD:

+5V模拟电源;

16、25AVSS:

模拟地;

17SENSE:

参考选择;

18VREF:

I/O参考;

19REFCOM:

通用参考;

20、21CAPB、CAPT:

减噪管脚;

22CML:

共模方式;

23VINA:

模拟输入正端;

24VINB:

模拟输入负端;

27DVSS:

数字地;

28DVDD:

+3V～+5V数字电源端[16]

图2-13　AD9220功能框图

图2-14　AD9220管脚排列

（9）BU4094

图2-15　BU4094管脚排列

BU4094是带输出锁存和三态控制的串入/并出高速移位存储总线寄存器，具有使用简单、功耗低、驱动能力强和控制灵活等优点。

引脚定义如图14。

其中

（1）脚为锁存端，

（2）脚为串行数据输入端，（3）脚为串行时钟端。

（1）脚为高电平时，8位并行输出口Q1～Q8在时钟的上升沿随串行输入而变化；

（1）脚为低电平时，输出锁定。

利用锁存端可方便地进行片选和级联输出控制。

（15）脚为并行输出状态控制端，（15）脚为低电平时，并行输出端处在高阻状态，在用BU4094作显示输出时，可使显示数码闪烁。

（9）脚QS、（10）脚Q′S是串行数据输出端，用于级联。

QS端在第9个串行时钟的上升沿开始输出，Q′S端在第9个串行时钟的下降沿开始输出。

当BU4094电源为5V时，输出电流大于3．2MA，灌电流为1MA。

串行时钟频率可达2．5MHZ[9,10]。

图2-16　BU4094真值表

（10）ALS04B

图2-17　ALS04B管脚排列

ALS04B是一款六路反相器，典型传播延迟为2.5ns，典型电源电流值为2.0mA。

通用电源输入值为5V[12]。

图2-18　ALS04B真值表

（11）HCPL2430

图2-19　HCPL2430管脚排列

图2-20　HCPL2430真值表

HCPL2430是一款高速，强共模抑制能力的光耦器件。

它由高速光发射二极管和高速光接收器件构成，在这种配置方式下，它的输入电流小，数据传输快，而且图腾柱式的输出方式对数据总线也具有很强的驱动能力。

主要用于高速的数据隔离系统，计算机外围接口，开关电源电路，A/D和D/A转换的数字隔离部分等[12]。

（12）LM360

图2-21　LM360管脚排列

LM360是具有改进特性超过μA760/μA760C的高速差分输入、互补TTL输出电压比较器，对μA760/μA760C能进行引脚对引脚替代。

器件已经被优化为更大的速度、输入阻抗和扇出，并且有更低的输入偏移电压，对过驱动变化的电压为5—400mV，延迟变化仅为3ns（典型值）[8,12]。

1）保证高速，20ns（最大值）；

2）在两个输出端紧密的延迟匹配；

3）互补的TTL输出；

4）高输入阻抗；

5）具有过驱动变化的低速变化；

6）扇出为4；

7）低输入偏移电压；

8）与74TTL系列兼容

（13）74AHC14

图2-22　74AHC14管脚排列

图2-23　74AHC14管脚功能

74AHC14是一款高速六脚反相施密特触发器，其引脚兼容低功耗肖特基TTL，具有平衡传输延迟特性，输入端可接受电压高于VCC，它能够将缓慢变化的输入信号转换成清晰,无抖动的输出信号[12]。

（14）TLP621

图2-24　TLP621管脚排列

管脚功能：

1：

阳极2：

阴极3：

发射极4：

集电极

TLP621-1特性：

集电极-发射极电压：

55V（最小）；

电流转换率：

50%（最小）；

GB级：

100%（最小）。

TLP621-1应用：

可编程控制器；

AC/DC输入模块；

固态继电器[20]。

2.3．硬件结构剖析

2.3.1　输入保护电路

图2-25　信号输入保护部分框图

信号输入保护部分框图如上图2-25所示，输入信号被标注为in，本系统最大输入电压为1000VAC，输入信号经一个降压电阻R5开始进入系统，R5的阻值为1MΩ，其