电能质量实验仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种电能质量实验仪，实验仪上设置有八位数显表、开关、信号输入端口、测量按键、功能按键和信号通信端口，实验仪内具有DSP主芯片，数据采样、A/D转换、锁相倍频和信号处理电路。本实验仪能实现对电能质量的多种参数的实时监测、显示等功能，同时能对各测量信息进行储存和信号通信，适合于电工学、物理等课程的测量与教学实验。
【专利说明】电能质量实验仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种电能质量实验仪，属于电子技术应用和实验应用的领域。
【背景技术】
[0002]当今社会，电能已经成为了人类赖以生存的能源之一。伴随着现代社会的飞速发展，电能的需求量在不断增加，同时电能质量问题也越来越引起供电方和用电方的关注。电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。在理想状态的公用电网下，电能是以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户进行供给。
[0003]但是近些年来，电网中的发电机、变压器、输电线路和各种用电设备的非线性和不对称性，许多新型的电力电子设备运行时向电力系统注入的谐波电流等，使公共连接点的电压波形严重畸变，以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，使得电力的理想状态并不存在。因此，对电网的电能质量监控是十分必要的。对电能质量测量也提出了更高的要求。
[0004]近年，数字信号处理器DSP的技术有了很大的发展，DSP芯片有着强大、快速的数据处理能力和定点、浮点的运算功能及很高的性价比，为电能质量实时监测提供了理想的解决方案。因此本实用新型在电能质量监测的硬件设计中结合DSP技术，极大地提高对原始采集数据的预处理和计算速度，实现数据采集处理系统的实时监测与计算。同时通过对电能质量的测量，能使学生更好的掌握和理解电的特性。
实用新型内容
[0005]针对现有的测量和实验仪器的不足，本实用新型设计的电能质量实验仪，采用高性能DSP处理技术，通过高速实时采集交流电流和电压模拟信号，在A/D转换后输入到DSP芯片中对数据进行实时分析处理，计算交流电的各种电力参数，得到交流电的多种电能质量信息，并能将监测数据进行存储或通过通信端口进行通信传输。
[0006]本实验仪上设置有八位数显表、开关、信号输入端口、测量按键、功能按键和信号通信端口，实验仪内具有DSP主芯片，数据采样、A/D转换、锁相倍频和信号处理电路。实验仪充分利用DSP高速计算能力实现FFT算法，对电能质量进行系统的监测。可完成为频率、电压波动和闪变、电压偏差、瞬态过电压、谐波及暂时过电压和相位平衡等电能质量指标的测量和显示。
[0007]本实用新型的DSP主芯片采用TI公司的TMS320F2812作为系统的核心芯片。TMS320F2812是一种高性能、低价位的数字信号处理器，它是32位定点DSP，每秒可执行
1.5亿次指令，具有单周期32位X 32位的乘法和累加操作功能。TMS320F2812片内集成了128kBX 16位的闪速存储器Flash，可方便地实现软件的升级。
[0008]同时它采用了高性能的静态CMOS技术，低功耗，由双路电源供电，内核是1.8V供电，I/O端口是3.3V供电；可以进行16位X 16位及32位X 32位的乘法和累加操作；主频可达150MHz，时钟周期可达6.67ns，大大提高了控制精确度和芯片的处理能力；提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便地进行浮点运算。[0009]通过TMS320F2812芯片能确保足够高的采样率，最高可达每周波1024点，同时本实验仪采用ADS8365芯片进行数据A/D转换与采集，从而实现高精度的多通道数据处理。
[0010]一般电力系统中高次谐波的含量非常低，但当A/D芯片的分辨率只为12位时，因A/D转换精度不够，对高次谐波会造成一定的误差，因而需要在测量单元中选用较高分辨率的A/D芯片。考虑到成本因素采用性价比较高的ADS8365芯片，它是TI公司的一款六通道、16位并行输出、同步采样的模数转换器。该芯片提供了一个灵活的高速并行接口，可直接与数字信号处理器TMS320F2812相连。
[0011]交流电网的频率为50Hz，但出现暂态或动态过程时，实际频率有波动。此时以定步长对每个工频周期内的信号采样，将出现采样点数及采样起止时间的差异，从而导致频谱栅栏效应，将使信号的分析结果误差很大。
[0012]本实用新型通过同步锁相倍频采样技术，使采样与电力信号同步，用以实时跟踪系统频率的波动，同时对系统频率进行倍频，倍频输出后的信号作为A/D的采样触发信号。本实验仪采用通用的CMOS集成电路锁相环⑶4046与串行分频器⑶4040组成的锁相倍频电路，输入电压信号通过电路变为方波信号进入⑶4046的相位比较器，经锁相环的相位锁定后，由CD4040确保输出的信号与原输入信号频率一致。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是实验仪外观图，其中的I是八位数显表、2是开关、3是信号输入端口、4是测量按键、5是功能按键、6是信号通信端口。
[0014]图2是系统电路原理图。
[0015]图3是锁相倍频电路图。
【具体实施方式】
[0016]结合附图，下面具体说明电能质量实验仪的工作和电路情况。
[0017]本实用新型设计了以低功耗6通道16位的A/D转换芯片ADS8365为数据采集转换芯片和高性能的32位定点DSP芯片TMS320F2812为数据运算和逻辑控制主芯片。
[0018]锁相倍频电路由锁相环芯片⑶4046、串行分频器⑶4040和低通滤波器组成，交流相电压经过同步方波变换后得到与相电压同步的50Hz方波，作为锁相倍频电路的输入信号进入锁相环芯片⑶4046的AIN引脚，VCOout引脚是⑶4046内部压控振荡器的输出端，其输出信号输入CD4040的CLK引脚，进行256倍的倍频，其倍频信号从二进制计数器⑶4040的Q8引脚输出又进入⑶4046的BIN引脚，即比较信号输入端，经⑶4046内部的相位比较器对两个信号进行相位比较后，从相位比较器的输出端PC2引脚输入，经过由R20、R21和C7组成的低通滤波器，将高频噪声滤除后，再进入⑶4046的内部压控振荡器，作为其控制信号，通过这样的一个闭环控制系统，经过不断的调节，使输出信号频率为输入信号频率的256倍，并且使输入信号与比较信号的频差为零。输出的同步信号经分压后，送入TMS3202812的捕获单元CAP3，用于频率的测量，以满足各电能质量指标的计算。
[0019]芯片ADS8365采用+5V数字电源供电，而其内部的缓冲器采用与TMS320F2812相同的+3.3V电压。缓冲器电压允许直接连接到3V或5V电压系统。因TMS320F2812的I/O电压为+3.3V，因此将ADS8365的缓冲器电压设置成+3.3V。[0020]本实验仪能实现对电能质量的多种参数的实时监测和显示等功能，同时能对各测量信息进行储存和信号通信，适合于电工学、物理等课程的测量与教学实验。
【权利要求】
1.一种电能质量实验仪，其特征是:实验仪上设置有八位数显表(I)、开关(2)、信号输入端口( 3 )、测量按键(4 )、功能按键(5 )和信号通信端口( 6 )，实验仪内具有DSP主芯片，数据采样、A/D转换、锁相倍频和信号处理电路。
2.根据权利要求1所述的电能质量实验仪，其特征是:其实验仪内的DSP主芯片采用TI公司的TMS320F2812，其A/D转换电路采用了 TI公司的ADS8365芯片。
【文档编号】G01R31/00GK203405524SQ201320567985
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】汪建, 赵良, 黄昕 申请人:四川农业大学, 汪建