一种单相电能质量分析仪输入前端的制作方法

本发明涉及一种单相电能质量分析仪输入前端，属于测量仪表领域。

背景技术：

单相电能质量分析仪可以对单相交流电源进行电能质量分析，包括电压、电流、功率、电能（功率*时间）进行测量，对电压、电流波形的失真度以及谐波进行分析，对浪涌、骤升骤降、瞬变进行记录，对现场的电能表进行校对，是一种集多种功能于一体的集成式便携仪表。单相电能质量分析仪的输入前端用于采集测量信号，然后将采集信号的信号传给后端，后端一般包括cpu、a/d转换器、显示屏、用于人机交互的输入模块等，操作员通过输入模块对分析仪进行设置，cpu根据操作员的设置发出控制指令，例如，设置输入前端的测量的参数（参数包括电阻、电压、电流、电容、二极管压降等），a/d转换器将输入前端采集的模拟信号转换成数字信号，再发送至cpu进行信号处理，完成电能质量分析并通过显示屏显示结果。

但是，现有的单相电能质量分析仪的输入前端一般都采用分立设计，存在器件多、集成度小以及器件体积大等不足，例如，通过互感器电路采集电流信号，这就导致仪表输入前端存在体积大、稳定性低、精度难提升等问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种单相电能质量分析仪输入前端，其不仅体积小、易携带、集成度高、功能强大，还具备更高的稳定性和精度以及更宽的电压、电流测量量程。

本发明技术方案如下：

一种单相电能质量分析仪输入前端，包括万用表集成芯片、霍尔传感器、差分运放模块、用于外接测量配件的电压测量端子和电流测量端子，所述电压测量端子连接所述万用表集成芯片的分压网络，所述分压网络的输出分两路，一路连接万用表集成芯片内的a/d转换模块进行模数转换，然后将测量结果发送至分析仪后端的cpu，另一路连接分析仪后端的a/d转换器，所述a/d转换器连接所述cpu；所述电流测量端子上串联一电流走线，所述电流走线穿过所述霍尔传感器，所述霍尔传感器连接所述差分运放模块，所述差分运放模块的输出分两路，一路连接所述a/d转换器，通过所述a/d转换器模数转换后输入所述cpu，另一路连接所述万用表集成芯片，通过所述万用表集成芯片模数转换后输入所述cpu。

更优地，所述分析仪输入前端还包括用于外接钳表的钳表连接端子，所述钳表连接端子连接所述a/d转换器，所述a/d转换器将来自钳表采集的信号进行模数转换后输入所述cpu。

更优地，所述万用表集成芯片通过一放大电路连接所述a/d转换器，所述万用表集成芯片输出的信号通过所述放大电路调整幅值后，使该信号的电压值在所述a/d转换器的识别电压范围内。

更优地，所述差分运放模块为差分仪表运放模块。

更优地，所述霍尔传感器为闭环霍尔传感器，所述电流走线从霍尔传感器的孔中穿过。

更优地，所述钳表连接端子通过一钳表电压跟随电路连接所述a/d转换器，所述钳表采集的信号通过钳表连接端子输入所述钳表电压跟随电路，通过所述钳表电压跟随电路隔离输入输出、调整信号幅值后输入所述a/d转换器，由a/d转换器进行模数转换后输入所述cpu。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明一种单相电能质量分析仪输入前端采用万用表集成芯片，具备了自动量程转换、自保护功能，满足了分析仪快速测量、高精度测量、宽量程测量的需求，提高分析仪表的稳定性和可靠性。

2、本发明一种单相电能质量分析仪输入前端采用闭环霍尔传感器，减小体积的同时保证测量精度，同时结合万用表集成芯片，实现了分析仪电流信号的快速测量和高精度测量。

3、本发明一种单相电能质量分析仪输入前端采用两种电流输入方式——闭环霍尔传感器和钳表，满足电流的高精度测量和宽量程测量要求。

附图说明

图1为本发明的连接框图；

图2为本发明的实施例一的较优实施方式的连接框图；

图3为本发明的实施例一的较优实施方式的原理框图；

图4为本发明的万用表集成芯片原理图；

图5为本发明的电压放大电路示意图；

图6为本发明的闭环霍尔传感器示意图；

图7为本发明的差分运放模块示意图；

图8为本发明的钳表电压跟随电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

实施例一

请参阅图1，一种单相电能质量分析仪输入前端，包括万用表集成芯片1、霍尔传感器2、差分运放模块3、用于外接测量配件的电压测量端子4和电流测量端子5。一般的，所述测量配件选用表笔，所述电压测量端子4由一组正端子和负端子组成，所述电流测量端子5由另一组正端子和负端子组成。所述电压测量端子4连接所述万用表集成芯片1的分压网络，所述分压网络是万用表集成芯片1的外围电路，用以实现电压的分档测量。所述分压网络的输出分两路，一路连接万用表集成芯片1内的a/d转换模块（未图示）进行模数转换，然后将测量结果发送至分析仪后端的cpu，另一路连接分析仪后端的a/d转换器6，所述a/d转换器6连接所述cpu。所述电流测量端子5上串联一电流走线7，即所述电流走线7串联在电流测量端子5的正端子和负端子之间。所述电流走线7穿过所述霍尔传感器2。所述霍尔传感器2连接所述差分运放模块3，由于电流走线7是通过表笔直接串联至被测电路中，因此，通过差分运放模块3进行测量信号电平的平移，使测得的信号与其他端子测得的信号有共同的基准电压。所述差分运放模块3的输出分两路，一路连接所述a/d转换器6，通过所述a/d转换器6模数转换后输入所述cpu，另一路连接所述万用表集成芯片1，通过所述万用表集成芯片1模数转换后输入所述cpu。

请参阅图3和图6，较优地，所述霍尔传感器2选用闭环霍尔传感器，可以将闭环霍尔传感器安装在印刷电路板上，所述电流走线7从霍尔传感器2的孔中穿过。采用闭环霍尔电流传感器进行电流信号采集，具有低电流损耗、小体积以及隔离外部电路等优点。

所述差分运放模块3可以选用差分仪表运放模块，采用差分仪表运放模块可以进一步减小分析仪输入前端体积，提高分析仪输入前端的集成度和精度。

请参阅图2、图3和图5，当所述万用表集成芯片1输出的信号幅值不在所述a/d转换器6的输入电压识别范围内时，在万用表集成芯片1与a/d转换器6之间接入一放大电路8，所述万用表集成芯片1输出的信号通过所述放大电路8调整幅值后，使该信号的电压值在所述a/d转换器6的识别电压范围内。

请参阅图3和图4，以采用型号为fs9721lp3的万用表集成芯片1为例，通过cpu的通用io口，对万用表集成芯片1进行控制（万用表集成芯片1的控制引脚在其数据手册中均有详细说明），同时，万用表集成芯片1把来自电压测量端子4和电流测量端子5的测量信号通过串口（pin37、38、39、40）发送至cpu，由于万用表集成芯片1的集成度高，内部处理速度快，因此，cpu可以快速获取当前测量值，以便及时处理异常信号。例如，测量信号通过ptc1、r12-r15和r29-r32组成的分压网络进行衰减后，通过万用表集成芯片1内的a/d转换模块进行模数转换后发送至cpu，cpu通过获取的电压测量值进行实时监控，快速切档，万用表集成芯片1的分压网络可以把输入电压分为1000v、400v、40v、4v四档，实现分析仪的宽量程测量。再者，经过分压网络衰减的信号还通过万用表集成芯片1的pin98输入a/d转换器6，由于外置的a/d转换器6可以选用更高精度转换器，因此，通过a/d转换器6将衰减后的信号数字化，实现对宽量程的电压信号进行高精度的测量，保证各量程的测量精度。

请参阅图6和图7，所述霍尔传感器2以采用hcs-es3-10a闭环霍尔传感器2为例，将红黑表笔分别连接电流测量端子5的正极和负极，再将分析仪串联至被测电流中，这种直测方式测得的结果精度更高。外部电流流经所述电流走线7时在霍尔传感器2模块处产生的磁场变化被霍尔传感器2转化成相应的电压信号，很好地保证了信号的转换精度。该电压信号通过差分运放电路进行信号平移后生成可被所述a/d转换器6接受的相同基准电压的小信号，该小信号的输出一路直接发送至a/d转换器6（如图7中iout连接a/d转换器6的iout端），另一路输入万用表集成芯片1（如图7中的sa连接万用表集成芯片1的sa引脚）。通过霍尔传感器2采集到的测量信号通过万用表集成芯片1处理后直接发送至cpu，同样具备快速获取当前测量值，以便及时处理异常信号等优点。通过霍尔传感器2采集到的测量信号同样也送入a/d转换器6进行模数转换，提高分析仪的测量精度。

综上，本实施例中，将万用表集成芯片1嵌入单相电能质量分析仪中，通过万用表集成芯片1自带的功能，即可使单相电能质量分析仪完成电压自适应衰减、自保护功能，同时具备测量电压、电流、电阻、二极管压降以及电容的功能，同时，将万用表集成芯片1结合霍尔传感器2，实现交流电流的高精度测量。因此，本发明单相电能质量分析仪输入前端在实现自适应衰减、高速测量、自保护功能，多参数测量功能、高精度的同时，还具备小体积、高集成度、高稳定性的优点。

实施例二

本实施例中，在实施例一的基础上，增加了钳表采集电流的方式，具体如下：

请参阅图2和图3，所述分析仪的输入前端还包括用于外接钳表的钳表连接端子9，所述钳表连接端子9连接所述a/d转换器6，所述a/d转换器6将来自钳表采集的信号进行模数转换后输入所述cpu。

所述钳表连接端子9可以连接不同量程的钳表，满足了电流的宽量程测量要求。

更优地，所述钳表连接端子9通过一钳表电压跟随电路10连接所述a/d转换器6，所述钳表采集的信号通过钳表连接端子9输入所述钳表电压跟随电路10，通过所述钳表电压跟随电路10隔离输入输出、调整信号幅值后输入所述a/d转换器6，由a/d转换器6进行模数转换后输入所述cpu。如图8所示，通过电压跟随器u3，把钳表的输入与后续电路隔离，电阻r73把浮空电压接地，避免输入浮空造成的输出高电压，避免外接钳表错误造成高压损坏分析仪。同时，由于不同量程的钳表输出的电流幅值存在差异，通过钳表电压跟随电路10放大小信号，确保测量精度。

本发明一种单相电能质量分析仪输入前端，把单相的电压和电流转换成相同基准电压的线性比例关系的能够a/d转换器6接收的小电压信号，分两组同时输入a/d转换器6，完成高精度的模数转换，与此同时，测量信号通过万用表集成芯片1的串口发送测量信号至cpu，快速获取当前测量值，能够及时发现异常信号，对仪表进行保护。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。