基于真有效值轉換的寬頻帶電參數測試儀的設計

黃燕

摘? 要：隨著電力系統的不斷發展，特別是整流器、逆變器等非線性負荷的大量使用，系統運行出現了各種各樣的問題，如電壓、電流波形嚴重畸變、高次諧波的出現，但是傳統電參數測量儀器大多是針對工頻50Hz而設計的，使用已有的測量儀器已經不能準確測量現在的電參數，文章研究分析了各種交流電參數的測量方法，設計了文中提出的基于真有效值轉換的電參數測試儀系統。該系統對50Hz-20kHz的寬頻帶輸入信號有較高準確度。

關鍵詞：電參數測量;真有效值轉換;寬頻帶

中圖分類號：TM933? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0101-02

引言

目前常用的電能裝置有傳統的感應式電能表、電子式電能表兩類。市面上出現的或者居家所使用的電能表基本上為電子式電能表。這種電能表可以實現功率、電流、頻率的測量。但是測量頻帶較窄，諧波存在的畸變信號存在較大誤差[1]。本系統采用真有效值轉換電路作為核心部分，對電參數進行測量，真有效值轉換電路可以測量任何復雜波形而不必考慮波形種類和失真度，并且測量準確度高、頻帶范圍寬、響應速度快[2]。

1 系統總體結構

從圖1可以看出，本系統主要分為三大模塊：信號輸入模塊、有效值轉換模塊和微處理器處理模塊。

信號輸入模塊是輸入的交流電壓、電流信號兩路分別經過衰減、分流處理后，輸入到真有效值轉換器和頻率和相位測量模塊。得到對應的測量值后由A/D轉換電路進行數模轉換，再通過高速光電隔離后送入STM32F103VET6進行數據處理，在顯示器上顯示出來。

2 電參數測量原理

輸入u（t）和i（t）兩路信號，通過加法器產生u（t）+i（t），分別經過有效值轉換電路得到Urms、（U+I）rms和Irms，然后將測得的數據送入到STM32F103VET6獲得功率的值以及其他可用電壓和電流計算得到的電參數。

2.2 頻率的測量原理

測量頻率的方法有兩種：模擬法和計數法。電子計數法是按照頻率的定義進行測量，原理簡單，隨著數字電子技術和集成電路的發展，逐步發展并漸漸代替了模擬法。

測頻法的基本原理就是對確定時間T內被測信號出現的次數N進行計數，則被測信號的頻率fx=N/T[3]。如圖3所示利用STM32的兩個定時器計數器對頻率進行測量：定時器2控制計數閘門，定時器3用作計數器對被測信號進行計數。

2.3 相位的測量原理

本系統中測量相位采用的是過零檢相法[4]。該方法的原理是：首先將輸入的兩個被測信號通過過零比較電路放大整形為兩個方波信號，其上升沿和下降沿分別對應與被測信號的正向過零點和負向過零點，這兩個被測信號的上升沿（下降沿）之間的時間差即為這被測信號之間的相位差，如圖4所示。

3 系統性能測試

為了驗證文中系統的性能，分別輸入頻率為50Hz、5kHz、9kHz、20kHz幅值為1V、2V、3V、4V的交流信號，測量結果如表1所示。交流電壓基準源由FLUKE5502A多功能校準器提供，轉換器輸出采用FLUKE8846A進行測量。

從圖5可以明顯看出，使用本系統后，頻率范圍在50Hz～20kHz的交流信號可轉換成為誤差不超過0.00091的有效值。

4 結束語

利用以真有效值轉換器為核心的寬頻帶電參數測試儀對電壓進行測量，可以有效避免因高頻諧波引起的測量誤差，有非常好的應用前景。

參考文獻：

[1]田曄非.高頻雜波信號真有效值測量技術[J].自動化與儀器儀表，2017（1）：72-73.

[2]高蕊.基于RMS/DC轉換法的真有效值頻率補償算法及改進的測量系統[J].機械與電子，2010（5）：70-73.

[3]謝尚豪，張碩，許波.一種高精度頻率測量電路設計[J].電子測量技術，2018，41（18）：115-121.

[4]郁黎，范軍華，高重遠.相位測量的優化方法[J].電測與儀表，2016，53（15A）：47-49.