高精度_0_02级_标准电能表的设计

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高精度（!"!#级）标准电能表的设计

陈传岭+;杨

宪)，孟

耕)，左敏柱)，王新亚)，赵静涛)

（+’河南省计量测试研究所;郑州

!#"""<=

)’河南思达高科技股份有限公司

电测仪器公司，郑州

!#"""+）

摘要：以一种"’")级宽量程多功能标准电能表定型产品为例，介绍了高精度多功能标准电能表的模拟通道、采样电路、信号处理及控制电路、系统及结构的设计特点，最后给出了主要技术指标。

关键词：高精度标准电能表；>?@；嵌入式@A 机；真彩显示器；模块化结构中图分类号：B3C**’*

文献标识码：D

文章编号：+""+E+*C"（)""*）++E"")*E"*

AF-7AF527&17G +，

H27G I127)，3-7G J-7G )，K5%317LF5)，M27G I17N2)，KF2%O17G/2%)P+’Q-727974/1/5/-%R (-2450-6-7/27S B-4/17G ，KF-7GLF%5!#"""<，AF172；)’,&-./0%71.974/056-7/A%6T27N %R Q-727?/20Q1E/-.F A%’，UB>，KF-7GLF%5!#"""+，AF172V $%&’()*’WBF-T2T-017/0%S5.-%7-X17S %R "’").&244Y1S-027G-65&/1R57./1%70-R-0-7.--7-0GN 6-/-0Z4272&%G .F277-&，426T&17G .10.51/，41G72&T0%.-4427S .%7/0%&.10.51/，4N4/-6

27S 4/05./50-S-41G7R-2/50-4’[/&24/S-4.01\-/F-6217/-.F71.2&.F202./-0’+,-./(0&WF1GF 2..502.N 0-R-0-7.--7-0GN 6-/-0；>?@；-6\-SS-S @A ；B]B S14T&2N ；6%S5&-4/05./50-1,&234/5’6,6236)**7()*-(,5,(,4*,,4,(3-8,’,(9!"!#0,3(,,:

图+原理框图!

概

述

目前，"’")级以上多功能宽量程标准电能表的国内市场主要由国外几家公司占据。河南思达电测公司在多年生产"’"#级标准电能表经验的基础上，最新开发了?D+*""型三相多功能宽量程标准电能表，取得了技术监督局颁发的制造计量器具许可证，并在国内企业的同类产品中率先通过了中国计量科学研究院的"’")级定型鉴定。该产品目前已形成了系列和批量生产能力。

?D+*""型"’")级三相高精度标准电能表的原

理框图如图+所示。

;模拟通道设计+’+

电压、电流通道

输入电压通道采用电阻分压变换电路。采用可

变增益放大器实现电压档位变换，以充分满足[^>采样的输入电平要求。档位设置为!<"$、)!"$、

+)"$、_"$、*"$。

输入电流通道采用电流互感器变换电路。国外某些知名公司的宽量程标准表的电流信号采用电阻取样，其取样线性范围要比互感器宽、较容易实

现宽量程测量，并且电路设计也相对方便。但是，由于受金属材料特性的影响，经过长期大电流和高温工作后，电阻阻值会逐渐发生变化，使得电阻取样的长期变差出现一种增大的趋势。而互感器采样的优势是，在线性区工作长期稳定性有保证，缺点是线性范围较小。我

们在电流互感器采样方案中采用

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了电子补偿变换电路，再加上非线性电路补偿技术，使得互感器的线性范围大大扩展。实际测量表明，在#;满量程处线性误差仍能远远小于"’"+;。

<=+*""电流档位设置为+"">、)">、#>、+>、"’)>五个档。与国外常见产品在+)">、+)>各用一组端子的设计不同，<=+*""所有档位共用一组电流端子

端，使用更加方便。为防止输入端开路和小电流绕组损坏，互感器加有各种保护电路。

+’)量程变换

高精度宽量程表的设计还有一个非常重要的

量程衔接问题。由于电流输入范围为+6>?+)">，在宽量程标准表内的此量程范围都是由若干个量程衔接起来的。在两个量程衔接处，均有一定的重叠区。重叠区内测量值可能是上一量程的低端读数，也可能是下一量程的高端读数。理论上两个测值应该一致，实践中很难完全重合。对国外某些典型产品的实际测量表明，其量程重叠区内不同档位测量值的变化量一般接近其准确度等级。我们在产品设计中力求缩小这种测量值的变化量。在传统产品设计中，各电流量程以#;?+)";满量程为工作范围，一般已经超出了线性工作区，非线性造成的量程衔接测量差比较严重。在本产品设计中，原则上是使用每个量程的!";?+)";作为工作范围，这是硬件电路线性最好的范围，其误差变化曲线近似直线。量程的自动切换将这些近似直线连接起来，既保证了全测量范围的准确度，又保证了量程衔接处的重合性。

+’*相位补偿

由于每相电压、电流有不同的相位差，互感器

各档的阻抗特性也有差异，因此模拟通道各档位之间阻抗会有所变化，使其信号在传递过程中发生不同的相移，其结果造成不同通道不同档位之间相位差异。因此交流电能表需要进行相位修正，即功率因数匹配。有的同类产品采用软件匹配相位方案，根据实际测得的相位选取补偿量。这种方案不能作到无级补偿，且电能@功率准确度依赖于相位测量准确度。我们在分析、试验、权衡后采用了硬件补偿方案，使补偿对所有的测量点更加准确有效，避免了软件补偿方案的缺陷。

!采样电路设计

<=+*""标准电能表采用数字乘法器，

电路易于调试，且易于保证产品的一致性。>@A 采样电路的

设计是数字乘法器的关键一环，它直接影响整机测量线性度、稳定度、噪声水平及各种功能的实现。

)’+采样方式

以前在某些产品开发中我们使用过各通道分

时采样、软件修正的方法。其优点是硬件设计相对简化、器件成本较为低廉。但是目前还没有一套较为理想的修正方案和程序，尤其在相位测量中局部点位可能产生一些无法克服的错误。对高等级标准表来讲，这些错误所造成的误差是不能接受的。因此在<=+*""的>@A 采样方案选择中，我们确定了采用B 路同时采样的方法，以避免设计方案中存在一些硬缺陷。在力求节省硬件开销的基础上，更多地考虑保证准确度，以便于测量频率、相位。对采样带来的误差采用多种软件方式加以修正。采样原理电路如图)所示。

图)采样电路

)’)>@A 转换器

>@A 芯片选用了+B 位高速芯片，其技术指标是：转换速度为)""C4D4，即#!4，输入电平E#$，信

噪比F)G=，错码率H+I<=，功耗!#"6J 。

设计>@A 电路的关键之一是如何选好>@A 的基准，并解决好高频数字信号在传输中所产生的大量开关噪声对基准的影响。目前集成>@A 芯片大都带有片内基准，但片内基准的温度稳定性较差，不适于高精度标准表。本产品采用片外基准。该基准带有恒温槽，温度系数约"’)K+"LB 。选用该芯片，保证了>@A 采样电路具有较好的温度特性和较高的长期稳定性。至于数字信号噪声对>@A 的干扰问题，实际上是如何处理好数字地与模拟地的连接问题。解决这个问题需要经验和技巧，一般只能从具

图*浮地设计示意图

体的印制电路板地线布局说明。这个问题处理不好，就不能制造出高等级标准表。

)’*浮地信号传输

为解决输入高电压信号与仪表内部电路的绝

缘问题，采用前级隔离浮地设计，如图*所示。采用此措施后，提高了;<=采样信号对前级输入杂波干扰抑制能力，有效地提高了测量稳定度。

*测量计算电路及控制电路设计

;<=采集的数据要经过大量运算（计算公式

略），所以我们采用数字信号处理器=>?@=1A1/2&>1A72&?0%.-44%0B 来作数据处理。=>?选用C9公司的C3>*)"D*+芯片，它可作*)位浮点运算，能力较

强，除完成快速数据处理工作以外，还可对系统非线性失真进行修正和补偿，并由它产生标准电能脉冲输出信号。

控制电路采用嵌入式工控?D 机，实现人机接口（键盘显示器）控制，并控制=>?的工作模式，完成系统维护（修正通道特性、内部时钟等）、与上位机通讯等功能。它的主板上除有D?E 和存储器外，还集成有软、硬盘驱动器接口、显示器接口、打印机接口以及串行通讯接口电路。它和=>?交换数据是通过9>;总线进行的。

>F+*""采用G!"H!I"点阵JD=真彩显示器，

显示测量信息及测试结果。在显示界面设计中，对产品应用的各种工作方式及其主要关心的信息进行了比较充分的分析，从而进行了合理的组合。控制界面以常规测量、电能误差校验、相位矢量K 对称度测量、波形及谐波测量为主线，以各种接线方式变换、测量参数变换为辅线，配置了丰富的图形，突出地显示了相应的信息，使得整个界面显示清晰，控制方便，其人性化的风格受到了使用者的欢迎。

!系统及结构设计

高精度表的供电系统、接地系统、温度平衡等

设计也是关键问题。在内部各功能模块共用一路电源情况下，不同的工作电流所引起的地线压降不平衡，可能会使一部分电流通过模块之间的信号地线回流电源，这部分电流势必在信号线上产生压降，造成干扰，当这类干扰寄生在小信号传输线上时，

影响就特别明显。

系统地线在方案设计时就作为一项重要设计内容，给予了足够重视。合理布排走线，使任何模拟电路模块和功率器件流出的电流对其它模拟芯片产生的干扰减到最小。同时，尽量加宽和加多数字电路的地线，不使地线上的压降太大而引起逻辑错误；其次，要避免数字地线上的电流流经模拟电路，如果必须相连时，则力求在整机中数字地与模拟地只能一点连接。

作为高等级标准表，温度特性和长期稳定性在现有的规程和标准中都有严格的要求，如整机自热要求、I 小时变差要求、)!小时变差要求、年变差要求等等。我们在设计生产中除了选用较好温度特性的;<=基准芯片以外，

同时还采取了增大器件的设计裕度、加入系统的温度补偿、保持器件的温度恒定、隔离高低温元件以及通风降温等措施，生产工艺中对关键器件采取了长期高温老化、严格匹配筛选等办法，有效地解决了温度变差问题。

>F+*""在产品结构设计上有所突破，

采用了模块化设计，分为电源模块、模拟信号放大模块、;<=K

=>?数据采样处理模块、

档位控制模块、显示主控模块等。模块化结构的优点在我们试生产过程中已显示了优越性，使各功能模块之间可以独自进行调试、老化，发现问题也可以提前处理，加快了整机的生产周期。特别是能够控制住每个模块的加工工艺和调试质量，使整机生产时需调试的内容大大减少，成品率提高，很方便地实现了规模化批量生产。同时，所有模块采用了兼容性设计，只需进行简单组合，即可方便地构成单相标准表系列产品。

（下转第#L 页）

一位就被确定下来，然后再指定下一位为“+”，再经过;<=转换、放大、比较，并检测>"’*的状态，该位又被确定下来；依次类推，直到+)位数字量全被确定下来。这个+)位的数字量的;<=转换结果将最接近于输入的模拟电压，即它就是=<;转换的结果。注意单片机在检测9

另外，本电路仅具有一个模拟量输入信号，如有多个模拟量输入信号，可不必加模拟开关，只需增加比较电路即可，多个模拟量输入信号均可与;< =转换器经一级放大电路的输出信号比较，并通过相应的=<;转换子程序实现=<;转换。

!软件设计

@AB#C+D输入程序采用逐次比较方式。

=<;转换结果存于=;EFF，=;EFA初始化初值=;EFF GBDF，=;EFA G""F，系统检测>HAI, J>"’*K，“"”说明=<;转换结果大于输入模拟量，=< ;应减小，本位置“"”；

“+”说明=<;转换结果小于输入模拟量，=<;应增大本位置“+”。

程序占用L"，L+，L)，L*，LC，LM通用寄存器。

LC，LM付初值"B""F用于中间转换。

=;EF$IHNO3?$=;EF$FPQ"BDF

3?$=;EF$APQ""F

3?$LCPQ"DF

3?$LMPQ""F

3?$L*PQ+)

=;EF$O BAL BI#C+D

=;EF$"O3?$L"PQ=;EF$F

3?$L)PQ")F

=;EF$+O3?$L+PQ"DF

3?$=PRL"

=;EF$)O LAB=

3?$;9(PB

BAL IBAS

I,@N IBAS

;T(E L+P=;EF$)

9(B L"

;T(E L)P=;EF$+

I,@N BI#C+D

AB=AA;"+IHN

TN>HAI,$P=;9(B$

3?$=PLC

B>A=

=(A=P=;EF$F

3?$=;EF$FP=

3?$=PLM

B>A=

=(A=P=;EF$A

3?$=;EF$AP=

=;9(B$O BAL B

3?$=PLC

LLB=

3?$LCP=

3?$=PLM

LLB=

3?$LMP=

3?$=P=;EF$F

?LA=PLC

3?$=;EF$FP=

3?$=P=;EF$A

?LA=PLM

3?$=;EF$AP=

;T(E L*P=;EF$

3?$=P=;EF$F

=(A=PQ"UF

3?$=;EF$FP=

L,@

"结束语

在工业仪表日益向多功能化、智能化、小型化发展的今天，双通道;<=转换器@AB#C+D以其优越的性能越来越受青睐。笔者将该电路应用于自动跟踪式手抄器外，还将该电路应用于智能单回路调节器，其实际应用效果很好，充分发挥了@AB#C+D 性能特点，大大降低了硬件成本，提高了产品的性能价格比。笔者认为可编程双通道;<=转换器@AB#C+D是一种值得广泛推广应用的产品。

参考文献：

［"］@9模数<数模转换器数据手册（第二册）VEW’>8I武汉力源电子股份有限公司P+XXD’

第一作者简介：

施云贵（+XC)Y）P吉林化工学院自动化系自动化教研室主任，副教授，研究方向为信号检测与控制。

收稿日期：)""*Y"XY"X（郭松林编发）

（上接第)#页）#结论

本产品已通过了中国测量科学研究院的测试，整机测试符合"’")级电能表国家标准，填补了国内同类电能标准表的空白，此产品现已投入生产。

参考文献：

［+］张国忠，赵家贵编著’检测技术［3］’中国计量出版社，+XXD’

［)］诸邦田编著’电子电路实用抗干扰技术［3］’人民邮电出版社，+XX!’

第一作者简介：

陈传岭（+XC)Y），男，高级工程师，现任河南省计量测试研究所副所长。

收稿日期：)""*Y"MY)!（郭松林编发）