CN103954924A - 频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

一种频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置与测量方法，频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置，包括控制系统、被测表表位、功率源、标准表、频率控制单元和频率转换单元。该装置用于在信号频率按设定方式波动时准确测量电测量仪表的计量误差，该装置输出的电压电流信号，其频率可按人为设置的方式进行波动，装置的标准表在频率波动的信号条件下能实现完全的同步采样，同时，本发明提出一种基于该测量装置的测量方法，用以测量电压电流信号频率波动时电测量仪表的计量误差。本发明适用测量电压电流信号频率波动时电测量仪表的计量误差。

Description

频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置与测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量频率波动时电测量仪表计量误差的装置和方法，属电力测量技术领域。

背景技术

目前的电测量仪表中，广泛采用采样计算的测量方式，即先通过模数转换进行采样，将模拟信号转换成数字信号，再由MCU或DSP通过计算得出测量结果。在采样过程中，如果采样频率f_s与所测量的电压电流信号的频率f_p不能成整倍数的关系，即f_s≠nf_p(n为任意正整数)，此时为非同步采样，将会产生频谱泄露等问题，往往导致计算或分析结果出现偏差。为减小非同步的影响，技术上就需要采取一些措施，比如常见的加窗处理，而这些措施究竟效果如何，目前还只能做些理论探讨或仿真。也就是说，电压电流信号的频率波动究竟对每台仪表的测量准确度产生了多大的实际影响，频率波动的快慢和形式的不同会否使这种影响变化？变化多少？关于这些，目前因缺乏相应的设备，还不能通过测量而准确获悉。

要获悉电压电流信号的频率波动对电测量仪表测量准确度的影响大小，关键要能在信号频率按设定方式波动时准确测量电测量仪表的计量误差，而要实现该测量任务，技术上应满足2点要求，首先测量装置输出的电压电流信号的频率必须是可控的波动频率，其波动的形式和快慢是可以人为设定的；此外，必须使标准表在信号频率波动时依然能做到完全的同步采样，也就是标准表本身不会受频率波动的任何影响。现有电测量仪表的各类测量装置显然不能实现上述2点要求：首先，从其输出的电压电流信号的频率来看，要么是所设置的某个固定频率，要么是随装置电源的市电频率变化而变化的频率，后者虽然也是波动频率，但完全是随机的、不受控的，其波动的快慢方式无法根据测量需要进行设定；其次，对于标准表，即使其本身是按同步采样模式设计的，但不管其采用的是软件同步方式还是硬件同步方式，其跟随频率变化都存在一定的时延，不能实现完全的同步采样，由此产生的同步误差还会随信号频率波动的加快而增大。

发明内容

本发明的目的是，为解决目前不能定量评价频率波动对电测量仪表测量准确度影响大小的实际问题，提供一种测量装置，用于在信号频率按设定方式波动时准确测量电测量仪表的计量误差；同时，提出一种基于该测量装置的测量方法，用以测量电压电流信号频率波动时电测量仪表的计量误差。

实现本发明的技术方案是，

提供一种频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置，包括控制系统、被测表表位、功率源、标准表、频率控制单元和频率转换单元；控制系统通过串口B连接功率源的电压源和电流源，控制系统通过串口A连接频率控制单元，并通过频率控制单元分别连接功率源和频率转换单元；频率转换单元连接标准表；功率源的电压源和电流源分别连接被测表和标准表。

所述的控制系统用于人机对话、向测量装置的其他部分发出命令和传输数据；

所述的被测表表位用于测量装置工作时放置被测表；

所述功率源包括三相电压源和三相电流源，每相电压源都包括波形数据单元、DA转换单元和电压功放单元；每相电流源都包括波形数据单元、DA转换单元和电流功放单元。

DA转换单元含DA转换器和滤波器，在各相电压源和各相电流源中，波形数据单元接收并存储所述控制系统送来的离散化波形数据，将存储的离散化波形数据输出给DA转换单元，由DA转换单元的DA转换器将其转换成模拟信号，再经滤波器滤波后，各相电压源的滤波器输出送各自的电压功放单元，各相电流源的滤波器输出送各自的电流功放单元。三相电压源的电压功放单元输出三相电压信号，三相电流源的电流功放单元输出三相电流信号，三相电压信号和三相电流信号同时送标准表和被测表表位；所述标准表包括输入单元、AD转换单元和运算显示单元，AD转换单元含6个AD转换器，输入单元接收三相电压信号和三相电流信号，将它们变换成适合AD采样的小模拟信号送AD转换单元，由AD转换单元的6个AD转换器将它们转换成6路二进制采样信号送运算显示单元，由运算显示单元计算得出测量的标准值并显示或输出该标准值；

其特征在于所述的测量装置还包括频率控制单元和频率转换单元；频率控制单元的输出接所述三相电压源和三相电流源的各波形数据单元、各DA转换单元的DA转换器以及频率转换单元的输入，频率控制单元输出DA控制脉冲，每个DA控制脉冲都用于首先更新输入各DA转换器的离散化波形数据，然后使各DA转换器同时执行对新输入数据的数模转换，频率控制单元通过调整各DA控制脉冲与相邻DA控制脉冲之间的时间间隔，使所述的三相电压信号和三相电流信号频率产生相应的波动变化；频率转换单元的输入接频率控制单元的输出，频率转换单元的输出接所述标准表的AD转换单元的6个AD转换器，频率转换单元输出AD控制脉冲，每个AD控制脉冲启动所述的6个AD转换器同时做一次模数转换。

所述的频率控制单元包括MCU，MCU产生并输出所述的DA控制脉冲。

所述的频率控制单元包括通信接口和存储器，所述MCU通过通信接口接收所述控制系统送来的时间间隔值，并将这些时间间隔值存入存储器，功率源输出电压电流信号时，频率控制单元根据所存储的这些时间间隔值，决定其输出的所述DA控制脉冲间的时间间隔，另外，所述MCU也通过通信接口接收所述控制系统发出的命令。

所述的频率转换单元包括分频电路和隔离电路，分频电路的输入接所述的频率控制单元的输出，分频电路用于对频率控制单元输出的所述DA控制脉冲进行分频，分频电路的输出送隔离电路的输入，经隔离电路做电气隔离后，得到AD控制脉冲，再将AD控制脉冲输出至所述标准表的AD转换单元的6个AD转换器。

本发明一种频率波动时电测量仪表计量误差的测量方法，它包括以下步骤：

(1)设计三相电压信号和三相电流信号共有的频率波动方式，设计要求基于以下技术约束：频率的波动要具有重复性，若波动的周期记为T_f，则T_f时段的波形要由完整、连续的n个工频周波组成，n为正整数；设计的内容是：确定所述n的具体值，以及所述n个工频周波中,每个工频周波周期的具体值，n的取值范围是n≥2，若所述n个工频周波中，第j个周波的周期记为T_j，1≤j≤n，则T_j的取值范围是1/70≤T_j≤1/40，单位为秒；

(2)在(1)设计的基础上，接下来设计各相电压信号和各相电流信号T_f时段的所述n个工频周波中，每个周波的波形函数；

(3)对各相电压信号和各相电流信号T_f时段的波形分别做离散化处理，方法是，对各相电压信号和各相电流信号T_f时段的所述n个工频周波，每个周波均按等时间间隔，在该周波的波形函数上取k个瞬时值，得到k个离散化波形数据，k为正整数，取值范围是32≤k≤3600，如此T_f时段n个工频周波离散化共需n×k个时间间隔，每相电压信号和每相电流信号都获得n×k个离散化波形数据；

(4)由所述控制系统，将所述n×k个时间间隔的值依次存入所述频率控制单元，将A相电压信号的n×k个离散化波形数据存入A相电压源的波形数据单元，B相电压信号的n×k个离散化波形数据存入B相电压源的波形数据单元，C相电压信号的n×k个离散化波形数据存入C相电压源的波形数据单元，A相电流信号的n×k个离散化波形数据存入A相电流源的波形数据单元，B相电流信号的n×k个离散化波形数据存入B相电流源的波形数据单元，C相电流信号的n×k个离散化波形数据存入C相电流源的波形数据单元；

(5)将被测表放置在被测表表位，将功率源输出的三相电压信号分相并联接入标准表和被测表的电压输入端，将功率源输出的三相电流信号分相串联接入标准表和被测表的电流输入端，然后，由所述控制系统发出功率源输出命令；

(6)所述频率控制单元以及各相电压源和各相电流源的波形数据单元执行以下操作：频率控制单元按照(4)存储的n×k个时间间隔值，逐一输出所述的DA控制脉冲，控制各相电压源和各相电流源的波形数据单元，各自将自己在(4)存储的n×k个离散化波形数据，依次送各自所连接的DA转换单元的DA转换器做数模转换，得到T_f时段n个工频周波的模拟信号波形；

(7)重复执行(6)，可得到连续输出的模拟信号波形，使所述测量装置输出频率波动的三相电压信号和三相电流信号；

(8)根据标准表和被测表的测量结果，从绝对误差、相对误差和引用误差三种误差计算公式中，按实际需要选择一种，用以计算得出频率波动时被测表的测量误差。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明采用了频率控制单元，该单元接收周波频率波动的原型信号离散化时采用的时间间隔信息，基于该信息输出DA控制脉冲，控制DA转换器将离散化波形数据转换还原成波形和周波频率与原型信号相同的模拟信号，由此实现测量装置输出的三相电压信号和三相电流信号，其周波频率可按人为设置的方式进行波动；

(2)本发明采用了频率转换单元，使DA控制脉冲数与AD控制脉冲数之比在任何时候始终保持不变，由此保证测量装置的标准表在频率波动的信号条件下也能实现完全的同步采样；

(3)本发明提出了一种频率波动时电测量仪表计量误差的测量方法，该方法结合本发明提出的测量装置，可以测量电压电流信号频率波动时电测量仪表的计量误差。

本发明适用测量电压电流信号频率波动时电测量仪表的计量误差。

附图说明

图1为本发明的测量装置的结构框图；

图2为A相电压源的结构框图；

图3为A相电流源的结构框图；

图4为频率控制单元的原理框图；

图5为波形数据单元的内部结构及其与DA转换器的连接示意图；

图6为频率转换单元的原理框图；

图7为频率转换单元的电路图；

图8为AD控制脉冲对AD转换器的作用示意图。

图中：10是控制系统；11是串口A信号；12是串口B信号；20是被测表表位；30是功率源；31是A相电压源；311是波形数据单元；312是DA转换单元；3121是DA转换器；3122是滤波器；313是电压功放单元；32是B相电压源；3221是DA转换器；33是C相电压源；3321是DA转换器；34是A相电流源；341是波形数据单元；342是DA转换单元；3421是DA转换器；3422是滤波器；343是电流功放单元；35是B相电流源；3521是DA转换器；36是C相电流源；3621是DA转换器；40是标准表；41是输入单元；42是AD转换单元；43是运算显示单元；421是AD转换器；422是AD转换器；423是AD转换器；424是AD转换器；425是AD转换器；426是AD转换器；50是频率控制单元；51是MCU；52是通信接口；60是频率转换单元；61是分频电路；62是隔离电路；71是A相电压信号；72是B相电压信号；73是C相电压信号；74是A相电流信号；75是B相电流信号；76是C相电流信号；77是DA控制脉冲；78是AD控制脉冲；

具体实施方式

以下结合实施例并对照附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的测量装置包括控制系统10、被测表表位20、功率源30、标准表40，以及频率控制单元50和频率转换单元60。实际工作时，将被测表置于被测表表位20上。

控制系统10可以采用一台PC机，用于测试装置与其使用者之间的人机对话、向测量装置的其他部分发出命令和传输数据。本实施例中，控制系统10通过串口A发送串口A信号给频率控制单元50，通过串口B发送串口B信号给功率源30，串口A和串口B均为RS232接口。

功率源30包括三相电压源和三相电流源，三相电压源分别是A相电压源31、B相电压源32和C相电压源33，三相电流源分别是A相电流源34、B相电流源35和C相电流源36。所述串口B信号同时接功率源30的各相电压源和各相电流源。

各相电压源的功能和电路结构相同，以A相电压源31为例，其结构框图见图2，它包括波形数据单元311、DA转换单元312和电压功放单元313，DA转换单元312又含DA转换器3121和滤波器3122。输入A相电压源31的串口B信号送波形数据单元311，波形数据单元311通过串口B信号接收并存储控制系统10送来的A相电压信号的离散化波形数据。需要A相电压源31输出信号时，波形数据单元311将存储的A相电压信号的离散化波形数据输出给DA转换单元312，由DA转换单元312的DA转换器3121将其转换成模拟信号，再经滤波器3122滤波后，送电压功放单元313，电压功放单元313输出A相电压信号。输入A相电压源31的DA控制脉冲分别送波形数据单元311和DA转换单元312的DA转换器3121，每个DA控制脉冲都用于首先使波形数据单元311输出给DA转换器3121的离散化波形数据进行一次更新，然后使DA转换器3121执行对新输入数据的数模转换。

各相电流源的功能和电路结构相同，以A相电流源34为例，其结构框图见图3，它包括波形数据单元341、DA转换单元342和电流功放单元343，DA转换单元342又含DA转换器3421和滤波器3422。输入A相电流源34的串口B信号送波形数据单元341，输入A相电流源34的DA控制脉冲分别送波形数据单元341和DA转换单元342的DA转换器3421。A相电流源34与A相电压源31相比，除了以电流功放单元343替换了电压功放单元313，且电流功放单元343输出的是A相电流信号而非电压信号之外，二者的总体结构和工作原理是相同的。

见图1，三相电压源输出三相电压信号，分别是A相电压信号71、B相电压信号72和C相电压信号73，三相电流源输出三相电流信号，分别是A相电流信号74、B相电流信号75和C相电流信号76，工作时，将三相电压信号和三相电流信号按图1所示接入标准表40和被测表表位20上的被测表。

标准表40包括输入单元41、AD转换单元42和运算显示单元43，AD转换单元42含6个AD转换器，分别是AD转换器421、AD转换器422、AD转换器423、AD转换器424、AD转换器425和AD转换器426。工作时，输入单元41接收三相电压信号和三相电流信号，将它们变换成适合AD采样的小模拟信号送AD转换单元42，由AD转换单元42的6个AD转换器将它们转换成6路二进制采样信号送运算显示单元43，由运算显示单元43计算得出测量的标准值并显示或输出该标准值。

本实施例中，频率控制单元50接收控制系统10输出的串口A信号11，频率控制单元50输出DA控制脉冲送功率源30和频率转换单元60，送功率源30的DA控制脉冲77，同时接所述三相电压源和三相电流源的各波形数据单元、以及各DA转换单元的DA转换器。DA控制脉冲在各相电压源和各相电流源中的作用，与前面介绍的其在A相电压源中的作用相同，工作时，频率控制单元50通过调整各DA控制脉冲与相邻DA控制脉冲之间的时间间隔，使所述三相电压信号和三相电流信号的频率产生相应的波动变化。

见图1，频率转换单元60的输入接频率控制单元50的输出，频率转换单元60的输出接标准表40的AD转换单元42的所述6个AD转换器。频率转换单元60输出AD控制脉冲78，每个AD控制脉冲启动所述6个AD转换器同时做一次模数转换。使用频率转换单元60的目的是使DA控制脉冲数与AD控制脉冲数之比在任何时候始终保持不变。

下面介绍使三相电压信号和三相电流信号频率按设定方式波动的实现方案。先介绍涉及的硬件，主要包括所述的频率控制单元、三相电压源和三相电流源所含的波形数据单元以及DA转换单元的DA转换器。

图4为频率控制单元5的原理框图，其包括MCU51和通信接口52。MCU51采用TMS320F2812芯片,该芯片内部有18K的静态随机存储器SRAM，通信接口52采用MAX3232芯片。通信接口52的输入接串口A信号11，输出接MCU51的串行通信接口B的接收端SCIRXDB引脚，负责实现RS232接口电平和TMS320F2812芯片I/O口电平之间的电平转换。MCU51通过其通用定时器比较输出T1PWM_T1CMP输出所述的DA控制脉冲。

图5为波形数据单元的内部结构及其与DA转换器的连接示意图。

本发明的三相电压源和三相电流源共含6个波形数据单元，这6个波形数据单元在本实施例中共用同一部分硬件，这部分硬件的结构参见图5中由集成电路U5、U6和U7组成的电路。U5也采用TMS320F2812芯片，用于控制离散化波形数据的输入、输出及存储操作，而频率控制单元5送各波形数据单元的DA控制脉冲，因本实施例中各波形数据单元共用同一部分硬件，故统一送U5的外部中断U6是U5外扩的静态随机存储器SRAM，采用IS61LV51216芯片，用于存储各相电压源和各相电流源的离散化波形数据，U5的数据总线XD[0..15]连U6的数据输入/输出IO[0..15]，U5的地址总线XA[0..18]连U6的地址输入A[0..18]，U5的存储器6、7区选择连U6的片选输入U5的写使能连U6的写使能输入U5的读使能连U6的输出允许输入U7是U5外扩的RS232接口，也采用MAX3232芯片，其输入接串口B信号，输出接U5的串行通信接口B的接收端SCIRXDB引脚，用于RS232接口电平和TMS320F2812芯片I/O口电平之间的电平转换，U5通过U7，接收控制系统10送来的离散化波形数据。本实施例中，6个波形数据单元可以共用同一部分电路的原因是：通过U5的控制，可以将所接收的各相电压信号和各相电流信号的离散化波形数据分存在U6的不同区域，输出信号时，同样通过U5的控制，可以将存储在U6不同区域的各相电压信号和各相电流信号的离散化波形数据，分别送各自对应的DA转换器。这样，就以同一部分电路实现了所述6个波形数据单元需要完成的功能。

本实施例各相电压源和各相电流源的DA转换单元的DA转换器均采用AD5547芯片。需要说明的是，AD5547芯片实际上含了2个电流输出型的DA转换器，而本实施例各相电压源和各相电流源的DA转换单元分别只用1个DA转换器，因此下面所述各相电压源和各相电流源的DA转换单元所用的DA转换器，实际仅指AD5547所含的2个DA转换器中的DAC-A。U5的16位通用输入输出A口GPIOA[0..15]，接各相电压源和各相电流源的DA转换单元的DA转换器，包括DA转换器3121、DA转换器3221、DA转换器3321、DA转换器3421、DA转换器3521和DA转换器3621的16位数据输入D0-D15，U5的通用输入输出B口的15位GPIOB15接各DA转换器的地址0位A0，U5的通用输入输出B口的14位GPIOB14接各DA转换器的地址1位A1，而U5的通用输入输出B口的0位GPIOB0、1位GPIOB1、2位GPIOB2、3位GPIOB3、4位GPIOB4、5位GPIOB5则分别接A相电压源的DA转换器3121的写控制输入端B相电压源的DA转换器3221的写控制输入端C相电压源的DA转换器3321的写控制输入端A相电流源的DA转换器3421的写控制输入端B相电流源的DA转换器3521的写控制输入端和C相电流源的DA转换器3621的写控制输入端另外，频率控制单元5送各DA转换单元的DA转换器的DA控制脉冲，送各DA转换器的输入数据装载控制LDAC。

以下为三相电压信号和三相电流信号频率按设定方式波动的实现过程:

(1)设计三相电压信号和三相电流信号共有的频率波动方式。

首先，基于测量频率波动时电测量仪表计量误差的需要，确定如下设计原则：频率的波动要具有重复性，若波动的周期记为T_f，则T_f时段的波形要由完整、连续的n个工频周波组成，n为正整数，n≥2；频率波动的范围应在工频范围内，即40Hz～70Hz，所以，若T_f时段的n个工频周波中，第j个周波的周期记为T_j，1≤j≤n，则T_j的取值范围是1/70≤T_j≤1/40，单位为秒。

根据上述原则，本实施例设计了如下的频率波动方式：信号频率在49.8Hz～50.2Hz范围内往复波动，n取8，即由8个工频周波构成T_f时段，8个工频周波中各周波的周期分别定为T₁＝1/49.8秒、T₂＝T₈＝1/49.9秒、T₃＝T₇＝1/50.0秒、T₄＝T₆＝1/50.1秒、T₅＝1/50.2秒。

(2)接下来设计各相电压信号和各相电流信号T_f时段的所述8个工频周波中，每个周波的波形函数。

如非特殊需要，一般波形都取正弦波，这样各相电压信号和各相电流信号的所述8个工频周波，第j个周波的波形函数设计为：

A相电压：u_a(t)＝sin(2πt/T_j)

A相电流：i_a(t)＝sin(2πt/T_j)

B相电压：u_b(t)＝sin(2πt/T_j-2π/3)

B相电流：i_b(t)＝sin(2πt/T_j-2π/3)

C相电压：u_c(t)＝sin(2πt/T_j+2π/3)

C相电流：i_c(t)＝sin(2πt/T_j+2π/3)

(3)对各相电压信号和各相电流信号T_f时段的所述8个工频周波的波形分别做离散化处理。

本实施例离散化处理的具体做法是：对各相电压信号和各相电流信号T_f时段的所述8个工频周波，每个周波均按等时间间隔，在该周波的波形函数上取2048个瞬时值，得到2048个离散化波形数据。每个周波所取瞬时值的个数，从实际需要出发可在32至3600之间选取，取数越少，对硬件要求越低，但所输出信号的波形失真度越大，为满足最基本的测试要求，一般不应少于32；而取数越多，输出信号的波形失真度越小，但对硬件要求越高，从实际需要出发，一般取不大于3600。

下面对B相电流的所述第j个周波做离散化处理，其他相的电压信号和电流信号，以及其他周波的离散化处理与此相同。以T_j/2048为时间间隔，对B相电流的所述第j个周波的波形函数取2048个瞬时值，其中第i个瞬时值为：

Ib_i＝sin(2π×i×(T_j/2048)/T_j-2π/3)

＝sin(2π×i/2048-2π/3)

这里i为正整数，1≤i≤2048。将i从1取到2048，可得2048个波形瞬时值，或称为2048个离散化波形数据。第j个周波的离散化需要2048个时间间隔，每个时间间隔的值均为T_j/2048。

可见，T_f时段8个工频周波的离散化，使每相电压信号和每相电流信号都获得8×2048个离散化波形数据，离散化过程共需8×2048个时间间隔。需要说明的是，由于上述各离散化波形数据后续要通过AD5547做数模转换，根据AD5547数据编码的要求，对各离散化波形数据要做如下编码处理：每一个数据乘32767后，再加32768；另外，由于后续要按照时间间隔产生DA控制脉冲，根据本实施例产生DA控制脉冲的实际要求，这里需要对上述8×2048个时间间隔，每个时间间隔均做除以0.01μs然后取整的处理，使上述各时间间隔的单位数值1代表0.01μs的时间。

(4)控制系统10通过串口A将上述8×2048个时间间隔的值，送频率控制单元50，由频率控制单元50的MCU51通过通信接口52接收后，存入MCU51内部的SRAM中。上述过程参见图1和图4。

控制系统10通过串口B,将A相电压信号的8×2048个离散化波形数据存入A相电压源的波形数据单元，B相电压信号的8×2048个离散化波形数据存入B相电压源的波形数据单元，C相电压信号的8×2048个离散化波形数据存入C相电压源的波形数据单元，A相电流信号的8×2048个离散化波形数据存入A相电流源的波形数据单元，B相电流信号的8×2048个离散化波形数据存入B相电流源的波形数据单元，C相电流信号的8×2048个离散化波形数据存入C相电流源的波形数据单元。如前所述，由于本实施例中各相电压源和各相电流源的波形数据单元共用同一部分硬件，见图5，因此各相电压信号和各相电流信号的离散化波形数据实际上均由U5通过U7接收，然后分别存入U6的不同区域。

过程(1)(2)(3)(4)的工作，可以由装置设计者设计相应的软件来帮助实施，软件放在控制系统1采用的PC机上运行，装置使用者在软件界面上对所述T_f时段的工频周波数、各工频周波的周期及其波形做出选择，剩下的工作就由所述软件自动完成。

需要说明的是，测量频率波动时电测量仪表计量误差，如果采用的三相电压信号和三相电流信号的频率波动方式是固定的，则可以将所采用的各时间间隔值作为常数，直接固化在频率控制单元50的MCU51的程序中，功率源输出电压电流信号时，可以从程序中获取所述的各时间间隔值，用于产生并输出所述的DA控制脉冲，这样的话，频率控制单元50硬件上就可以省去通信接口52，以及用作存储器的，上述过程(4)所述MCU51内部用于存储时间间隔值的那部分SRAM存储区域。

(5)频率控制单元50按照其所存的8×2048个时间间隔值，逐一输出DA控制脉冲，控制各相电压源和各相电流源的波形数据单元，各自将自己所存的8×2048个离散化波形数据，依次送各自所连接的DA转换单元的DA转换器做数模转换，得到T_f时段8个工频周波的模拟信号波形。然后重复执行以上操作，可得到连续输出的模拟信号波形，使测量装置输出频率波动的三相电压信号和三相电流信号。下面对过程(5)做几点具体说明：

ⅰ.按所存的时间间隔值逐一输出DA控制脉冲的实现方法是：见图4，首先对MCU51的通用定时器进行设置，使其T1PWM_T1CMP的输出为非对称波形模式，低电平有效，使能其比较中断和周期中断，同时通过配置合适的时钟和输入时钟预定标系数，使通用定时器计数的单位时间为0.01μs，与过程(3)所述时间间隔的单位数值1所代表的时间相同；然后MCU51从其内部SRAM中取出之前所存的8×2048个时间间隔值，先将第1个时间间隔值减30后存入通用定时器的比较寄存器，再将第1个时间间隔值减1后存入通用定时器的周期寄存器，之后，反复执行以下操作：取下一个时间间隔值，待发生比较中断时，将该时间间隔值减30后存入比较寄存器，待随后的周期中断发生时，再将该时间间隔值减1后存入周期寄存器。如此可使输出的各DA控制脉冲间的时间间隔与所存的时间间隔在时间上完全一致。输出的DA控制脉冲为低电平有效，脉宽0.3μs。当取到第8×2048个时间间隔值时，要将第1个时间间隔值作为要取的下一个时间间隔值，以构成循环。

ⅱ.见图5，以DA转换器3121为例，说明在输入的DA控制脉冲控制下，完成对一个新数据的数模转换的过程。先说明4点：一是，DA转换器AD5547上有2级寄存器，分别是输入寄存器和数模转换寄存器，前者用于暂存输入的数据，后者用于存放数模转换中的“数”，DA转换器的模拟输出就是与该“数”相对应的；二是，本实施例U5的外部中断要设置为由脉冲下降沿触发其中断；三是，各DA转换器的输入数据装载控制LDAC所接收的有效触发信号是脉冲上升沿，作用在LDAC上的脉冲上升沿实现将输入寄存器的数据移入数模转换寄存器；四是，如前所述，本实施例DA控制脉冲为低电平有效的脉冲。下面介绍过程：首先，输入的DA控制脉冲利用下降沿触发U5的中断，U5执行以下中断响应，U5通过GPIOA[0..15]输出DA转换器3121要做数模转换的一个新数据，通过GPIOB15和GPIOB14输出对DA转换器3121的输入寄存器进行写操作所需的地址，接着通过GPIOB0输出一个低电平脉冲，将所述新数据写入DA转换器3121的输入寄存器；然后，同一DA控制脉冲再利用其上升沿，将刚存入DA转换器3121输入寄存器的新数据移入DA转换器3121的数模转换寄存器，完成对新数据的数模转换。

再看DA控制脉冲对所述6个DA转换器的控制时序，输入的DA控制脉冲从其脉冲下降沿开始，利用其0.3μs的低电平脉宽时段，将所述6个DA转换器各自所需的新数据，逐一分别写入这6个DA转换器，然后，同一DA控制脉冲再利用其上升沿，使所述6个DA转换器同时执行对新输入数据的数模转换。

下面介绍使测试装置的标准表，在三相电压信号和三相电流信号频率波动时，仍能保证完全同步采样的实现方案：

涉及的硬件包括所述的频率转换单元60和标准表40的AD转换单元42的6个AD转换器。图6为频率转换单元的原理框图，其包括分频电路61和隔离电路62，分频电路61的输入接收所述的DA控制脉冲77，分频电路61用于对频率控制单元50输出的所述DA控制脉冲进行分频，分频电路61的输出送隔离电路62的输入，经隔离电路62做电气隔离后，得到AD控制脉冲78，然后输出AD控制脉冲78。

图7为频率转换单元的电路图，其中U1采用74LS393芯片，用于实现所述的分频电路61；隔离器件U3及其外围电路U2、U4、R2、R3和C1构成所述的隔离电路62，U3采用6N137光耦芯片，U2和U4均采用74LS04芯片。图7所示电路可使：其输入的DA控制脉冲数与其输出的AD控制脉冲数之比在任何时候始终保持8:1。

见图1，频率转换单元60输出的AD控制脉冲接所述标准表40的AD转换单元42的6个AD转换器，图8为AD控制脉冲对AD转换器的作用示意图，如图8所示，所述6个AD转换器全部采用AD976芯片，AD控制脉冲接所述6个AD转换器的读/转换输入每个AD控制脉冲的下降沿都会使所述6个AD转换器同时执行一次模数转换。

由上述可见，频率转换单元60使DA控制脉冲数与AD控制脉冲数之比在任何时候始终保持8:1，由于产生一个周波的三相电压信号和三相电流信号，频率控制单元50会输出2048个DA控制脉冲，使得频率转换单元60输出256个AD控制脉冲，而每个AD控制脉冲使所述6个AD转换器同时执行一次模数转换，由此使所述6个AD转换器在电压电流信号的每个周波均准确采样256点，从而保证了所述标准表40在电压电流信号频率波动时仍能实现完全的同步采样。

Claims (8)

1.一种频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置，其特征在于，所述装置包括控制系统、被测表表位、功率源、标准表、频率控制单元和频率转换单元；控制系统通过串口B连接功率源的电压源和电流源，控制系统通过串口A连接频率控制单元，并通过频率控制单元分别连接功率源和频率转换单元；频率转换单元连接标准表；功率源的电压源和电流源分别连接被测表和标准表。

2.根据权利要求1所述的频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置，其特征在于，所述功率源包括三相电压源和三相电流源，每相电压源都包括波形数据单元、DA转换单元和电压功放单元；每相电流源都包括波形数据单元、DA转换单元和电流功放单元；

所述DA转换单元含DA转换器和滤波器，在各相电压源和各相电流源中，波形数据单元接收并存储所述控制系统送来的离散化波形数据，将存储的离散化波形数据输出给DA转换单元，由DA转换单元的DA转换器将其转换成模拟信号，再经滤波器滤波后，各相电压源的滤波器输出送各自的电压功放单元，各相电流源的滤波器输出送各自的电流功放单元；

所述三相电压源的电压功放单元输出三相电压信号，三相电流源的电流功放单元输出三相电流信号，三相电压信号和三相电流信号同时送标准表和被测表表位。

3.根据权利要求1所述的频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置，其特征在于，所述标准表包括输入单元、AD转换单元和运算显示单元，AD转换单元含6个AD转换器，输入单元接收三相电压信号和三相电流信号，将它们变换成适合AD采样的小模拟信号送AD转换单元，由AD转换单元的6个AD转换器将它们转换成6路二进制采样信号送运算显示单元，由运算显示单元计算得出测量的标准值并显示或输出该标准值。

4.根据权利要求1所述的频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置，其特征在于，所述频率控制单元的输出接所述三相电压源和三相电流源的各波形数据单元、各DA转换单元的DA转换器以及频率转换单元的输入，频率控制单元输出DA控制脉冲，每个DA控制脉冲都用于首先更新输入各DA转换器的离散化波形数据，然后使各DA转换器同时执行对新输入数据的数模转换，频率控制单元通过调整各DA控制脉冲与相邻DA控制脉冲之间的时间间隔，使所述的三相电压信号和三相电流信号频率产生相应的波动变化；所述频率转换单元的输入接频率控制单元的输出，频率转换单元的输出接所述标准表的AD转换单元的6个AD转换器，频率转换单元输出AD控制脉冲，每个AD控制脉冲启动所述的6个AD转换器同时做一次模数转换。

5.根据权利要求1所述的频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置，其特征在于，所述的频率控制单元包括MCU，MCU产生并输出所述的DA控制脉冲。

6.根据权利要求1所述的频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置，其特征在于，所述的频率控制单元包括通信接口和存储器，所述MCU通过通信接口接收所述控制系统送来的时间间隔值，并将这些时间间隔值存入存储器，功率源输出电压电流信号时，频率控制单元根据所存储的这些时间间隔值，决定其输出的所述DA控制脉冲间的时间间隔，另外，所述MCU也通过通信接口接收所述控制系统发出的命令。

7.根据权利要求1所述的频率波动时电测量仪表计量误差的测量装置，其特征在于，所述频率转换单元包括分频电路和隔离电路，分频电路的输入接所述的频率控制单元的输出，分频电路用于对频率控制单元输出的所述DA控制脉冲进行分频，分频电路的输出送隔离电路的输入，经隔离电路做电气隔离后，得到AD控制脉冲，再将AD控制脉冲输出至所述标准表的AD转换单元的6个AD转换器。

8.一种频率波动时电测量仪表计量误差的测量方法，其特征在于，所述方法的步骤为：

(1)设计三相电压信号和三相电流信号共有的频率波动方式，设计要求基于以下技术约束：频率的波动要具有重复性，若波动的周期记为T_f，则T_f时段的波形要由完整、连续的n个工频周波组成，n为正整数；设计的内容是：确定所述n的具体值，以及所述n个工频周波中,每个工频周波周期的具体值，n的取值范围是n≥2，若所述n个工频周波中，第j个周波的周期记为T_j，1≤j≤n，则T_j的取值范围是1/70≤T_j≤1/40，单位为秒；

(2)在(1)设计的基础上，接下来设计各相电压信号和各相电流信号T_f时段的所述n个工频周波中，每个周波的波形函数；

(3)对各相电压信号和各相电流信号T_f时段的波形分别做离散化处理，方法是，对各相电压信号和各相电流信号T_f时段的所述n个工频周波，每个周波均按等时间间隔，在该周波的波形函数上取k个瞬时值，得到k个离散化波形数据，k为正整数，取值范围是32≤k≤3600，如此T_f时段n个工频周波离散化共需n×k个时间间隔，每相电压信号和每相电流信号都获得n×k个离散化波形数据；

(4)由所述控制系统，将所述n×k个时间间隔的值依次存入所述频率控制单元，将A相电压信号的n×k个离散化波形数据存入A相电压源的波形数据单元，B相电压信号的n×k个离散化波形数据存入B相电压源的波形数据单元，C相电压信号的n×k个离散化波形数据存入C相电压源的波形数据单元，A相电流信号的n×k个离散化波形数据存入A相电流源的波形数据单元，B相电流信号的n×k个离散化波形数据存入B相电流源的波形数据单元，C相电流信号的n×k个离散化波形数据存入C相电流源的波形数据单元；

(5)将被测表放置在被测表表位，将功率源输出的三相电压信号分相并联接入标准表和被测表的电压输入端，将功率源输出的三相电流信号分相串联接入标准表和被测表的电流输入端，然后，由所述控制系统发出功率源输出命令；

(6)所述频率控制单元以及各相电压源和各相电流源的波形数据单元执行以下操作：频率控制单元按照(4)存储的n×k个时间间隔值，逐一输出所述的DA控制脉冲，控制各相电压源和各相电流源的波形数据单元，各自将自己在(4)存储的n×k个离散化波形数据，依次送各自所连接的DA转换单元的DA转换器做数模转换，得到T_f时段n个工频周波的模拟信号波形；

(7)重复执行(6)，可得到连续输出的模拟信号波形，使所述测量装置输出频率波动的三相电压信号和三相电流信号；

(8)根据标准表和被测表的测量结果，从绝对误差、相对误差和引用误差三种误差计算公式中，按实际需要选择一种，用以计算得出频率波动时被测表的测量误差。