CN107991529A - 非线性功率测量分析记录仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非线性功率测量分析记录仪，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程选择单元、模数转换单元、电气隔离单元和计量子系统；信号取样单元包括多个信号取样电路，信号调理单元包括多个信号调理电路，量程选择单元包括多个量程开关；计量子系统用于测量获得采样信号的值，并据此控制多个量程开关中的一个导通，并用于检测采样信号的值是否在当前量程范围内，当采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，并控制另一量程开关导通。实现了对量程的不断的快速调整，能够适应非线性波形的测量，使得对电流或者电压的测量更为准确。

Description

非线性功率测量分析记录仪

技术领域

本发明涉及非线性测量技术领域，特别是涉及非线性功率测量分析记录仪。

背景技术

线性功率指的是输入的电流或者电压均为连续的、线性的量值，而非线性功率指的是输入的电流或者电压的量值是非线性的或动态变化的。目前对于非线性功率的测量对于冲击性的或大量程变化的非线性工况无法做到准确的测量。

此外，对于非线性电量的测量，传统的测量的采样是以线性波形的一个或多个周期作为量程调整的控制周期，由于非线性的波形的动态变化可能在一个周波内发生，因此，传统的测量电能表无法准确地对非线性的电流或者电压进行测量。

发明内容

基于此，有必要针对性地提供一种非线性功率测量分析记录仪。

一种非线性功率测量分析记录仪，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程选择单元、模数转换单元、电气隔离单元和计量子系统；

所述信号取样单元、所述信号调理单元、所述量程选择单元和所述模数转换单元依次连接，并通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接，；

所述信号取样单元包括多个信号取样电路，所述信号调理单元包括多个信号调理电路，所述量程选择单元包括多个量程开关，每一所述信号取样电路通过一所述信号调理电路与一所述量程开关的第一端连接，各所述量程开关的第二端与所述模数转换单元的输入端连接，所述量程开关的控制端通过所述电器隔离单元与所述计量子系统连接，所述模数转换单元的数字接口信号端通过所述电器隔离单元与所述计量子系统连接；

所述计量子系统用于测量获得采样信号的值，所述计量子系统还用于控制多个所述量程开关中的一个导通，并用于检测所述采样信号的值是否在当前量程范围内，当所述采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，并控制另一量程开关导通。

进一步地，还包括驱动电路，所述量程开关的第二端通过所述驱动电路与所述模数转换单元的输入端连接。

进一步地，所述量程开关为SPST模拟开关。

进一步地，每一所述信号取样电路连接一取样电阻。

进一步地，所述信号调理电路包括仪表放大器。

本发明的有益效果是：工作时，计量子系统控制多个量程开关中的其中一个导通，只允许该量程开关对应的一路信号取样电路取样的电流信号或者电压信号通过，该电流信号或者电压信号通过信号调理电路放大，经模数转换单元转换成数字信号后经电气隔离输出至计量子系统，计量子系统测量获得采样信号的值，计量子系统检测采样信号的值是否在测量范围内，当采样信号的值在测量范围内时，保持当前的量程开关导通，继续测量；在采样信号的值不在测量范围内时，关闭当前的量程开关，计量子系统控制另一量程对应的量程开关导通，从而实现了对量程的不断的快速调整，能够适应非线性波形的测量，使得对电流或者电压的测量更为准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1一实施例的非线性功率测量分析记录仪的原理框图；

图2A另一实施例的基于单相控制的非线性功率测量分析记录仪的原理框图；

图2B另一实施例的非线性功率测量分析记录仪的计量子系统和数据处理单元的连接框图；

图3为一实施例的应用于电流采样的非线性功率测量分析记录仪的量程控制电路原理图；

图4为一实施例的应用于电压采样的非线性功率测量分析记录仪的量程控制电路原理图；

图5为计量子系统对采样电路的控制流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应该理解的是，非线性功率测量分析记录仪既可对电流信号进行测量，也可对电压信号进行测量。进一步地，非线性功率测量分析记录仪还测量和记录功率、非线性度，同时还分类累积电能数据。

如图1所示，在一个实施例中，一种非线性功率测量分析记录仪，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程选择单元、模数转换单元、电气隔离单元、计量子系统和数据处理单元。

所述信号取样单元、所述信号调理单元、所述量程选择单元和所述模数转换单元依次连接，并通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接，即，所述模数转换单元通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接。所述计量子系统与所述数据处理单元连接，例如，所述计量子系统通过板级通信接口与所述数据处理单元连接。例如，所述计量子系统通过板级通信电缆与所述数据处理单元连接的板级通信接口连接。

本实施例中，非线性功率测量分析记录仪可以对电压信号进行采样和测量，也可是电流信号进行采样和测量，因此，还可以对三相的电压信号(Ua、Ub和Uc)或者三相的电流信号(Ia、Ib和Ic)进行测量，因此，该信号取样单元包括对三相的电压信号(Ua、Ub和Uc)进行采样的电压采样单元，以及对三相的电流信号(Ia、Ib和Ic)进行采样的电流采样单元。

所述信号取样单元包括多个信号取样电路，所述信号调理单元包括多个信号调理电路，所述量程选择单元包括多个量程开关，每一所述信号取样电路通过一所述信号调理电路与一所述量程开关的第一端连接，各所述量程开关的第二端与所述模数转换单元的输入端连接，所述量程开关的控制端通过所述电器隔离单元与所述计量子系统连接，所述模数转换单元的数字接口信号端通过所述电器隔离单元与所述计量子系统连接。

所述计量子系统用于测量获得采样信号的值，所述计量子系统还用于控制多个所述量程开关中的一个导通，并用于检测所述采样信号的值是否在当前量程范围内，当所述采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，并控制另一量程开关导通。

本实施例中，该计量子系统用于对采样信号进行测量，获得该采样信号的值，并将该采样信号的值输出至数据处理单元。具体地，该计量子系统对采样信号进行测量，从而能够获得该采样信号相对于当前量程的大小，值得一提的是，计量子系统各对应量程测量获得的值不一定全部为准确的数值。当采样信号的值在当前量程范围内时，则仅该量程采样信号的值为最准确的值；当采样的信号不在当前量程范围内时，该量程采样信号的值为一个非最准确范围值，比如大于当前量程的最大测量值，或者小于当前量程的最小测量值。

例如，数据处理单元用于存储计量子系统发送的数据，并用于获取用户指令，根据用户指令将控制参数发送至计量子系统，计量子系统用于根据控制参数设置量程范围和对量程开关的控制机制。数据处理单元存储的计量子系统发送的数据包括采样信号的值。本实施例中，该数据处理单元具有数据处理和贮存功能，可通过通信接口供用户作进一步的分析。进一步地，数据处理单元用于还将用户设置的各种采样控制参数下发到计量子系统，由计量子系统实施对量程切换和模数转换电路的采样进行控制。

该计量子系统用于在任一时刻，控制多个所述量程开关中的一个导通，且该计量子系统还用于检测该采样信号的值是否在该量程开关对应的量程范围内，当采样信号的值在该量程开关对应的量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，并控制另一量程开关导通。应该理解的是，该采样信号为模拟的采样信号经过放大并经模数转换的信号，也就是说，该计量子系统测量的采样信号为数字信号。该采样信号可以是电流信号，也可以是电压信号。

具体地，所述电气隔离单元用于将信号隔离，例如，所述电气隔离单元用于采样信号与控制信号隔离。该采样信号由模数转换单元的数字接口信号端输入至计量子系统，该控制信号由计量子系统输入至量程开关的控制端或者模数转换单元的使能端。该电气隔离单元可采用ADI公司的ADuM4400_4401_4402或者荣湃半导体的π120A4/π121A4/π122A4实现，本实施例中不对此进行限制。

如图2A所示，电气隔离单元包括电气隔离SPI总线接口和电气隔离量程控制接口，电气隔离SPI总线接口用于传输模数转换单元发送至计量子系统的数字信号，电气隔离量程控制接口用于传输计量子系统向量程开关发送的控制信号。

本实施例中，所述量程开关的控制端用于经电气隔离后与计量子系统连接，所述模数转换单元的数字接口信号端用于经电气隔离与计量子系统连接。具体地，所述模数转换单元包括使能端和数字接口信号端，所述模数转换单元的使能端和数字接口信号端经电气隔离后与计量子系统连接，即所述模数转换单元的使能端和数字接口信号端通过所述电气隔离单元连接至计量子系统。通过将采样信号与控制信号进行电气隔离，使得采样信号更为准确，且使得控制信号不容易受到干扰。

具体地，该信号取样单元包括多路的信号取样电路，每一路的信号取样电路用于与信号采样的输入端连接，该信号取样电路用于对电流信号或者电压信号进行取样，例如，每一所述信号取样电路连接一取样电阻，例如，该输入端即为测量输入端，用于向非线性功率测量分析记录仪输入取样信号。

该信号调理电路用于将信号取样电路的输入信号放大，以匹配不同阻值的取样电阻的阻抗，并通过量程开关输出至模数转换单元。例如，在一个实施例中，所述信号调理电路包括仪表放大器。例如，信号调理电路包括仪表放大器和与该仪表放大器连接的电阻和电容，电阻和电容与该仪表放大器连接可采用现有技术实现，例如，该信号调理电路可采用ADI公司的AD8237实现，本实施例中不对此限制。

模数转换单元用于将模拟的采样信号转换为数字信号并经电气隔离后输出至计量子系统。具体地，所述模数转换单元可采用ADI公司的AD7687实现，本实施例中不对此进行限制。

本实施例中，多个量程开关对应非线性功率测量分析记录仪的多个量程，也就是一个量程开关与非线性功率测量分析记录仪的一个量程对应。每一信号取样电路与一信号调理电路对应，且每一信号取样电路与一量程开关对应，也就是说，每一信号取样电路与一信号调理电路以及一量程开关对应连接。

各所述量程开关用于在计量子系统的控制下，在任一时刻有且仅有一个导通，具体地，各所述量程开关在任一时刻有且仅有一个接收到计量子系统的导通信号并使得该量程开关导通，也就是说，在任一时刻，多个量程开关有且仅有一个导通，使得该非线性功率测量分析记录仪在任一时刻的量程仅有一个，且该量程是可通过导通任一量程开关实现选择的。

在任一时刻，该量程开关中的一个导通，对于该导通的量程开关的选择导通，可以是基于计量子系统的内部算法。该量程开关导通，使得对应的信号取样电路导通，并接收到的采样信号，采样信号能够通过信号调理电路的放大，经模数转换单元转换成数字信号后经电气隔离后输出至计量子系统，计量子系统对该数字信号测量，获得采样信号的值，计量子系统检测该采样信号的值是否在该量程开关对应的量程范围内。在当前测量的信号的值处于测量范围内时，保持当前的量程开关导通，即计量子系统向当前的量程开关的控制端继续发送导通信号，使得该量程开关对应的量程能够继续对输入信号进行测量。

例如，计量子系统用于接收采样信号，测量该采样信号的值，计量子系统用于检测该采样信号的值是否在当前量程范围内，当采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，当采样信号的值不在当前量程范围内时，控制当前的量程开关关闭，检测采样信号的值是否大于当前量程，在该采样信号的值大于当前量程时，则控制另一较大量程对应的量程开关开启，在该采样信号的值小于当前量程时，则控制另一较小量程对应的量程开关开启。

具体地，在采样信号的信号的值大于该量程开关对应的量程范围时，计量子系统则向该量程开关的控制端发送关闭信号，使得该量程开关关闭，并向另一较大量程对应的量程开关的控制端发送导通信号，使得较大量程对应的量程开关导通，这样，能够使得计量子系统能够准确测量较大的信号的值；在当前测量的信号的值小于该量程开关对应的量程范围时，则计量子系统向该量程开关的控制端发送关闭信号，使得该量程开关关闭，并向另一较小量程对应的量程开关的控制端发送导通信号，使得较小量程对应的量程开关导通，这样，能够准确测量较小的信号的值。通过对量程开关的导通的选择，能够使得计量子系统的量程能够快速对应采样信号的值，使得输入的采样信号的值始终处于该计量子系统测量的线性范围内，从而有效提高测量精度。

值得一提的是，上述对采样信号的测量，计量子系统可以基于FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片实现，这样可通过设计多套并行处理硬件和软件，大大提升运算速度。

由于该计量子系统不间断地接收输入的采样信号，并且不断计算该输入的采样信号的值，且计量子系统实时检测该输入信号的值是否在该量程开关对应的量程范围内，从而改变或者维持量程开关的导通，使得能够对不同的量程的电流信号或者电压信号进行测量，使得所选择的输入信号始终维持在量程线性范围内，使得测量更为准确，实现对非线性波形的精确测量，使得对电流或者电压进行测量更为准确和更加快速，响应更为及时。

例如，多个信号调理电路分别具有不同的放大幅度或者放大范围，这样，对于处于不同量程范围内的输入信号，不同的信号调理电路通过不同倍数的放大，使得各输入信号得到不同倍数的放大，并且在放大后处于同一合理范围内，从而实现对输入信号的准确测量。

本实施例中，每一信号取样电路、每一信号调理电路以及每一量程开关连接形成一支路，对于更宽量程范围的测量，只需增加量程选择单元的量程开关数量，增加对应的支路的数量、配置相应的取样电阻以及信号调理电路的放大倍数就可容易地实现。

在一个实施例中，非线性功率测量分析记录仪还包括驱动电路，所述量程开关的第二端通过所述驱动电路与所述模数转换单元的输入端连接。

该驱动电路用于将放大后的单端共模的输入信号转换为双端的差模的输入信号，并输出至模数转换单元，模数转换单元用于将驱动电路的模拟的输入信号转换为数字信号并经电气隔离后输出至计量子系统。这样，信号取样电路接收到采样信号后，该采样信号经过信号调理电路的放大，并经过驱动电路的的双端的差模转换，在模数转换单元转换为数字信号，并输出至计量子系统，在计量子系统上对该采样信号进行算法分析，并依此进行相应控制。具体地，在测量和检测时，多个量程开关中的一个导通，只允许该量程开关对应的一路信号取样电路的采样信号通过，该采样信号依次通过信号调理电路、驱动电路，经模数转换单元转换成数字信号经电气隔离后连接至计量子系统。当测量的信号的值在测量范围内时，计量子系统保持当前的量程开关导通，继续测量，在当前测量的信号值不在测量范围内时，计量子系统关闭当前的量程开关，计量子系统控制开启另一量程对应的量程开关，从而实现了对量程的不断的快速调整，能够适应非线性波形的测量，使得对电流或者电压的测量更为准确。

在一个实施例中，所述驱动电路的第一输入端分别与各所述量程开关的第二端连接，所述驱动电路的第二输入端通过电阻接地。进一步地，所述驱动电路的第一输出端和第二输出端分别与所述模数转换单元的两个输入端连接。

具体地，所述的驱动电路包括全差分驱动器，本实施例中，该驱动电路为低噪声低失真全差分放大器，用于将共模信号转换为差模信号，该放大器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。这样，通过该驱动电路对信号调理电路放大后的输入信号实现单端到差分的转换。

应该理解的是，量程开关也可称为电子开关，为了实现量程开关的导通和关闭，在一个实施例中，所述量程开关为SPST(single-pole single-throw，单刀单掷)模拟开关，该SPST模拟开关的控制极为控制端，这样，计量子系统向量程开关的控制极输入控制信号，即可实现对量程开关的通断的控制。

在一个实施例中，每一信号取样电路的输入连接到一取样电阻。例如，进一步地，各所述取样电阻的阻值相异。这样，对于不同量程范围，不同的信号取样电路连接不同阻值的取样电阻，能够有效地适应不同的量程。

在一个实施例中，如图2B所示，该数据处理单元用于接收计量子系统发送的数据，该数据为计量子系统对采样信号测量获得的样本值或经过加工的电物理量值。该数据处理单元通过板级通信接口与计量子系统连接，例如，计量子系统和数据处理单元分别具有通信接口，计量子系统的通信接口和数据处理单元的通信接口之间通过板极通信线缆连接。

该数据处理单元还用于提供用户交互界面，并用于接收计量子系统发送的数据并进行进一步的处理和贮存。

例如，该数据处理单元包括处理器、存储器以及显示屏，例如，显示屏为LCD显示屏，该处理器与存储器连接，处理器通过I²C(Inter－Integrated Circuit，两线式串行总线)总线与显示屏连接，这样，该数据处理单元的能够将数据进行展示，便于用户对采样信号的观看。

例如，该数据处理单元包括处理器、存储器、显示器、4个正交编码器、12个脉冲宽度调制器、8个定时器、2条CAN总线、3个UART异步串口、2个SPI(Serial PeripheralInterface，串行外设接口)同步串口、2个SPORT接口、1个EMAC以太媒体控制器、1个SMC系统管理控制器、USB FS OTG(On-The-Go)接口以及1个重定向OTG接口。

处理器与4个正交编码器、12个脉冲宽度调制器、8个定时器、2条CAN总线、3个UART异步串口、2个SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)同步串口、2个SPORT接口、1个EMAC以太媒体控制器、1个SMC系统管理控制器、USB FS OTG(On-The-Go)接口以及1个重定向OTG接口连接，并且4个正交编码器、12个脉冲宽度调制器、8个定时器、2条CAN总线、3个UART异步串口、2个SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)同步串口、2个SPORT接口、1个EMAC以太媒体控制器、1个SMC系统管理控制器、USB FS OTG(On-The-Go)接口以及1个重定向OTG接口连接通过若干GPIO接口(General Purpose Input Output，通用输入/输出)与外部设备通信连接。

具体地，若干GPIO接口通过RS232、RS485、CAN/USB以及互联网(以太网)接口与外部设备通信连接，这样，能够使得该非线性功率测量分析记录仪能够与用户进行交互，便于用户对非线性功率测量分析记录仪的操作和控制。

例如，该处理器还用于与外部SRAM(Static Random Access Memory，静态随机存取存储器)连接，这样，能够进一步扩大数据处理单元的存储性能。

如图2A和图2B所示，该计量子系统包括样本数据存储器、电压有效值计算单元、电流有效值计算单元、视在功率计算单元、有功功率计算单元、畸变功率计算单元、电能积算逻辑单元以及子系统存储器，样本数据存储器分别与电压有效值计算单元、电流有效值计算单元、有功功率计算单元以及畸变功率计算单元连接，电压有效值计算单元和电流有效值计算单元均与视在功率计算单元连接，视在功率计算单元、有功功率计算单元和畸变功率计算单元均与电能积算逻辑单元连接，电压有效值计算单元和电流有效值计算单元均与子系统存储器连接。子系统存储器与数据处理单元连接。该计量子系统还包括SPI总线接口，计量子系统通过该SPI总线接口与电气隔离单元连接，并且SPI总线接口通过电气隔离单元分别与量程开关的控制端以及模数转换单元的数字接口信号端连接。

具体地，样本数据存储器用于存储采样信号，或者说存储采样信号的值。电压有效值计算单元用于测量计算电压信号的值，电流有效值计算单元测量计算电流信号的值。视在功率计算单元用于计算采样信号的视在功率，有功功率计算单元用于计算采样信号的有功功率，畸变功率计算单元用于计算采样信号的畸变功率。

如图3所示，其为本发明一实施例的应用于电流采样的非线性功率测量分析记录仪，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程选择单元230、驱动电路240和模数转换单元250；信号取样单元包括多个信号取样电路210，信号调理单元包括多个信号调理电路220，所述量程选择单元包括多个量程开关231，每一所述信号取样电路210通过一所述信号调理电路20与一所述量程开关231的第一端连接，所述量程开关231的第二端通过所述驱动电路240与所述模数转换单元250的输入端连接，所述量程开关231的控制端与计量子系统连接，所述模数转换单元的数字接口信号端与计量子系统连接，计量子系统和数据处理单元连接，图3中省去了计量子系统和数据处理单元。即，所述量程开关231的控制端经电气隔离后与计量子系统连接，所述数字接口信号端以及使能端经电气隔离后与计量子系统连接。

为了实现电气隔离，具体地，所述量程开关的控制端经电气隔离后与计量子系统连接，所述模数转换单元的数字接口信号端经电气隔离后与计量子系统连接。在一个实施例中，如图3所示，非线性功率测量分析记录仪还包括第一电气隔离单元261和第二电气隔离单元262，即电气隔离单元包括第一电气隔离单元261和第二电气隔离单元262。例如，所述量程开关231的控制端通过所述第一电气隔离单元261与计量子系统连接，所述模数转换单元250的数字接口信号端通过所述第二电气隔离单元262与计量子系统连接。通过采用第一电气隔离单元和第二电气隔离单元的电气隔离，使得采样的电流或者电压信号能够与计量子系统的信号隔离。值得一提的是，第一电气隔离单元和第二电气隔离单元可以是同一个电路单元，也可以是两个相互独立的电路单元。

具体地，该第一电气隔离单元和第二电气隔离单元可采用ADI公司的ADuM4400_4401_4402或者荣湃半导体的π120A4/π121A4/π122A4实现，本实施例中不对此进行限制。

下面是一个具体的实施例：

本实施例中，如图3所示的基于电流取样的非线性功率测量分析记录仪包括：信号取样单元、信号调理单元、量程选择单元、驱动电路、模数转换单元、第一电气隔离单元和第二电气隔离单元；信号取样单元包括四个信号取样电路，信号调理单元包括四个信号调理电路，所述量程选择单元包括四个量程开关，每一所述信号取样电路与一取样电阻连接，每一所述信号取样电路通过一所述信号调理电路与一所述量程开关的第一端连接，所述量程开关的第二端通过所述驱动电路与所述模数转换单元的输入端连接，所述量程开关的控制端通过第一电气隔离单元与计量子系统连接，所述模数转换单元的数字接口信号端通过第二电气隔离单元与计量子系统连接。

本实施例中，四个信号取样电路的采样信号分别为Is1、Is2、Is3和Is4，四个信号调理电路为仪表放大器，四个仪表放大器分别为AMP1、AMP2、AMP3和AMP4，四个量程开关分别为SWITCH1、SWITCH2、SWITCH3和SWITCH4，Is1对应的信号取样电路通过AMP1与SWITCH1连接，取样信号Is2对应的信号取样电路通过AMP2与SWITCH2连接，取样信号Is3对应的信号取样电路通过AMP3与SWITCH3连接，取样信号Is4对应的信号取样电路通过AMP4与SWITCH4连接，Is1对应的信号取样电路对应的量程为0至1mA，Is2对应的信号取样电路对应的量程为1至10mA，Is3对应的信号取样电路对应的量程为10至100mA，Is4对应的信号取样电路对应的量程为100至1000mA。该模数转换单元具有四个接口信号，分别为CNV、SCK、SDI和SDO，其中，CNV为使能端，SDO为数字接口信号端，使能端和数字接口信号端经电气隔离后分别与计量子系统连接。计量子系统向模数转换单元的使能端向发送CNV信号，启动模数转换单元的模数转换，当转换结束后进行一次数据样本的传输，也就是将转换后的数字信号通过SDO输出至计量子系统，计量子系统对该数字信号进行测量，获得该数字信号的值，并发送至数据处理单元。其中，图3中省去了计量子系统和数据处理单元。

测量时，输入信号为300mH，其中一个量程开关导通，比如，当前导通的量程开关为SWITCH2，信号取样电路Is2导通，计量子系统向模数转换单元发送CNV信号，信号取样电路Is2接收到输入信号后，输入信号依次通过信号调理电路AMP2的放大，驱动电路DRIVE的差分转换以及模数转换单元ADC的模数转换后，由模数转换单元的SDO将数字信号输出至计量子系统，计量子系统测量到当前电流值大于10mA，并且检测到该值大于信号取样电路Is2对应的量程1至10mA，则控制量程开关SWITCH2关闭，选择更大量程对应的量程开关SWITCH3，计量子系统控制量程开关SWITCH3导通，输入信号则依次通过信号调理电路AMP3的放大，驱动电路的差分转换以及模数转换单元的模数转换为数字信号后，由模数转换单元的SDO将该数字信号输出至计量子系统，计量子系统测量到当前电流值大于100mA，并且检测到该值大于信号取样电路Is3对应的量程10至100mA，则控制量程开关SWITCH3关闭，选择更大量程对应的量程开关SWITCH4，计量子系统控制量程开关SWITCH4导通，这样，由于信号取样电路Is4对应的量程100至1000mA，因此，计量子系统能够精确测量输入信号为300mA。

例如，随后，当输入信号的值改变为60mA，由于此时导通的是量程开关SWITCH4，由于信号取样电路Is4对应的量程100至1000mA，计量子系统测量到输入信号的值小于100mA，并且检测到该值小于Is4对应的量程100至1000mA，因此，控制量程开关SWITCH4关闭，选择较小量程对应的量程开关SWITCH3，并且控制量程开关SWITCH3导通，由于信号取样电路Is3对应的量程10至100mA，输入信号的值60mA在Is3对应的量程10至100mA内，因此，计量子系统能够精确检测到输入信号为60mA。

通过上述过程对量程开关的选择通断，从而实现量程的快速选择切换，使得量程能够更好地匹配当前的输入信号的值，进而实现对输入信号的精确测量。此外，由于计量子系统对每一个采样值进行实时测量，并且实时获得该测量的值并进行检测，通过内部的算法判断输入信号的值是否在量程范围内，从而实现量程的实时调整，而不是传统的对多个周波的有效值进行判断，使得量程能够实时根据测量的波形进行调整，并且能够有效适应适应非线性波形快速变化的测量，使得对电流或者电压进行测量更为准确。

此外，本实施例中，四个信号取样电路的输入信号分别为Is1、Is2、Is3和Is4，并分别接至四个取样电阻。四个取样电阻分别为Ri1、Ri2、Ri3和Ri4取样电阻，即取样信号Is1对应的信号取样电路与取样电阻Ri1连接，取样信号Is2对应的信号取样电路与取样电阻Ri2连接，取样信号Is3对应的信号取样电路与取样电阻Ri3连接，取样信号Is4对应的信号取样电路与取样电阻Ri4连接。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，图4是应用到电压取样的另一个实施例。由于仅是取样电阻的连接方式不同，加之通常电压采样的输入信号足够大，因此图4将量程开关移到了信号调理电路之前，同时节省了仪表放大器的数量。为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

如图5所示，为一个实施例的计量子系统的量程控制流程：

步骤一，发送使能CNV信号。

计量子系统向其中一个模数转换单元的使能端发送使能信号CNV。

步骤二，启动ADC转换。

即使得该模数转换单元启动模数转换，对信号进行模数转换。

步骤三，判断ADC转换完成，是则执行步骤四，否则继续执行步骤二。

即判断ADC转换是否完成。

步骤四，经SPI通讯传送一个样本数据Sn。

计量子系统接收到模数转换单元转换后的一个数字信号，采得一个样本数据Sn。

步骤五，判断Sn>Max_n，是则选择n＝n+1档量程，并再次执行步骤五，否则执行步骤六。

计量子系统判断样本数据是否大于当前的量程的最大值，是选择n+1档量程，再次进行Sn>Max_n的判断，也就是更大的量程进行测量，否则执行步骤六。

步骤六，判断Sn＜Min_n，是则选择n＝n-1档量程，并再次执行步骤六，否则执行步骤七。

判断样本数据是否大于当前的量程的最小值，是选择n-1档量程，也就是更小的量程进行测量，再次进行判断Sn＜Min_n。值得一提的是，本实施例中，n档对应的量程比n+1档对应的量程小，n档对应的量程比n-1档对应的量程大。

步骤七，接通第n路开关。

也就是接通n档量程对应的量程开关，使得该量程开关对应的信号取样电路、信号调理电路、驱动电路和模数转换单元接通，实现对该档量程内的电流信号或者电压信号的精准测量。

步骤八，关断CNV信号。

测量完毕后，计量子系统向模数转换单元的使能端发送下一组使能信号CNV，使得该模数转换单元进入下一个采样控制循环。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种非线性功率测量分析记录仪，其特征在于，包括：信号取样单元、信号调理单元、量程选择单元、模数转换单元、电气隔离单元和计量子系统；

所述信号取样单元、所述信号调理单元、所述量程选择单元和所述模数转换单元依次连接，并通过所述电气隔离单元与所述计量子系统连接；

所述信号取样单元包括多个信号取样电路，所述信号调理单元包括多个信号调理电路，所述量程选择单元包括多个量程开关，每一所述信号取样电路通过一所述信号调理电路与一所述量程开关的第一端连接，各所述量程开关的第二端与所述模数转换单元的输入端连接，所述量程开关的控制端通过所述电器隔离单元与所述计量子系统连接，所述模数转换单元的数字接口信号端通过所述电器隔离单元与所述计量子系统连接；

所述计量子系统用于测量获得采样信号的值，所述计量子系统还用于控制多个所述量程开关中的一个导通，并用于检测所述采样信号的值是否在当前量程范围内，当所述采样信号的值在当前量程范围内时，保持当前的量程开关导通，否则控制当前的量程开关关闭，并控制另一量程开关导通。

2.根据权利要求1所述的非线性功率测量分析记录仪，其特征在于，还包括驱动电路，所述量程开关的第二端通过所述驱动电路与所述模数转换单元的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的非线性功率测量分析记录仪，其特征在于，所述量程开关为SPST模拟开关。

4.根据权利要求1所述的非线性功率测量分析记录仪，其特征在于，每一所述信号取样电路连接一取样电阻。

5.根据权利要求1所述的非线性功率测量分析记录仪，其特征在于，所述信号调理电路包括仪表放大器。