CN110568233A - 带触发的表源一体同步动态畸变功率源及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源及实现方法，涉及电测仪器仪表技术领域，所述功率源包括信号发生器、功率放大器、采样模块和同步模块，所述同步模块、功率放大器的输入端分别与所述信号发生器的输出端连接，所述功率放大器的输出端与所述采样模块的输入端连接，所述同步模块的输出端与所述信号发生器的输入端连接，所述采样模块的输出端与所述信号发生器的输入端连接。本发明有效地解决了动态畸变信号难以捕捉的问题，并且同时获得实际的动态畸变信号及其严格同步的回放，使用户捕捉并分析到时间尺度较小的信号，在采取离散数值序列时，不会错开需要对齐的波形序列，大大减少了误差分析，提高了波形分析以及信号分析的正确性。

Description

带触发的表源一体同步动态畸变功率源及实现方法

技术领域

本发明涉及电测仪器仪表技术领域，且更具体地涉及一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源及实现方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展及电力电子技术在各行各业中的应用，非线性、非周期性、冲击性以及波动性电力负荷大量增加，使电网中的动态畸变负荷容量越来越大，数量越来越多，而电网在实际运行状况下的负荷常常不是稳态的，而且畸变越来越大、波动规律不统一，而传统电能表的测试条件一般要求稳态功率源，波动负载下的计量精度往往得不到考核，而实际运行状况下的负荷常常不是稳态的，这就有可能造成这样的情况：电能表在实验室首检合格，挂网运行后检定不合格，拆下来送到实验室检定又是合格的。可见电能计量装置的准确性与合理性，直接关系到发、供、用电三方的经济利益。提高动态畸变负荷条件下的电能计量的准确度，是电力发、供、用电三方的共同的需要，也是复杂负荷条件下的科学、公平、合理计量原则的具体体现，因此，行业相关标准建议对电能表的测试需要增加非线性测试波形。尤其是随着智能站的发展，现场波形既有模拟波形也有数字波形，而这些数字波形并无专业的测试仪器，目前电能行业也无法解决数字非线性负载测试问题。

动态畸变源是可以产生任意模拟信号的设备，用于研究或检测其他设备在非周期信号激励下的响应。但是在实际使用过程中，由于涉及到时间尺度较小的信号捕捉和分析，目前的解决方法是使用录波器录制信号产生到信号停止的整个过程，然后将生成录波文件放到计算机上还原，并人工判断和截取所需区间。在这个过程中，首先存在较多人工参与过程，效率较为低下。再者，录波文件内存放的是经过A/D采样之后的离散数值序列，在人工判断时，可能会导致两个需要对齐的波形序列错开若干个采样点，这样必然使后续分析产生误差。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明公开一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源及实现方法，能够有效地解决动态畸变信号难以捕捉的问题，并且同时获得实际的动态畸变信号及其严格同步的回放，大大提高信息分析的精确性。

本发明采用以下技术方案：

一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，所述功率源包括：

信号发生器，用于产生动态畸变的触发信号，作为信号产生和信号激励的电子设备；

功率放大器，用于将小功率信号放大，以适应获取动态畸变信号的电路电压的要求；

采样模块，用于采集所述信号发生器输出的触发信号；

同步模块，用于接收所述信号发生器产生的触发信号，实现所述同步模块实际输出信号与所接收到的触发信号的严格同步，并实现所述同步模块实际输出信号与所述采样模块所采样信号的准确同步；

所述同步模块、功率放大器的输入端分别与所述信号发生器的输出端连接，所述功率放大器的输出端与所述采样模块的输入端连接，所述同步模块的输出端与所述信号发生器的输入端连接，所述采样模块的输出端与所述信号发生器的输入端连接。

作为本发明进一步的技术方案，所述信号发生器包括DSP计算单元和与所述DSP计算单元连接的D/A转换单元，其中所述DSP计算单元接收所述采样模块输入的采样序列和所述同步模块发出的触发信号，并将所述采样序列准换成离散序列，所述D/A转换单元接收所述离散序列，并将接收到的离散数字信号转换成连续模拟信号并输出。

作为本发明进一步的技术方案，所述同步模块包含内置时钟基准的时钟模块，所述时钟模块将外部触发信号或所述信号发生器提供的触发信号进行同步和转换，并为D/A转换单元和采样模块提供采样触发信号，使所述D/A转换单元和所述采样单元接收到的信号严格同步。

作为本发明进一步的技术方案，所述采样模块包括：

传感器，用于感测所述信号发生器产生的模拟连续信号；

信号变换模块，其输入端与所述传感器的输出端连接，用于变换所述传感器输出的信号；和

A/D转换单元，其输入端与所述信号变换模块的输出端连接，用于将所述信号变换模块输出的模拟信号转换成数字信号；并且

其中所述采样模块用于对所述功率放大器输出回路的模拟量进行采样，并将采样序列传输给所述信号发生器内的DSP计算单元。

作为本发明进一步的技术方案，所述功率放大器包括电压功率放大器和电流功率放大器，其中所述电压功率放大器用于将小电压信号变成大电压信号，所述电流功率放大器用于将小电流信号变成大电流信号。

作为本发明进一步的技术方案，所述电压功率放大器包括第一运算放大电路和场效应管放大电路，所述第一运算放大电路的输出端与所述场效应管放大电路的输入端连接，所述第一运算放大电路为基于OPA227的放大电路，所述场效应管放大电路为基于场效应管的放大电路。

作为本发明进一步的技术方案，所述电压功率放大器包括第二运算放大电路和三极管放大电路，所述第二运算放大电路的输出端与所述三极管放大电路的输入端连接，所述第二运算放大电路为基于OPA227的放大电路，所述三极管放大电路为基于三极管的放大电路。

作为本发明进一步的技术方案，所述A/D转换单元为基于逐次比较型的模数转换电路，并且所述模数转换电路包含电压比较器、控制逻辑电路、移位寄存器和数据寄存器和D/A转换器，所述电压比较器的输出端与所述控制逻辑电路的输入端连接，所述控制逻辑电路的输出端与所述移位寄存器和数据寄存器的输入端连接，所述移位寄存器和数据寄存器进行数字量输出,所述D/A转换器向所述电压比较器输出模拟量信号。

作为本发明进一步的技术方案，所述DSP计算单元为具有32位浮点处理单元的TMS320F28335型数字信号处理器。

作为本发明进一步的技术方案，所述DSP计算单元为DSP+FPGA计算单元。

本发明还采用以下技术方案：

一种在同步动态畸变情况下提高波形分析和信号分析准确性的方法，包括以下步骤：

（S1）应用信号发生器产生动态畸变的触发信号；

（S2）应用功率放大器将信号发生器产生的触发信号进行信号放大，以适应获取动态畸变信号的电路电压的要求；

（S3）应用采样模块采集所述信号发生器输出的触发信号；

（S4）应用同步模块采集所述信号发生器输出的触发信号，接收所述信号发生器产生的触发信号，实现所述同步模块实际输出信号与所接收到的触发信号的严格同步，并实现所述同步模块实际输出信号与所述采样模块所采样信号的准确同步；

（S5）再次应用采样模块采集同步模块同步后的触发信号；

（S6）判断是否进行信号重复采集，如果重复采集信号，则返回步骤（S3），如果不重复采集信号，则进行步骤（S7）；

（S7）将采样模块两次采集到的信号信息进行对比；

（S8）得出结论；根据所述步骤（S7）的比对结果，得出在动态畸变信号情况下电源的波形数据的可靠性和稳定性结论。

积极有益效果：

本发明通过设置DSP计算单元和功率放大器，实现表源一体化；

本发明通过设置同步模块，通过在其中内置带有时钟基准的时钟模块，所述时钟模块将外部触发信号或所述信号发生器提供的触发信号进行同步，并转换所述同步模块实际输出信号，以与所接收到的触发信号的严格同步，进而实现所述同步模块实际输出信号与所述采样模块所采样信号的准确同步；

本发明通过设置信号发生器，能够产生动态畸变的触发信号；

因此，本发明还能够有效解决动态畸变信号难以捕捉的问题，并且同时获得实际的动态畸变信号及其严格同步的回放，能够使用户捕捉并分析到时间尺度较小的信号，在采取离散数值序列时，不会错开需要对齐的波形序列，大大减少了误差分析，提高了波形分析以及信号分析的正确性。

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他的附图，其中：

图1为本发明一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源的原理结构示意图；

图2为本发明一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源中信号发生器的原理结构示意图；

图3为本发明一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源中采样模块的原理结构示意图；

图4为本发明一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源中电压功率放大器的原理结构示意图；

图5为本发明一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源中电流功率放大器的原理结构示意图；

图6为本发明一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源中A/D转换单元的电路示意图;

图7为本发明一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源实现方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，所述功率源包括：信号发生器、功率放大器、采样模块以及同步模块，其中所述同步模块、功率放大器的输入端分别与所述信号发生器的输出端连接，所述功率放大器的输出端与所述采样模块的输入端连接，所述同步模块的输出端与所述信号发生器的输入端连接，所述采样模块的输出端与所述信号发生器的输入端连接。

其中，所述同步模块用于接收所述信号发生器产生的触发信号，实现所述同步模块实际输出信号与所接收到的触发信号的严格同步，并实现所述同步模块实际输出信号与所述采样模块所采样信号的准确同步。在本实施例中，所述同步模块包含内置时钟基准的时钟模块，所述时钟模块将外部触发信号或所述信号发生器提供的触发信号进行同步和转换，并为D/A转换单元和采样模块提供采样触发信号，使所述D/A转换单元和所述采样单元接收到的信号严格同步。

如图2所示，所述信号发生器用于产生动态畸变的触发信号，作为信号产生和信号激励的电子设备；信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。在本发明中，所述信号发生器包括DSP计算单元和与所述DSP计算单元连接的D/A转换单元，其中所述DSP计算单元接收所述采样模块输入的采样序列和所述同步模块发出的触发信号，并将所述采样序列准换成离散序列，所述D/A转换单元接收所述离散序列，并将接收到的离散数字信号转换成连续模拟信号并输出。

在上述实施例中，所述DSP计算单元为具有32位浮点处理单元的TMS320F28335型数字信号处理器。TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 (HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发， 缩短开发周期，降低开发成本。

在另一种实施例中，所述DSP计算单元为DSP+FPGA计算单元，可以将上述实施例中的DSP计算单元替换成DSP+FPGA 主控单元使用，效果更佳，在该实施例中，DSP+FPGA 主控单元包括 DSP 芯片和FPGA 芯片，DSP 芯片与 FPGA 芯片相连，FPGA 芯片再与D/A转换单元连接，D/A转换单元将FPGA 芯片输出的信息转换成模拟信号输出，FPGA 采用 ATERAL 公司的 Cyclone 系列的第四代产品 EP4C115E，在 FPGA 内部形成 PWM 模块，完成 PWM 脉冲的产生、扩展，以实现更多数量的 PWM 脉冲路数。FPGA 的主要功能是数据存储、数字滤波、访问控制中断的收发、故障封锁与 PWM 输出等。这样，FPGA 根据DSP计算单元结果完成脉冲的产生、扩展以实现产生大于 12 路的脉冲数，保证了电源的高效工作。

如图3所示，所述采样模块用于采集所述信号发生器输出的触发信号；在发明实施例中，所述采样模块包括：

传感器，用于感测所述信号发生器产生的模拟连续信号；

信号变换模块，其输入端与所述传感器的输出端连接，用于变换所述传感器输出的信号；和

A/D转换单元，其输入端与所述信号变换模块的输出端连接，用于将所述信号变换模块输出的模拟信号转换成数字信号；并且

其中所述采样模块用于对所述功率放大器输出回路的模拟量进行采样，并将采样序列传输给所述信号发生器内的DSP计算单元。

在上述实施例中，更具体参考图6，所述A/D转换单元为基于逐次比较型的模数转换电路，并且所述模数转换电路包含电压比较器、控制逻辑电路、移位寄存器和数据寄存器和D/A转换器，所述电压比较器的输出端与所述控制逻辑电路的输入端连接，所述控制逻辑电路的输出端与所述移位寄存器和数据寄存器的输入端连接，所述移位寄存器和数据寄存器进行数字量输出,所述D/A转换器向所述电压比较器输出模拟量信号。在具体实施时，将逐次比较型A/D转换电路由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。

如图4和图5所示，所述功率放大器用于将小功率信号放大，以适应获取动态畸变信号的电路电压的要求；在发明中，所述功率放大器包括电压功率放大器和电流功率放大器，其中所述电压功率放大器用于将小电压信号变成大电压信号，所述电流功率放大器用于将小电流信号变成大电流信号。

具体参考图4，所述电压功率放大器包括第一运算放大电路和场效应管放大电路，所述第一运算放大电路的输出端与所述场效应管放大电路的输入端连接，所述第一运算放大电路为基于OPA227的放大电路，所述场效应管放大电路为基于场效应管的放大电路。

在具体实施例中，在通过运算放大电路进行一级放大后，其输出端与场效应管的栅级连接，所述场效应管放大电路为两个串联连接的场效应管对其接收到的信息进行一级放大，再通过2个串联连接的场效应管进行二级放大，最终实现输入的信息的放大。

具体参考图5，所述电压功率放大器包括第二运算放大电路和三极管放大电路，所述第二运算放大电路的输出端与所述三极管放大电路的输入端连接，所述第二运算放大电路为基于OPA227的放大电路，所述三极管放大电路为基于三极管的放大电路。

在具体实施例中，在通过运算放大电路进行一级放大后，其输出端与三极管连接，所述三极管放大电路为两个并联连接的三极管。运算放大器对其接收到的信息进行一级放大，再通过2个三极管进行二级放大，最终实现输入的信息的放大。在所选用的三极管中，一个为NPN三极管，一个为PNP三极管，NPN三极管和PNP三极管为共基极连接，NPN三极管的集电极与OPA227运算放大器的高电平电压连接，PNP三极管的发射极与OPA227运算放大器的低电平电压连接。

在上述实施例中，采用运算放大器OPA227作为运算放大器，其兼具低噪声、宽带宽和高精度等特性，OPA227 具有稳定的单位增益并具有高压摆率 (2.3V/µs) 和宽带宽(8MHz)。

本发明的同步动态畸变功率源支持内部触发和外部触发两种工作模式。

在内部触发模式中，触发开始时由DSP计算单元提供触发同步信号，并同时向D/A转换单元输出离散数字序列。时钟模块接收到DSP计算单元提供的触发信号后，将触发信号转发向外输出的同时，向D/A转换单元和A/D转换单元输送采样触发信号。

在内部触发模式中，触发开始时DSP计算单元循环等待外部触发信号。时钟模块接收到外部触发信号后，开始向D/A转换单元和A/D转换单元输送采样触发信号，同时将外部触发信号转发给DSP计算单元。DSP计算单元接收到触发信号后开始向D/A转换单元输出离散数字序列。

参考图7，一种在同步动态畸变情况下提高波形分析和信号分析准确性的方法，包括以下步骤：

（S1）应用信号发生器产生动态畸变的触发信号；

（S2）应用功率放大器将信号发生器产生的触发信号进行信号放大，以适应获取动态畸变信号的电路电压的要求；

（S3）应用采样模块采集所述信号发生器输出的触发信号；在本步骤中，作为采样模块第一次采集的原始信号使用；

（S4）应用同步模块采集所述信号发生器输出的触发信号，接收所述信号发生器产生的触发信号，实现所述同步模块实际输出信号与所接收到的触发信号的严格同步，并实现所述同步模块实际输出信号与所述采样模块所采样信号的准确同步；

（S5）再次应用采样模块采集同步模块同步后的触发信号；在本步骤中，作为采样模块第二次采集的原始信号使用；

（S6）判断是否进行信号重复采集，如果重复采集信号，则返回步骤（S3），如果不重复采集信号，则进行步骤（S7）；

（S7）将采样模块两次采集到的信号信息进行对比；在本步骤中，将二者信息进行对比，有利于查看同步模块进行同步前的信号情况和同步后的信息情况，便于衡量电源的稳定性；

（S8）得出结论；根据所述步骤（S7）的比对结果，得出在动态畸变信号情况下电源的波形数据的可靠性和稳定性结论。

综上所述， 本发明能够有效解决动态畸变信号难以捕捉的问题，并且同时获得实际的动态畸变信号及其严格同步的回放，能够使用户捕捉并分析到时间尺度较小的信号，在采取离散数值序列时，不会错开需要对齐的波形序列，大大减少了误差分析，提高了波形分析以及信号分析的正确性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，其特征在于：所述功率源包括：

信号发生器，用于产生动态畸变的触发信号，作为信号产生和信号激励的电子设备；

功率放大器，用于将小功率信号放大，以适应获取动态畸变信号的电路电压的要求；

采样模块，用于采集所述信号发生器输出的触发信号；

同步模块，用于接收所述信号发生器产生的触发信号，实现所述同步模块实际输出信号与所接收到的触发信号的严格同步，并实现所述同步模块实际输出信号与所述采样模块所采样信号的准确同步；

所述同步模块、功率放大器的输入端分别与所述信号发生器的输出端连接，所述功率放大器的输出端与所述采样模块的输入端连接，所述同步模块的输出端与所述信号发生器的输入端连接，所述采样模块的输出端与所述信号发生器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，其特征在于：所述信号发生器包括DSP计算单元和与所述DSP计算单元连接的D/A转换单元，其中所述DSP计算单元接收所述采样模块输入的采样序列和所述同步模块发出的触发信号，并将所述采样序列准换成离散序列，所述D/A转换单元接收所述离散序列，并将接收到的离散数字信号转换成连续模拟信号并输出。

3.根据权利要求1所述的一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，其特征在于：所述同步模块包含内置时钟基准的时钟模块，所述时钟模块将外部触发信号或所述信号发生器提供的触发信号进行同步和转换，并为D/A转换单元和采样模块提供采样触发信号，使所述D/A转换单元和所述采样单元接收到的信号严格同步。

4.根据权利要求1所述的一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，其特征在于：所述采样模块包括：

传感器，用于感测所述信号发生器产生的模拟连续信号；

信号变换模块，其输入端与所述传感器的输出端连接，用于变换所述传感器输出的信号；和

A/D转换单元，其输入端与所述信号变换模块的输出端连接，用于将所述信号变换模块输出的模拟信号转换成数字信号；并且

其中所述采样模块用于对所述功率放大器输出回路的模拟量进行采样，并将采样序列传输给所述信号发生器内的DSP计算单元。

5.根据权利要求1所述的一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，其特征在于：所述功率放大器包括电压功率放大器和电流功率放大器，其中所述电压功率放大器用于将小电压信号变成大电压信号，所述电流功率放大器用于将小电流信号变成大电流信号。

6.根据权利要求5所述的一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，其特征在于：所述电压功率放大器包括第一运算放大电路和场效应管放大电路，所述第一运算放大电路的输出端与所述场效应管放大电路的输入端连接，所述第一运算放大电路为基于OPA227的放大电路，所述场效应管放大电路为基于场效应管的放大电路。

7.根据权利要求5所述的一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，其特征在于：所述电压功率放大器包括第二运算放大电路和三极管放大电路，所述第二运算放大电路的输出端与所述三极管放大电路的输入端连接，所述第二运算放大电路为基于OPA227的放大电路，所述三极管放大电路为基于三极管的放大电路。

8.根据权利要求1所述的一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，其特征在于：所述A/D转换单元为基于逐次比较型的模数转换电路，并且所述模数转换电路包含电压比较器、控制逻辑电路、移位寄存器和数据寄存器和D/A转换器，所述电压比较器的输出端与所述控制逻辑电路的输入端连接，所述控制逻辑电路的输出端与所述移位寄存器和数据寄存器的输入端连接，所述移位寄存器和数据寄存器进行数字量输出,所述D/A转换器向所述电压比较器输出模拟量信号。

9.根据权利要求2所述的一种带触发的表源一体同步动态畸变功率源，其特征在于：所述DSP计算单元为具有32位浮点处理单元的TMS320F28335型数字信号处理器，其中所述DSP计算单元为DSP+FPGA计算单元。

10.利用权利要求1-9任意一项所述的功率源在同步动态畸变情况下提高波形分析和信号分析准确性的方法，包括以下步骤：

（S1）应用信号发生器产生动态畸变的触发信号；

（S2）应用功率放大器将信号发生器产生的触发信号进行信号放大，以适应获取动态畸变信号的电路电压的要求；

（S3）应用采样模块采集所述信号发生器输出的触发信号；

（S4）应用同步模块采集所述信号发生器输出的触发信号，接收所述信号发生器产生的触发信号，实现所述同步模块实际输出信号与所接收到的触发信号的严格同步，并实现所述同步模块实际输出信号与所述采样模块所采样信号的准确同步；

（S5）再次应用采样模块采集同步模块同步后的触发信号；

（S6）判断是否进行信号重复采集，如果重复采集信号，则返回步骤（S3），如果不重复采集信号，则进行步骤（S7）；

（S7）将采样模块两次采集到的信号信息进行对比；

（S8）得出结论；根据所述步骤（S7）的比对结果，得出在动态畸变信号情况下电源的波形数据的可靠性和稳定性结论。