CN1314971C - 1/4数字平方乘法器功率电能表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的1/4数字平方乘法器功率电能表，包括显示器，其特征是：还包括：将输入电压信号X与输入电流信号Y分别进行相加(X+Y)、相减(X-Y)运算的加减法电路；与加减法电路输出端连接、实现对其输入的电压、电流信号和、差量进行交直流变换的普通平均值变换电路或真有效值变换电路；与变换电路连接，将其输入的直流和、差量U₁、U₂进行数字化的A/D转换器；与A/D转换器连接，实现(U₁ ²-U₂ ²)/4运算处理的单片机。本发明这种硬件和软件结合的结构构成的1/4数字式平方乘法器由于不采用复杂的模拟电路实现平方运算，所以其精度较传统的1/4平方模拟乘法器提高10倍，精度容易达到0.02%及以上。

Description

1/4数字平方乘法器功率电能表

技术领域

本发明涉及应用于功率和电能测量的仪表，具体是适用于实验室标准表和现场安装式测量仪表的1/4数字平方乘法器功率电能表。

背景技术

数字功率电能表和功率、电能变送器最核心的单元是乘法器，目前广泛应用于功率、电能测量领域的乘法器主要有以下几种：

(1)时分割乘法器

(2)霍尔效应型乘法器

(3)交流直接采样型乘法器

其中(1)、(2)属于模拟乘法器一类，采用的是模拟元器件来实现电压与电流之间的乘积运算。时分割乘法器，不论是电流输入型，还是电压输入型，均采用场效应管控制调幅电路，易受到场效应管尖峰效应的干扰，制作高精度时分割乘法器对元器件要求相当高，辅助电路复杂，相应成本增大。采用这种乘法器虽制作功率表容易，但不易实现其它电气量的测量。而霍尔效应型乘法器由于受霍尔元件制造工艺的限制，不易用于高精度功率电能测量中。

在模拟乘法器中存在一种1/4平方乘法器，是基于以下原理工作的：

XY＝[(X+Y)²-(X-Y)²)/4                          (1)

其中X代表电压输入信号，Y代表电流输入信号。

传统的1/4平方乘法器是采用高频二极管构成的折线近似式函数发生器来构成求和和求差平方电路以实现电压信号与电流信号的乘积，且需对二极管进行温度补偿，电路复杂，成本高，精度不高，所以很少用于功率测量中。

第(3)种交流直接采样型乘法器实际上是一种全数字乘法器，基于采样定理，将电压、电流的瞬时值经A/D转换成数字量送入微机，通过软件实现电压、电流的乘积得到功率值，同时也可实现其它电气量(如电流、电压、功率因数)的测量，因此目前应用广泛。但这种乘法器对A/D转换器的转换速率有较高的要求，一般只能选用逐次逼近式A/D转换器。这种转换器的抗干扰能力相对较差，构成的乘法器对单片机的程序存储器和数据存储器需求量相对较大，则8位单片机往往难以满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种界于模拟与数字乘法器之间，具有两者之优点的1/4数字平方乘法功率电能表。

本发明所采用的技术方案是这样的：即一种1/4数字平方乘法器功率电能表，包括显示器，其特征是：还包括：

(1)、将输入电压信号X与输入电流信号Y分别进行相加X+Y、相减X-Y运算的加减法电路；

(2)、与加减法电路输出端连接，实现对加减法电路输出的电压信号X、电流信号Y和X+Y、差X-Y进行交直流变换的变换电路；

(3)、与普通平均值变换电路或真有效值变换电路连接，将普通平均值变换电路或真有效值变换电路输出的直流和U₁、直流差U₂进行数字化的A/D转换器；

(4)、与A/D转换器连接，实现(U₁ ²-U₂ ²)/4运算处理的单片机。

本发明经单片机软件按公式(1)运算得到当前的功率值。由于电能是某段时间内消耗功率的积算，则(1)式所表示的功率值乘以时段即为电能值。从而得到了采用数字1/4平方乘法器的功率和电能表。

本发明这种硬件和软件结合的结构构成的1/4数字式平方乘法器由于不采用复杂的模拟电路实现平方运算，所以其精度较传统的1/4平方模拟乘法器提高10倍，精度容易达到0.02％及以上。

附图说明

附图1为1/4数字平方乘法器单相功率电能表硬件原理图。

具体实施方式

参见附图：图中的1/4数字平方乘法器单相功率电能表主要以下几部分构成：

(1)输入电路：输入电路将被测交流电流、电压信号变换成后级电路能直接处理的电压信号，幅值一般不超过±5V，根据设计精度不同和使用场合，可选用电阻变换式或互感器输入式电路。

(2)加减法电路：加减法电路完成对输入电压、电流信号加减运算，一般采用集成运算放大器构成加减法电路。

(3)交/直流变换电：交/直流变换电路完成前级加减法电路输出信号的交/直流变换，既可采用普通的平均值变换电路，也可采用真有效值变换电路，例如AD536/736。该电路也可与加减法电路集成在一块芯片上，构成专用模块，对提高整机的精度和抗干扰能力具有极其重要的作用。

(4)模拟开关；如果后级是多通道输入的A/D转换器，该电路就可省略，其目的是为了实现通道之间的切换。

(5)A/D转换器：A/D转换器是该表的核心部件之一，由于前级是直流量输入，1/4数字平方乘法器所采用的是积分式A/D转换器，与交流直接采样型乘法器所采用的逐次逼近式A/D转换器相比具有成本低，抗干扰能力强的特征，这是1/4数字平方乘法器的显著特点之一。

(6)单片机单片机控制A/D转换器完成U₁和U₂值的采集，通过软件实现(U₁ ²-U₂ ²)/4运算处理。

(7)显示器显示电路采用LCD显示器，指示当前的功率和电能值。

根据上述结构，可以制造出安装式和便携式的1/4数字平方乘法器功率表、安装式和便携式的1/4数字平方乘法器电能表。

Claims (1)

1.一种1/4数字平方乘法器功率电能表，包括显示器，其特征是：还包括：

(1)、将输入电压信号X与输入电流信号Y分别进行相加X+Y、相减X-Y运算的加减法电路；

(2)、与加减法电路输出端连接，实现对加减法电路输出的电压信号X、电流信号Y和X+Y、差X-Y进行交直流变换的普通平均值电路或真有效值变换电路；

(3)、与普通平均值变换电路或真有效值变换电路连接，将普通平均值变换电路或真有效值变换电路输出的直流和U₁、直流差U₂进行数字化的A/D转换器；

(4)、与A/D转换器连接，实现(U₁ ²-U₂ ²)/4运算处理的单片机。