基于直流高速采样的正弦电压测量

基于直流高速采样的正弦电压测量

叶敏

上海交通大学， 上海 200240

摘要：如今电子科技的变化日新月异，许多非线性、多谐波的设备相继出现，对供电电网的安全十分不利。我国目前的交流电压的量值传递是建立在正弦交流信号的基础上，但对准确计量依然没有很好的方法。随着AD转换技术的发展与新技术的运用，目前的测量水平已经逐渐的满足现实控制的实际要求。由于交流计量技术的不断发展与进步，我们对正弦信号具有的测量水平也具有较大的提升，本文寄希望于通过研究提升交流测量的水平，同时对本地区的电能质量控制提供有效的保证。

关键词：直流高速；正弦电压；测量

1 测量原理

利用高速模数转换器对正弦电压进行采样，主要是基于傅里叶算法对采样数据进行分析计算，可以得出信号的幅值、相位等信息。傅立叶变换的同步性所指的就是采样的开端从一个周期的起点到这个周期的终点与采样点最后发生重叠，但是在实际运用中，严格意义的同步很难实现，终点的异步会对精密测量产生很大的不良影响。

为解决非整周期采样问题，主要有以下两种方法，第一种是利用锁相技术实现采样时钟和被测信号尽量接近同步，另外一种是采用软件补偿的办法对不同步的数据采用非周期的方法进行分析。

第一种解决方法是将信号源与采样器用同一个时钟信号，虽然这样会结果会有帮助， 但实际上还会存在一定的差异，对测量技术指标很难有更进一步的提升。而第二种方法是放松对同步的，只需要确保采样间隔相等，出现的误差则通过算法及增加采样的频次来加以实现。

这里所采用的是第二种方法，在一个周期波形中进行等间隔的采样，假设采样起始点T₀而把终点设定在Tn，由此可以得到一个完整的采样状态，这是满足傅立叶变换的采样要求。

2 采样器性能实验

对于采样值准确度的性能测试，选择采样器的 1V 量程、5.5 位转换精度对被测信号进行直流高速采样。采样系统最终测量结果正是基于采样值的傅里叶分析得出，因此，采样值的准确度将会直接影响到测量的结果。利用对直流信号进行采样的方法对采样值的准确度进行校准。

首先调节 R2 阻值，使被测直流电压在(0~1)V 间均匀分布，同时分别用高精度八位半数字万用表和采样器对其进行测量，以 500 个采样数据的平均值作为采样测量结果 Vs，八位半数字万用表的测量结果为 VN，由此可以得到K值，结果如表2-1所示。

3 电压信号转换

被测电压信号基本都是120V 和 240V，此时就需要由电压分压器转换到 3458A 已经校准的0.8V，1V 的测量档位。高精度的电压分压器一般情况下可以分为 2 种：电阻分压器和互感器分压器。高稳定性薄膜电阻分压器适用于电阻分压和电流分流器中，该电阻具有时间常数小、温度系数小的特性，引入误差可以忽略。线路采用了等电位屏蔽和双极跟随输出的技术，确保线路输出的分压稳定性。图3.1中，将 OP2 的输出电压作为 OP1 电源电压的参考电位，即 OP1 的电源电压随同相输入电位而变化，则运放 OP1 的工作点就不随共模输入电位变化而变化，这样，用同相电压驱动电源后会使运放的 CMRR 得到改善。

图3.1电阻分压器电路图

对于分压器的比差测试，首先利用直流电压比例装置分别在±240V 和±120V 电压下来校准数字电压表。其次将分压器的输入端和已经校准好的数字电压表同时连接到直流电压源 FLUKE5720 上，此时另一块数字电压表连接分压器的电压输出端口，同时启动两块数字电压表进行测量，经过正向和反向电压的测量，由此得到电阻分压器的比例误差。

4 验证试验

对于交流电压信号的验证测试，此次采用的设备为2台交直流标准信号源5720A、交直流转换器792A、2台数字多用表8508A、直流电压标准734A。对于数字电压表溯源得到的为734A的直流电压标准，2台5720A分别输出为交流信号以及直流信号，到792A的输入为1与输入为2，注意其接地以及GUARD的连接。对于1台5720A交流信号输出被测信号，通过本装置读取测量值为X，1台8508读792A输出的转换差为A。所以将792转换开关到直流，调节直流信号源，使得792的输出读数到A，另一台8508A读取输出直流信号的5720A的读数Y，改变直流极性，继续读取数字表Y，获得其平均值。依据792A证书，标准值为Y（1+d）,d是证书交直流差值，差值为本装置值-792A的值。

5 结语：

本文用3458A作为采样器，用于对非正弦周期信号开展非整周期的采样，结果通过电压转换器得到。通过对于测量部门的标准与优化计算，获取非正弦信号的准确采样的离散数值，有利于后期的傅里叶的分析与处理。通过采用3458A的时序功能测量得到实际的孔径时间，修正了计算分析的结果，使得测量结果的准确程度大幅度的提升。

为了减少采样在非同步测量时所引起的误差，此次采用了非整周期补偿算法，使计算误差在×10^-8 数量级，同时注意到系统主要测量影响量是采样值的准确性，因此在算法上进行了简化，以提高测量速度，并以多次平均的方法提高测量结果标准偏差值，提高了系统的测量水平。

参考文献

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[2]李华曦. 非正弦交流电参量测量系统的研究[D]. 西安理工大学, 2007.

[3]郭宏俊. 非正弦周期电压的测量[J]. 邯郸学院学报, 1997(Z1):63-64.