专利名称：手持式钳形数字电流谐波分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数字电流谐波分析仪，特别是涉及一种用于测试电力电网中谐波电流含量的手持式钳形数字电流谐波分析仪。
背景技术：
现有的谐波分析仪一般是采用模拟电路实现，在现场工作抗外界干扰能力差，有的虽然采用数字电路，但是电路不能自动选择电流档位。在小电流情况下，就选择小电流档位；在大电流情况下，就选择大电流档位。选择电流档位需要人为地去选择，在中间部位的电流选择什么样的档位就很难办到。另一方面，目前使用的谐波分析仪一般是大型仪器或者依赖计算机进行分析，体积比较大，不能随身携带，不便于电力部门现场监测，即使有便携式测量设备应用，基本上是进口的，价格昂贵。除此之外，现有技术还存在一些问题(1)处理能力差，可扩展存储空间较小，运算速度较慢，难以运行精度严格的算法进行大量的实时数据处理；(2)现有的处理器一般是用51系列和96系列单片机，随着电力系统对实时性、数据量和计算能力的不断提高，这些器件在计算能力方面已不能很好的适应电力系统的要求；(3)有的分析仪无通讯和控制输出功能，不能满足电力系统网络化、自动化的发展要求。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种用于测试电力电网中谐波电流含量的手持式钳形数字电流谐波分析仪。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是包括电源电路、电磁型互感器、测量电路、数字信号处理器、键盘电路和LCD显示电路，所述的测量电路包括采样电路、自动选档电路和调理电路，采样电路由采样电阻R1和R2组成，自动选档电路主由推放管T和继电器组成，调理电路由运算放大器AV1、AV2及辅助器件组成，采样电阻R1和R2的一端连接在钳型互感器的副边的一端，采样电阻R1和R2的另一端经继电器的开关触点连接在钳型互感器的副边的另一端，钳型互感器的副边两端也连接运算放大器AV1的正反相输入端，运算放大器AV1的输出端连接运算放大器AV2的正相输入端，运算放大器AV2的输出端连接所述数字信号处理器的测量电流信号输入端口，所述数字信号处理器的量程控制信号输出端连接推放管T的基极。由采样电路获得测量电流信号经调理电路输入到数字信号处理器处理，通过键盘选择可以把测量值以及动态的显示谐波的情况显示在液晶显示器上，同时数字信号处理器处理根据测得的处理结果反馈控制自动选档电路选择量程。
本实用新型在运算放大器AV1的正相输入端与输出端之间连接由电容C、电阻RC1和RC2组成的滤波电路。
本实用新型在运算放大器AV2的输出端连接由二极管D1和D2组成的钳位保护电路。
本实用新型还包括通讯接口电路，通讯接口电路连接到数字信号处理器的相应端口上。
本实用新型采用高集成的数字信号处理芯片，本实用新型采用的是TMS320F2407A。
本实用新型所述自动选择电流档位，采用数字电路和软件实现自动选择电流档位，软件设计程序按功能分初始化功能模块、模数转化功能模块、参数计算及指标分析功能模块。可分为主程序、采样中断子程序、键盘中断子程序3个部分。主程序完成系统的初始化，设定各种标志位和相应的状态标志位，然后等待中断，判断键盘的设定，判断数据是否采集完毕，在数据采集完，进行运算得到各种指标输出到LCD。
所述采样中断子程序，采样中断子程序响应模数转化数据转换完毕的中断信号，存取采样数据，对采样进行计算，确定是否一个周期的数据采样完毕，及能否进行FFT运算和其它的计算工作，控制数字信号处理芯片DSP定时器。
所述键盘中断流程图，为简化电路设计，利用了F2407A的I/O进行键盘模块的硬件设计。键盘事件以中断形式通知数字信号处理芯片，键盘的中断引脚是I/O口复用引脚，所以等键盘中断事件发生后，将该引脚设置为输入引脚避免中断事件的再次触发，延迟30毫秒后读取该引脚电平，如果电平为低，说明是正确的中断触发，否则是抖动。键盘模块完成的功能是系统与用户之间的交互，允许用户通过键盘进行各种功能指标的操作和设定。
本实用新型工作原理当测量电流经过采样电路处理后，经转化，获得一个周期的离散数字序列，再经加窗技术处理后列通过快速傅立叶变换计算出1-50次谐波的幅值和含量以及电流的有效值，通过键盘选择可以读出任何值以及动态的显示谐波的情况。
本实用新型的有益效果是(1)自动选择电流档位，测量范围宽，算法上采用了加窗技术，防止了频谱泄漏，在0.5-500A大范围测量时自动选档；(2)测量精确，设计采用了高精度的电磁型互感器，系统在测量电流时采用双量程的办法，测量小信号用大的采样电阻，测量大信号则采用小的采样电阻，保证测量的精度；(3)体积小，采用高集成的数字信号处理芯片(TMS320F2407A)较少外围扩展，结构简单，功能更强大，减少了体积，便于携带，操作简便，测量快速，便于在调试现场使用；(4)采用数字电路和软件实现自动选择电流档位，能够保证自动选择的档位可以最精确，比模拟电路可靠；(5)采用最新数字信号处理器(DSP)，仪器全数字化，抗外界干扰能力强；(6)采用通讯接口，并与计算机连接保存数据，LCD显示，画面形象；(7)制造成本低，性能好，比进口同类产品价格低。


图1是本实用新型外观正视图；图2是本实用新型系统结构方框图；图3是本实用新型电路原理图；图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10是本实用新型显示器和键盘面板开机使用状态示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
参照图1～2，本实用新型主要包括电磁型互感器、数字信号处理器、键盘电路、LCD显示电路、采样电路、自动选档电路、调理电路、RS232通讯接口及电源电路。测量电流采样经过处理后，经A/D转化，获得一个周期的离散数字序列，再经加窗技术处理后列通过快速傅立叶变换计算出1-50次谐波的幅值和含量以及电流的有效值，通过键盘选择读出测量值以及动态的显示谐波的情况。电流测量范围0.5A-500A，测量范围宽，采用高精度的电磁型互感器，误差线性度0.2L。互感器变比1/2000，副边电流为0.25-250mA，动态范围为1000倍。系统在测量电流时采用双量程的办法，测量小信号用大的采样电阻，测量大信号则采用小的采样电阻，保证测量的精度。采样时，由数字信号处理器芯片扩展I/O口依次控制选择通道进行选择，选择原则是从最小通道开始依次开通，选择通过电压最大而没有超过AD测量范围的通道，这样使每次采样的信号幅度尽可能逼近AD满量程，提高了测量的精度，经过开关的信号是幅度比较小的双极性信号，不适合AD采样要求，所以又经过10倍放大，电平提升，成为0-3V范围内AD可以测量的信号引入数字信号处理器进行采样处理。
参照图3，本实用新型实施例之一，它包括电源电路、电磁型互感器、测量电路、数字信号处理器、键盘电路和LCD显示电路，测量电路包括采样电路、自动选档电路和调理电路，采样电路由采样电阻R1和R2组成，自动选档电路由推放管T和继电器J组成，调理电路由运算放大器AV1、AV2及辅助器件组成，采样电阻R1和R2的一端连接在钳型互感器的副边的一端，采样电阻R1和R2的另一端经继电器J的开关触点连接在钳型互感器的副边的另一端，钳型互感器的副边两端也连接运算放大器AV1的正反相输入端，运算放大器AV1的输出端连接运算放大器AV2的正相输入端，运算放大器AV2的输出端连接所述数字信号处理器的测量电流信号输入端口，数字信号处理器的量程控制信号输出端连接推放管T的基极。由采样电路获得测量电流信号经调理电路输入到数字信号处理器处理，通过键盘选择把测量值以及动态的显示谐波的情况显示在液晶显示器上，同时数字信号处理器处理根据测得的处理结果反馈控制自动选档电路选择量程。在运算放大器AV1的正相输入端与输出端之间连接由电容C、电阻RC1和RC2组成的滤波电路，在运算放大器AV2的输出端连接由二极管D1和D2组成的钳位保护电路，通讯接口电路连接到数字信号处理器的相应端口上，采用高集成的数字信号处理芯片TMS320F2407A。
测量电流I经过钳型互感器，互感器副边上的采样电阻R1和R2通过接在数字信号处理器DSP选择采样电流，用于小电流采样电阻是200Ω，用于大电流采样电阻是5Ω，再后面连接一个运算放大器以及电容C、电阻RC1和RC2用来滤波，消除5KHZ以上的高频干扰，消除了高频信号后，信号进入调理电路。调理电路由一个频率范围很宽的运算放大器及辅助器件组成，信号经过RT2进入运算放大器，在运算放大器的正端经+3V的电平抬升电位，然后经过运算放大器跟踪这个抬升电位的单极性信号，再经RT4消除高频干扰，把信号调理成0-3V的范围里，同时把双极性的信号变成单极性的信号让DSP接受。D1和D2是保护电路，防止电位超过DSP的处理范围。
键盘由4个键组成，重起键REST，采样键START，选择键CHOOSE，确定键ENTER，键盘4个键分别连接在DSP的IOPE1，IOPE2，IOPE3，ADCSOC接口上面，平时是高电平，保持在3.3V，这样有助于抗干扰，当有键按下时就使电平变为低电平。根据电平的变化，程序就做相应的事。液晶显示LCD选用的是南亚的图形液晶模块128*64，型号LMA97S005AD。液晶显示LCD连接在DSP上，连接方式是LCD的D0-D7数据口接在DSP的IOPB0-7脚上，D/I接在IOPA2上，R/W接在IOPA3上，E接在IOPA4上，CS1和CS2分别接在IOPA5和IOPA6上，根据LCD显示的画面上通过键盘选择不同的按键操作，然后通过数据线把要显示的内容显示到LCD上。通讯接口选用RS232，带有PC使用程序。电源电路采用了低功耗的电源转换芯片，选用9V电池供电，保证电池的待机时间。DSP和键盘要采用3.3V供电，LCD要采用5V供电，调理电路直接用9V供电。
参照图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10，本实用新型显示器和键盘面板开机使用说明如下(1)开机LCD画面显示欢迎使用手持式钳形数字电流谐波分析仪，见图4。
(2)选项按下采样键START，同时LCD画面出现的画面是4个选项，4个选项分别是有效值、谐波分析、频谱分析和系统分析，见图5，可以通过选择键CHOOSE进行循环选择，按确定键ENTER确定进入下层①如果选择第一项有效值，按下确定键ENTER，出现的画面是您测量的有效值XXX.XX，见图6，然后读出电流的有效值。
②如果选择第二项谐波分析，按下确定键ENTER，出现的画面见图7，接着就是选择谐波次数，按选择键选择谐波次数，按确定键读出相应的值见图8。
③如果选择第三项频谱分析，按下确定键ENTER，出现的画面见图9。
④如果选择第四项系统信息，按下确定键ENTER，出现的画面见图10。
权利要求1.一种手持式钳形数字电流谐波分析仪，包括电源电路、电磁型互感器、测量电路、数字信号处理器、键盘电路和显示电路，其特征在于所述的测量电路包括采样电路、自动选档电路和调理电路，采样电路由采样电阻R1和R2组成，自动选档电路主由推放管T和继电器组成，调理电路由运算放大器AV1、AV2及辅助器件组成，采样电阻R1和R2的一端连接在钳型互感器的副边的一端，采样电阻R1和R2的另一端经继电器的开关触点连接在钳型互感器的副边的另一端，钳型互感器的副边两端也连接运算放大器AV1的正反相输入端，运算放大器AV1的输出端连接运算放大器AV2的正相输入端，运算放大器AV2的输出端连接所述数字信号处理器的测量电流信号输入端口，所述数字信号处理器的量程控制信号输出端连接推放管T的基极。
2.根据权利要求1所述的手持式钳形数字电流谐波分析仪，其特征是在运算放大器AV1的正相输入端与输出端之间连接由电容C、电阻RC1和RC2组成的滤波电路。
3.根据权利要求1所述的手持式钳形数字电流谐波分析仪，其特征是在运算放大器AV2的输出端连接由二极管D1和D2组成的钳位保护电路。
4.根据权利要求1所述的手持式钳形数字电流谐波分析仪，其特征是包括通讯接口电路，通讯接口电路连接到数字信号处理器的相应端口上。
专利摘要本实用新型涉及一种手持式钳形数字电流谐波分析仪，包括电源电路、电磁型互感器、采样电路、自动选档电路、调理电路、数字信号处理器、键盘电路和显示电路，由采样电路获得测量电流信号经调理电路输入到数字信号处理器处理，通过键盘选择可以把测量值以及动态的显示谐波的情况显示在液晶显示器上，同时数字信号处理器处理根据测得的处理结果反馈控制自动选档电路选择量程。本实用新型测量范围宽，测量精确，操作简便快速，体积小便于携带，便于在调试现场使用。
文档编号G01R23/16GK2665720SQ200320118489
公开日2004年12月22日 申请日期2003年11月25日 优先权日2003年11月25日
发明者蔡丽娟, 邹祖冰 申请人:华南理工大学