一款三相电参数测试仪的解剖与分析

本科毕业设计（论文）

（ 2 0 1 3 届 ）

题 目

学 院专 业班 级 09电气工程及其自动化（2）班

学 号学生姓名指导教师完成日期

一款三相电能参数测试仪的解剖与分析

Tester Anatomic and Analysis A New Three-phase Power Parameter

学生姓名：

Student:

指导教师：

Advisor:

台州学院

物理与电子工程学院

School of Physics & Electronic Engineering

Taizhou University

Taizhou, Zhejiang, China

2012年11月

November 2012

摘要

近年来，随着国民经济的快速发展，电力系统及其相关产业也随即不断发展，电力电子装置和非线性设备在公共电网中的得到了广泛应用，但这同时也使得电网中的电压波形、电流波形产生变化，谐波干扰增加，严重影响和威胁着电能质量, 面对这些因素，电参数测试仪也在结构和性能上都有了很大的发展。本文主要介绍的是日本横河公司生产的型号为“253751”系列的三相电参数测试仪电压测量部分的硬件结构。分析它在信号采集电路上与传统电路的区别及其优势所在，并列出元器件的选型状况，分析仪器高精度标准的主要构架。最后对板子的整体布局进行分析，理解设备对EMC 的处理方式和工艺。

关键词

电参数测试仪；信号采集；EMC 处理

Abstract In recent years, with the rapid development of national economy, electric power system and its related industries also immediately continuous development, power electronics and nonlinear equipment has been widely application in the public power grid, but it also makes the grid change of voltage waveform, current waveform and harmonic interference increases, the serious influence and threaten the power quality, in the face of these factors, the electric parameter tester is also on the structure and performance has a great development. Yokogawa company are mainly introduced in this paper the production model for the "253751" series three-phase electric parameter tester for voltage measurement part of the hardware structure. Analyse it in traditional signal acquisition circuit and circuit difference and advantage, and list the components selection, analysis of main framework of standard high precision instrument. Finally analyze the overall layout of the board, understand the approach and technology of the equipment for EMC. Key words

Electrical parameter tester ; Signal acquisition; EMC processing

目 录

1．引言 ................................................................ 1

1.1 研究的目的和意义 ................................................................................................ 1

1.2 电参数测量仪的发展状况与趋势 ........................................................................ 2

1.2.1 电参数测量仪的发展历程 ................................... 2

1.2.2 国内外研究状况 ........................................... 2

1.3 本课题的主要任务 ................................................................................................ 4

2 ．系统总体结构 ....................................................... 4

2.1 系统框图 ................................................................................................................ 4

2.2 主要芯片资料 ........................................................................................................ 5

2.2.1 主要芯片 ................................................. 5

2.2.2 主要芯片资料 ............................................. 5

2.3 硬件结构剖析 ...................................................................................................... 16

2.3.1 输入保护电路 ............................................ 16

2.3.2 不同量程滤波电路 ........................................ 16

2.3.3 量程选择电路 ............................................ 18

2.3.4 信号的分频处理部分 ...................................... 19

2.3.5 不同频带信号选择电路 .................................... 21

2.3.6 信号放大电路 ............................................ 23

2.3.7 频率测量电路 ............................................ 25

2.3.8 模数转换电路 ............................................ 27

2.3.9 控制信号的转换电路 ...................................... 28

2.3.10 整形隔离电路 ........................................... 28

2.3.11 光耦隔离电路 ........................................... 30

2.3.12 微处理器接口 ........................................... 32

3．系统抗干扰分析 ..................................................... 32

4．总 结 .............................................................. 34

谢 辞 ................................................................ 35

1．引言

最近几年以来，伴随着我国国民经济的快速发展，电力系统及其相关产业的发展以及电能管理制度的不断完善，电力电子行业的发展浪潮持续高涨，电参数测试仪在结构和性能上都有了很大的发展和改进。传统的电磁式电参数测试仪正在逐步被电子式多功能电参数测试仪所替代，并结合全球无线传输技术及远方抄表技术，占据着配电自动化系统的主要部分。电力电子装置和非线性设备在公共电网中的广泛应用，使得电网中的电压、电流波形产生畸变，谐波干扰增加，这种状况严重影响和威胁着电能质量；另一方面，许多高端性能的家用电器、高精度试验仪器及办公设备、用于精密生产过程的自动控制设备以及对供电质量敏感的用电设备不断普及，这对电力系统供电质量的要求越来越高，解决电能质量问题成为近年来各个方面关注的热点，电能质量监测是当前所研究的一个重点问题，高精度采集三相电信号参数，有助于进一步分析控制并提高电能质量[1]。

1.1 研究的目的和意义

在现代工农业生产及人们的日常生活中，电能是一种用途最广泛的能源。它不仅清洁方便经济实用，而且容易传输和转换，对电能的使用程度已成为衡量一个国家工业的发展水平的一个主要标准。电能质量不仅影响着用户设备的正常工作状况，而且对电网的安全、经济运行都有着至关重要的作用。

近几年，国内用电量迅速增长，随着全国联网及特高压电网建设，电力电子学的发展，电力电子器件和电力电子设备在公共电网中的广泛应用，出现了许多谐波干扰，电压干扰及波动，电源质量恶化的状况。而许多和电能质量有关的敏感控制设备和自动化设备越来越多的应用在工农业生产及人们的日常生活中，干扰和恶化对正在运行系统的安全性产生了严重的威胁，所以加强电能系统及电能质量的监测和管理是十分必要的。实时、准确及有效的测量用电系统的各项参数，对电网的安全运行极为有利，而且对用户用电设备的正常运行有着极其重要的意义，最重要的是减少电能的浪费。因此，监控三相电用电系统的电压、电流的有效值、有功功率、无功功率和功率因数、相角频率及电能等参数，对用电安全和减少用电浪费具有十分重要的意义。

1.2 电参数测量仪的发展状况与趋势

1.2.1 电参数测量仪的发展历程

传统的电参数测量是通过对模拟电压信号、电流信号的采样和计算来完成测量。主要经历了以下几个阶段：

1. 以模拟测量为主，通过基于电磁通量原理的指针式。但其机械结构和电磁通量结构比较复杂，测量的精度也不高。

2. 经过直流采样，将被测量信号整流成直流量，通过测量其平均值来测量被测参数的有效值。这种方法软件设计简单，计算速度快。但是，整流电路的准确度和稳定性直接影响着测量准确度，整流电路参数调整起来困难。

3. 主要靠交流采样，先将电压、电流信号经高精度的电压、电流互感器转换成系统可测量的交流小信号，经过A/D转换器转换，然后再由微处理器进行计算。这种方法可以采用不同的算法得到所需要的各种信息（如有效值、相位、频率等），实时性好，精度高。

随着微型处理器技术的不断发展和电力参数实时测量要求的不断提高，交流信号采样技术已经慢慢取代了直流采样技术。大量电子器件的相继出现，对电能参数的测量由传统的电能表，逐渐被数字乘法器型电子式电能表取代。特别是电能计量专用芯片出现以后，在很大程度上简化了测量电路的复杂性[2]。

1.2.2 国内外研究状况

从2003年以来，随着国内城镇电网进行大规模改造和建设，电力系统对三相多功能电能表的需求量迅速增长，到2004年产量估计约70万台，到目前为止，电能表的数量已是这个数量的好几倍。国际、国内电表企业也纷纷看好电子产业快速发展的商机，抓紧新技术开发，不断推出了三相多功能表的新产品，以满足电能表市场的应用需求[3]。

电参数测试仪伴随着一系列电子产品的出现而诞生，到目前为止，已经有很长的发展历史。以前，国内外进行电参数的参数测试普遍采用的是机械式电参数测试仪，也被称作感应式电参数测试仪，其制造技术成熟，价格低，性能也相当优越，特别是这类电参数测试仪对电源瞬变及各种频率的无线电干扰抗干扰能力强。但是由于其机械机构的局限性及原理的的复杂度，在提高测试精度方面已经十分困难。另外，由于

电力系统一些新设备的投入应运及大量电子设备的广泛应用，由电能质量引起的问题日益增多，但对于电能管理来说，实现合理的电能分配及定制电能应用计划，机械式电参数测试仪已不能满足现代化电能管理的要求。与传统的机械表相比，采用电子计量原理的三相多功能表，具有测试精度稿、可测试参数多、能计量谐波功率等优势。从总体来看，三相多功能表是具有稳态电力负荷的计量产品，由于其应用范围不断扩大，电力系统也对电表逐渐提出新的技术要求。现在市场上的三相多功能表性能和品质也不能完全适应电力系统的需求。所以对如何合理地评估产品技术发展趋势，优化产品设计方案，推进三相多功能电表技术的发展状况，毋庸置疑是电表行业和电力系统共同关注的问题[4]。

目前国际上三相电能表技术的研究方向向着高精度、长寿命计量，高速率、实时测量的方向发展。准确度可达到0.1%的有功电能计量，0.2S 级三相基波表，具有分相的2—50次谐波有功功率计量。高速率交流采样速率可达到256点/周波，记录周期最短为10毫秒[4][5]。

在我国，国产的三相多功能电能表也出现一些新技术，国产的电子式三相多功能表由于技术发展较晚，近年来，不断学习国际计量技术与管理经验，注重自主开发，强化自主产权，取得了很大的进步：

0.2S 级有功功率计量仪，16位∑-△A/D芯片，160M IPS的DSP （交流采样速率256点/周波），负荷曲线记录和容量为4M 字节的存储器，互感器合成误差补偿，变压器铜损及铁损计算；0.5S 级三相基波有功表，采用三相SOC 单芯片或三相有功、无功计量芯片的低端三相多功能表设计，从技术上适应电表量大、面广的市场需求；高压电能表，采用电子式传感器，悬浮式电源设计，有功电能计量准确度为0.5级，用于10千伏中压电网直接计量电能量。三相电能计量专用芯片（具有基波/谐波电能计量功能，16位∑-△A/D，负荷动态范围1000:1，线性度0.1%，测量带宽21次谐波，集成有温度传感器）；采用Hilbert 数字滤波器计量谐波无功功率的三相计量芯片；采用数字并行算法和降低晶振频率技术的低功耗三相有功功率计量芯片[4][5]。

综上，历经十多年的发展，国内三相多功能表种类也开始多了起来，其中中、低端电表的技术研发能力较强，特别是冲击负荷电能计量理论与算法、谐波无功功率计量、具有谐波功率计量的三相专用芯片、高压电能表、GPRS 通信技术应用、电能远程校准等技术项目具有创新意义。同时也应该注意到，高性能的电表技术还不成熟，

电网关口的测量仍旧依靠进口电表，这也是我们应该考虑的问题[6]。

面对现状，展望未来，我们要切合实际超前预测未来电表应用领域和技术需求的变化，才能沿着正确的产品技术之路前进。

1.3 本课题的主要任务

本课题主要是对日本横河公司的一款三相电参数测试仪的电压测量电路进行剖析并画出其原理图，分析其在高精度表的研究方面对硬件电路的布置和基本元器件的选型。并对板子的整体布局进行分析，说明其对EMC 的处理及信号的隔离技术。 2 ．系统总体结构

2.1 系统框图

图2-1 电参数测试仪电压测量部分的系统框图

2.2 主要芯片资料

2.2.1 主要芯片

系统用到的主要芯片及其型号，数目和单价如表2.1所示：

表2.1 主要芯片

2.2.2 主要芯片资料

（1）

G6HK-2

图2-2 G6HK-2的结构图

G6HK-2是由日本欧姆龙公司生产的一款袖珍型双刀双掷两级信号切换用继电

器，其功耗低（单端只有140mW ）, 磁场干扰能力弱，灵敏度高，瞬变电阻小（最大为100m Ω）, 动作时间短（1-1.5ms ），频率特性高，耐电压能力强（1500VAC,50/60HZ）, 重量轻（1.5g ）。动作速度快，实现高度5mm ，可以与半导体元件安装于同一基板, 低消耗电力实现的低热起电力化（约2μV ）。 可进行高密度实装[8,12]。

本系统选择这款继电器，从性能上讲其功耗低，抗干扰能力强，对于满足系统本

身的高精度及低功耗要求很合适；另一方面，其体积小，也是选在本系统中的一大优势，完全实现了其高密度实装的优点。

（2）

AD845KN

图2-3 AD845结构图

AD845KN 是一款快速，精密且具有结晶型场效应管输入的单片集成型运算放大

器，其有先进的激光晶圆技术配置，能出色的实现低输入补偿电压和低补偿电压漂移性能，转换速率可达到100 V/s,单位增益带宽为16 MHz，校正时间短，驱动负载能力强，是场效应晶体管输入的运算放大器中的佼佼者。其经常被用于一些有源滤波电路，取样保持电路，高速积分电路，A/D及D/A转换电路中。最大供电电压15V ，频率范围0.1HZ-100KHZ ，开环增益250-500[12]。

根据AD845KN 的快速，精密特性以及其驱动能力，也是本系统选择其作为运算放

大器的主要原因。

（3）

AD812

图2-4 AD812管脚排列

AD812是一款低功耗，可单电源+3V供电的双极放大器，每个放大器有50mA 的输

出电流可用来驱动高至150Ω的负载。40Mhz 时的增益平稳度为0.1dB, 差分增益误差

（0.02%）和差分相位误差（0.02 。）小，单位增益频宽145 MHz ，转换速率为1600 V/ms， 所以其常常用在一些单电源+5V供电或双电源至+18V供电的通用性高速应用系统 中[12]。

（4）AD817

图2-5 AD817管脚排列

AD817是一种低成本, 低功耗, 单/双电源供电, 高速运算放大器非常适合于广泛

的信号调理和数据采集应用. 这一突破性的产品还具有高输出电流驱动能力和无限大容性负载驱动能力, 同时仍然保持出色的信号完整性。单位增益带宽为50 MHz ，转换速率350 V / s，稳定时间45ns ，单电源+5v供电，双电源时供电电压为5-15v ，电源的灵活性再加上极低的电源电流（7.5 mA）和出色的交流特性，在所有电源条

下,AD817在许多敏感电源应用电路里显得很完美。在实际应用中, 如ADC 缓冲器和线路驱动器中， AD817具有的50 mA 最小输出电流和驱动无限大容性负载的能力, 简化了设计任务[12]。

根据AD817出色的驱动性能，常用于ADC 缓冲器和线路驱动器中，本系统也将其作为AD9220的驱动部分。

（5）AD744

图2-6 AD744管脚排列

AD744是一款快速稳定, 精密,FET 输入的单片运算放大器. 以增强转换率和带宽的AD711 BiFET家族中它提供了优异的直流特性, AD744还提供了使用自定义补偿来实现特殊的容性负载驱动能力的选择. AD744的单极点响应提供快速的结算：500 ns至0.01％. 此功能结合其高直流精度SION, 使得它适合作为一个缓冲放大器, 用于12位,14位或16位的DAC 和ADC 。其出色的动态响应特性决定它常用作前置放大器或有源滤波器[12]。

（6）CD4053BF

图2-7 CD4053BF 管脚排列

CD4053是三2通道数字控制模拟开关，三个数字控制输入端A 、B 、C 是相互独立的，而且具有一个INH 输入口，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。幅值为4.5～20V 的数字信号可控制峰-峰值至20V 的数字信号。例如若VDD ＝+5，VSS ＝0，VEE ＝-13.5V ，则0～5V 的数字信号可控制-13.5～4.5V 的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS 和VDD －VEE 电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH 输入端＝“1”时，所有通道截止。控制输入为高电平时，“0”通道被选，反之，“1”通道被选。主要用于模拟数字信号多路复用和多路分解，A/D和D/A的转换电路及信号选通电路中[3，8,12,13]。

图2-8 CD4053真值表

图2-9 CD4053逻辑框图

图2-10

CD4053引脚功能

（7）DG444DY

图2-11 DG444DY 管脚排列

DG444DY 是一款单片四路SPST,CMOS 模拟开关，它包括四个独立的单刀单掷（SPST ）模拟开关和TTL 及CMOS 兼容数字输入端口，与DG211和DG212相比，其有

更低的模拟导通电阻（85Ω）和更快的开关时间（tON

），电荷注入量少，应用简单。IN1-IN4分别是逻辑控制端子，D1-D4为信号输出端子，S1-S4为信号输入端子。主要用途有： 音频切换器，电池控制系统，高能耗系统，取样保持系统，通讯系统和自动测试系统[12]。

图2-12 DG444DY 的真值表

（8）AD9220

AD9220是一款单电源12位模拟数字转换器。产品提供了一个完整的单芯片样品12位，采样速率高达10.0 MSPS，单5v 电源供电时功耗仅为250mw ，积分非线性误差0.5 LSB，差分非线性误差0.3 LSB，输入参考噪声0.09 LSB，具有完善的电压基准能力和采样保持能力，信号与噪声及失真之比70分贝，无杂散动态范围86分贝。一般情况下，为了满足直流精度和温度漂移特性，可采用外部基准电压。它本身采用一种带有宽带输入采样的四级流水结构，使其在指定数据率的情况下为１２位数据精确提供了数字输出错误修正，保证了在整个操作温度范围内没有误码。AD9220有一个非常灵活的输入端，允许它和单端或差分接口电路连接单端输入，要求当ＶＩＮＢ在一个中间代码过渡有直流偏移时，ＶＩＮＡ是来自信号源的Ｄｃ或ＡＣ信号。AD9220的输入极其灵活，可以方便的连接到映像，媒体，通讯和数据采集系统中，真差分输入结构使单端输入和差分输入采样接口均支持各种输入范围[14]。

本系统中AD9220采用差分输入方式，这种方式的好处在于：a 对于这个设备的共模干扰具有抑制作用；b 可以最小程度的降低偶次谐波；c 信号波动小，对于信号源的线性度要求容易实现； d 用于信号波动小，因此被带宽所限制的不同运放都可以使用。

其引脚功能说明：

1脚 CLK :时钟输入端 2脚 BIT12 :数据输出最低位LSB; 3～12脚 BIT1N :数据输出位; 13脚 BIT1 :数据输出最高位 MSB; 14脚 OTR :数据溢出标志位; 15、26 AVDD : + 5V模拟电源; 16、25 AVSS :模拟地; 17 SENSE :参考选择;

18 VREF :I/O参考; 19 REFCOM :通用参考; 20、21 CAPB、CAPT :减噪管脚; 22 CML :共模方式; 23 VINA :模拟输入正端; 24 VINB :模拟输入负端;

27 DVSS :数字地; 28 DVDD : + 3V ～ + 5V 数字电源端[16]

图

2-13 AD9220功能框图

图2-14 AD9220管脚排列

（9）BU4094

图2-15 BU4094管脚排列

BU4094是带输出锁存和三态控制的串入/并出高速移位存储总线寄存器，具有使用简单、功耗低、驱动能力强和控制灵活等优点。引脚定义如图14。其中(1)脚为锁存端，(2)脚为串行数据输入端，(3)脚为串行时钟端。(1)脚为高电平时，8位并行输出口Q1～Q8在时钟的上升沿随串行输入而变化；(1)脚为低电平时，输出锁定。利用锁存端可方便地进行片选和级联输出控制。(15)脚为并行输出状态控制端，(15)脚为低电平时，并行输出端处在高阻状态，在用BU4094作显示输出时，可使显示数码闪烁。(9)脚QS 、(10)脚Q′S是串行数据输出端，用于级联。QS 端在第9个串行时钟的上升沿开始输出，Q′S端在第9个串行时钟的下降沿开始输出。当BU4094电源为5V 时，输出电流大于3．2MA ，灌电流为1 MA 。串行时钟频率可达2．5MHZ [9,10]。

图2-16 BU4094真值表

（10）ALS04B

图2-17 ALS04B 管脚排列

ALS04B 是一款六路反相器，典型传播延迟为2.5ns ，典型电源电流值为2.0mA 。通用电源输入值为5V [12]。

图2-18 ALS04B 真值表

（11）

HCPL2430

图 2-19 HCPL2430管脚排列

图2-20 HCPL 2430真值表

HCPL2430是一款高速，强共模抑制能力的光耦器件。它由高速光发射二极管和高速光接收器件构成，在这种配置方式下，它的输入电流小，数据传输快，而且图腾柱式的输出方式对数据总线也具有很强的驱动能力。主要用于高速的数据隔离系统，计算机外围接口，开关电源电路，A/D和D/A转换的数字隔离部分等[12]。

(12)LM360

图2-21 LM360管脚排列

LM360是具有改进特性超过μA760/μA760C 的高速差分输入、互补TTL 输出电压比较器，对μA760/μA760C 能进行引脚对引脚替代。器件已经被优化为更大的速度、输入阻抗和扇出，并且有更低的输入偏移电压，对过驱动变化的电压为5—400mV ，延迟变化仅为3ns （典型值）[8,12]。

1) 保证高速，20ns （最大值）； 2) 在两个输出端紧密的延迟匹配；

3) 互补的TTL 输出； 4) 高输入阻抗；

5) 具有过驱动变化的低速变化； 6) 扇出为4；

7) 低输入偏移电压； 8)与74TTL 系列兼容

（13）

74AHC14

图2-22 74AHC14管脚排列

图2-23 74AHC14管脚功能 74AHC14是一款高速六脚反相施密特触发器，其引脚兼容低功耗肖特基TTL ，具有平衡传输延迟特性，输入端可接受电压高于VCC ，它能够将缓慢变化的输入信号转换成清晰,

无抖动的输出信号[12]。

（14）TLP621

图2-24 TLP621管脚排列

管脚功能：

1：阳极 2：阴极 3：发射极 4：集电极

TLP621-1特性：

集电极-发射极电压：55V （最小）； 电流转换率：50%（最小）；

GB 级：100%（最小）。

TLP621-1应用：

可编程控制器；AC/DC输入模块；固态继电器[20]。

2.3．硬件结构剖析

2.3.1 输入保护电路

图2-25 信号输入保护部分框图

信号输入保护部分框图如上图2-25所示，输入信号被标注为in ，本系统最大输入电压为1000VAC ，输入信号经一个降压电阻R5开始进入系统，R5的阻值为1M Ω，其中Q105和Q106分别为NPN 型和PNP 型的贴片三极管，D5,D6,D7,D8为相应的贴片二极管。在信号输入正常范围内，Q105和Q106均工作在截止状态，且D5,D6及D7,D8组成的稳压管也处于截止状态。当电网电压波动或高压电脉冲使得输入电压太高（超过了规定电压）时，Q105和Q106就会导通，此时部分高频信号就会经电容C8和C9被滤除掉，从而降低了输入电压；当电压持续上升，这时由D5,D6及D7,D8组成的稳压管电路就会导通，直接对系统进行了保护，系统输入电压恢复正常后，D5,D6及D7,D8组成的稳压管及Q105和Q106相继关断，系统自动恢复正常工作状态。

2.3.2 不同量程滤波电路

图2-26 不同量程滤波电路部分

不同量程滤波电路如上图所示，这部分电路主要由两个继电器G6HK-2组成，此继电器可实现两级信号的切换，其控制信号CTRL1,CTRL2由微处理器输出，再经过 三极管Q100,Q101,Q102,Q103驱动继电器闸刀的切换方向。微处理器根据选择的不同量程控制继电器接入不同的滤波电路。图中，滤波电路分为两块，分别由接口in2和in3连接，通过CTRL1信号就能控制选择哪一路滤波电路。CTRL2控制着继电器RL101的闸刀切换方向，这里实现的是一个保护作用，当微处理器检测到输入信号过大时就直接控制继电器动作使输入信号接地，从而保护了后续电路。

2.3.3 量程选择电路

图2-27 AD845构成的电压跟随电路

图2-28 量程选择电路

图2-29 AD723构成的电压跟随电路

本系统的量程选择电路由一款四路模拟开关芯片DG444DY 和两个电压跟随电路构成。电压跟随器的显著特点就是输入阻抗高，而输出阻抗低，在电路中，电压跟随器一般做缓冲级(buffer)及隔离级。在本系统中，在量程选择电路前后级各加一路跟随电路，就是为了达到缓冲和隔离的效果。AD845跟随电路借助了AD845具有快速，高精度，大的转换速率及很强的驱动能力等性能而被放在了前级，AD723跟随电路依据主芯片的高输入阻抗，低输出阻抗特性放在了后级。除此之外，这两部分电路同时起到阻抗匹配方面的作用。量程选择电路中模拟开关芯片的控制信号由微处理器提供，从而进行量程的自动选择，自动选择量程由初设量程开始，直到选择到一个合适的量程为止。用软件控制模拟开关进行量程选择可方便的设置软件延时解决开关开通和关断的时间。

2.3.4 信号的分频处理部分

接2.3.3信号被选择量程之后，经过一个跟随电路，在这一部分被分频处理，低频，高频，中频处理电路见图2-30，图2-31，图2-32，低频电路部分R15,R17,R16,R18均为47K ，高频部分电路R19,R22,R23为22K,R21为47K 。由于电网存在着各种形式的干扰，除断电之外的各种干扰均不容易被察觉，但是，这种种干扰对正常运行的电器电子设备有着严重的威胁。电网中高频干扰来源有：尖峰，毛刺，高次谐波等；低频干扰的主要来源有：过压，欠压，断电，浪涌，频率漂移等。所以，对信号进行分频处理，一方面可以提高信号监测的精度，实现电能质量分析仪高精度的性能需求，另一方面，分频处理也有利于

图2-30 低频信号电路部分

图2-31 高频信号电路部分

图2-32 中频信号电路部分

滤波电路的设计。系统中分频电路部分主芯片为AD812，其主要性能是频带增益宽，

功耗低，转换速率快，负载能力强，性能稳定，是本系统选择作为滤波器件的的主要原因。

2.3.5 不同频带信号选择电路

图2-33 基于4053的高低频信号选择电路

图2-34 基于模拟开关的不同频率信号选择电路

图2-35 多路转换器及模拟开关中信号通路说明

当信号被分频为三路之后，这部分是对不同频段信号的选择电路。图2-33 所示是基于4053的高低频信号选择电路。4053是一个多路转换器，它的控制信号来自于微处理器，分别接于A 端和C 端。图2-34是对不同频率信号进行选择的电路，两部分均由模拟转换开关构成，而模拟开关的控制信号也是来自于微处理器。图2-35是对这部分开关电路的模拟部分，用简单开关代替模拟开关分析信号的走向，从而使电

路更加清晰。结合这三幅图，在这里对信号流向进行以下分析:

图2-33中的输入信号来自于图2-30和图2-31，分别标注为U115Y （高频信号）和U115X （低频信号）, 这两个信号要被多路转换器4053进行选择确定其流通路径。标志COM 代表的信号来自于图2-29，标志U1143代表的信号来自于图2-32，COM 信号是一个未分频的混频信号，U1143是一路中频信号。在图2-35里面定义模拟开关固定接在上端代表4053的控制端A 端和C 端均被置1，下端开路代表A 端和C 端均被置0，结合4053的真值表。这里以A 端为例说明，当A 被置1时，多路转换器输出信号就是U115Y ，当A 被置0时，多路转换器输出信号就是U115X 。同理，C 端的控制方式也是这样。在DG444DY 控制开关中，当开关拨在上端时代表IN1,IN3控制的路通了，信号可以从这里通过，当开关拨在下端时代表IN2,IN4控制的路通了。

这部分电路主要是借助软件控制模拟开关及多路转换器的通断对不同频率的信号进行选择，然后将采集到的信号传给后续电路，实现对各频段信号采集，由微处理器对信号进行相应的运算，从而更加准确的检测电网信号中基本参数的变化。

2.3.6 信号放大电路

图2-36 信号抬升电路

图2-37 信号放大电路

图2-38 电压基准电路

信号放大电路是采集系统中的关键电路，它的线性度直接影响到信号放大后的失真程度，所以选择选择线性度好、失真小的运放是十分必要的[14,19]。本系统选用AD817芯片构成AD 芯片输入端的信号放大电路，就是看中了AD817的精密运算放大能力，且具有高精度、高增益、低失真，良好的电源抑制比和共模抑制比，驱动能力强，常被用作ADC 缓冲器和线路驱动器等特点。当信号被分频处理之后，其输出在图34中分别标注为U1226,U1203和U1133。图2-36是由AD817构成的一个信号抬升电路，其抬升电压由图2-37中2.5V 的基准电压源LT1009提供并加到了运放的正向输入端，运放的反相输入端加载的是来次于图2-34中的U1226信号，此信号被抬升后输出U1227信号加载到图2-37信号放大电路的反相输入端。在图2-37中，前级电路是由AD817构成的一个跟随电路，一方面起隔离和匹配阻抗的作用，另一方面为后续电路

AD 转换提供差分输入。后级AD817电路构成的是一个放大电路，放大倍数为R26与R56的比值，同时，电容C124和C123串联用来滤除高频干扰信号，其输出端其中一路供给AD 转换芯片。

2.3.7 频率测量电路

电网频率是重要的电能质量指标之一，正常运行的电网频率，规定上下波动不得超过±0.2Hz，电网频率的不稳定不仅影响电力系统内部的运行情况，而且会使千家万户不同程度受到影响。当频率下降到48Hz 时，电动机转速就下降约4%，这样许多工业产品的产量会下降，质量也无法保证。另外，现代电子设备中精密设备趋于广泛应用的趋势，但往往电网频率不稳定是造成精密仪器误差过大甚至损坏的主要原因。所以，对频率的监测也是电能质量测试仪的一项主要指标。

图2-39 叠频电路

图2-40 过零电路

图2-39和图2-40是本系统频率监测的主要电路。结合图2-34，进行以下分析： 信号被分频处理后，由图2-34电路进行选择，标号为U114的模拟开关的IN3和IN4控制端口由微处理器控制着高频部分，低频部分和叠频部分电路的信号进入图2-40中的前端跟随电路，跟随电路在这里起到隔离和缓冲的作用。图2-40中LM360构成了过零电路。LM360是具有改进特性超过μA760/μA760C 的高速差分输入、互补TTL 输出电压比较器，对μA760/μA760C 能进行引脚对引脚替代。器件已经被优化为更大的速度、输入阻抗和扇出，并且有更低的输入偏移电压，对过驱动变化的电压为5—400mV ，延迟变化仅为3ns （典型值）。

本系统对信号分频进行频率测试，可以得出相当高精度的测量结果，而且，便于不同频率信号之间的对比，确定干扰源的状况。

2.3.8 模数转换电路

图2-41 模数转换电路

模数转化电路是采集系统中的关键电路，其转换精度的高低直接影响到采集到信号的精度，其转换的速度影响采集信号的实时性，所以对模拟转换芯片的精度和速度都有很好的要求。本系统模数转换芯片选用AD9220。AD9220是一款单电源12位模拟数字转换器，采样速率高达10.0 MSPS ，单5v 电源供电时功耗仅为250mw ，积分非线性误差0.5 LSB，差分非线性误差0.3 LSB， 输入参考噪声0.09 LSB，具有完善的采样保持放大器和电压基准，信号与噪声及失真之比70分贝，无杂散动态范围86分贝。内置片内高性能、低噪声采样保持放大器和可编程基准电压源，也可以选用外部基准电压[16]。

图2-41为模数转换电路图，图中9220的时钟信号由微处理器提供，输入信号VINA 和VINB 来自于图37，这里使用的是差分输入模式，这种输入方式使A/D没有额外的噪音和失真，信号波动非常小，同时可以把偶次谐波降到最小，也能起到抗设备的共模干扰的作用。经A/D转换后的数字信号从BIT12-BIT1脚输出。

2.3.9 控制信号的转换电路

图2-42 控制信号转换电路

本系统中应用了三个模拟开关，一个多路转换器，其控制信号均是由微处理器发出然后经过图2-42中的主控芯片BU4094连接的。BU4094是带输出锁存和三态控制的串入/并出高速移位存储总线寄存器，具有使用简单、功耗低、驱动能力强和控制灵活等优点。在这里，两块芯片级联使用，且其数据串行输入，并行输出，从而实现多组控制信号的同时发出。当然，控制信号还要经过下面介绍的反相整形电路形成控制信号的互补。

2.3.10 整形隔离电路

图2-43 ALS04B 波形整形电路

图2-44 AHC14 B

波形整形电路

图2-45 AHC14 B波形整形电路

本系统的一组B 波形整形电路由3块ALS04B 芯片构成。如图2-43所示，在整个系统中，这组电路是加在隔离光耦HCPL2430的前级的，所起作用主要为：（1）对光耦进行驱动；（2）对数字信号进行波形校正。（3）隔离，防止干扰信号误驱动光耦。另一组反相电路由三块AHC14芯片构成，如图2-44所示。这组电路加在光耦HCPL2430的后极，主要作用是驱动微处理器，另一方面是对光耦输出数字信号进行波形整形。第三组反相电路也是有AHC14构成，如图2-45，它加在光耦TLP621的后级，主要起到驱动和波形整形的作用。

这样处理的目的同样是考虑到检测信号的精度及整个系统的抗干扰问题。

2.3.11 光耦隔离电路

图2-46 HCPL 光耦隔离电路

图2-47 TLP621光耦电路

此系统的光耦电路由两部分组分，分别是HCPL2430光耦隔离电路和TLP621光耦隔离电路，如图2-46和图2-47所示。采用光电耦合的主要目的是为了隔离强电电路和弱电电路，防止强电电路干扰到弱电电路芯片，甚至破坏弱电电路，同时也可以有效地分开数字电路和模拟电路，防止相互间干扰，保持采集通道信号的完整性。采集

信号通路的光耦采用HCPL2430光耦，HCPL2430是一款高速，强共模抑制能力的光耦器件。因为采集电路部分对于速度的要求，所以这里选择此类光耦。控制信号通路的光耦因为对速度要求不高，所以，结合性价比因素，系统选择TPL621光耦。

2.3.12 微处理器接口

图2-48 微处理器接口

这部分是在本系统中为了方便电路分析补充的接口，是采集信号和控制信号与微处理器的连接端。

3．系统抗干扰分析

本系统用于测量的是电网参数中的电压和频率，而电网中又有许多的干扰信号存在，这些干扰对系统的稳定运行和精密测量均会带来严重的威胁，同时，系统本身也会产生一定的电磁干扰和谐波污染，这对电网及系统内部电子设备的正常工作都是不利的，所以，做好系统的EMI 和EMC 处理是非常重要的[13]。

对于任何一款仪器来说，元器件合适的选型也是抗干扰分析的一个部分。在本系统中，典型的干扰源主要是继电器和数字IC ，而敏感元件主要为信号放大芯片和A/D。所以，做好这几个元件的合理布局及对于其外围电路的处理，对于解决电路的稳定性工作极其重要。在系统中，继电器选择欧姆龙的G6HK-2, 布于信号的入口端，其主要特点之一就是磁场干扰能力弱，这样的选择也是综合考虑了系统的功耗，稳定性和体积诸多因素。继电器线圈增加了续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。在布局上，继电器和A/D及信号放大芯片之间的距离也远，这样对于减小系统内部器件之间的干扰有重要的作用。数字IC 与A/D及信号放大电路之间通过光耦隔离，这样就基本消除了它们之间相互的干扰。

在布线方面，由于是六层板，板子内部设有专用电源层、地线层。 电源层可以作为噪声回路，降低干扰; 同时电源层还为系统所有信号提供回路，消除公共阻抗耦合干扰。 减小了供电线路的阻抗，从而减小了公共阻抗干扰。地线层对所有信号线而言都有专门接地线，使得信号线阻抗稳定、易匹配，减少了反射引起的波形畸变; 同时，采用专门的地线层加大了信号线和地线之间的分布电容，减小了串扰[15]。电源的布局在板子的末端，这样做的好处是使得电源线走向和信号线的走向相反，从而减少耦合干扰。而且，对于每一元件的供电接口都加了一定容量的耦合电容，这在一定程度了也减少了电源对于芯片处理信号的干扰。另外，系统对于地统一采用覆铜处理，从而减少了地线阻抗，提高了抗干扰能力。地线的布局的另一特点是环绕在板子的边缘两侧，这样得到的屏蔽效果，比一长条地线要好，传输线特性和屏蔽作用将得到改善，同时起到了减小分布电容的作用。

在模拟信号和数字信号的隔离方面，系统采用的是光耦装置。在板子的布局上，光耦HCPL2430和TPL621以环路的形式布在了模拟信号和数字信号的中间。一般来说，数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线要尽可能远离敏感的模拟电路器件。这样的布局，减少了模数之间的相互影响，从而也降低了整个系统的干扰。

板子PCB 布局如图3-1所示。

图3-1 系统PCB 图

4．总 结

本设计的主要任务是对日本横河公司生产的一款三相电参数测试仪的电压测量电路进行剖析并画出其原理图，分析其在高精度表的研究方面对硬件电路的布置和基本元器件的选型。并对板子的整体布局进行分析，说明其对EMC 的处理及信号的隔离技术。经过为期两个月的抄板和分析，结合着大量的资料，现在，我将板子的主要性能总结如下：

（1）系统的主要原器件为运算放大器，模拟开关，A/D,继电器，寄存器，光电耦合器，反相器，在元器件选型方面，系统注重于选择抗干扰能力强，体积小，灵敏度高，反应速度快，功耗低，精度高，自身电磁干扰力度弱的芯片。这样的选型不仅保证了系统在精度方面的需求，同时，使系统的工作更加稳定。

（2）关于PCB 布局，系统综合考虑了模数之间的干扰，地信号及电源信号的干扰，外部信号的干扰以及系统本身所产生的干扰。对于每一元件的供电接口都加了一定容量的耦合电容，这在一定程度了也减少了电源对于芯片处理信号的干扰。系统对于地统一采用覆铜处理，从而减少了地线阻抗，提高了抗干扰能力。地线的布局同时采用环绕板子的边缘的方法，这样得到的屏蔽效果好，传输线特性和屏蔽作用将得到改善，同时起到了减小分布电容的作用。对于模数信号之间，采用高精密光耦隔离。并且，对于干扰源继电器和敏感元件运算放大器及A/D跨距离布置。这样的布局将系统本身的干扰降到了最低，同时，也减少了系统对外围电路的干扰。

（3）关于系统在测量精度方面的处理，采用的的对信号分频的方法，这样通过对高、中、低频信号分别分析，然后由单片机内部对照统一处理，可以更加精确地了解电网参数的变化，另一方面，也有利于对于信号的滤波处理。

在此次毕业设计过程中，我也进一步感受了自己专业知识方面的匮乏，知识面也相当窄。希望在以后的工作过程中能够不断的提升。但是，这次的设计，让我学会了许多专业方面的知识，同时，在一次次的迷茫和又一次次的喜悦中，也明白了一些做人做事的道理，可谓酸甜苦辣，自己尽知。也应了那句话，毕业设计要的不仅仅是结果，更重要的是过程。在这个过程中，得到的才是最珍贵的。

由于时间所限，本设计还未能做到尽善尽美，同时，板子不能上电分析，也是我的一大遗憾，对于板子的的整体布局，以及这块板子上凝集的工程人员的心血和汗水。我到底了解了多少，还想谜一样的笼罩着我，希望以后有机会再回头对板子进行更深

一层的研究。

谢 辞

在此谨向我的导师~~老师致以诚挚的感谢，在抄板的开始阶段，他以个人的经历教我抄板的入门方法，并且在后期的原理分析过程中，提出过宝贵的意见。他的耐心和沉着深深地感染了我，曾经有好几次我都感觉特别的迷茫，不知道该从哪里做起，但是，在他的激励下，我都跨过了小障碍，最终完成了课题作业。同时，我也感谢我所在实习单位的~~学长，~~老师，~~师以及~~。尤其是~~师，我在后期的原理分析中，他的思路起到了指导性的作用。~~也在我做电路原理分析过程中给出过很大的帮助，让我思路清晰了很多；张老师给出的材料，对我写作论文很有帮助；雷老师，这里就得特别感谢，是他最先让我接触了这块板，为我提供了这样一个作业的平台。总之，望着完成的作业，对各位老师的感激之情就会油然而生。

当然，我在这里也感谢我身边的同学，他们的言语支持让我充满了信心；感谢我的室友，能和我一起营造良好的休息环境；感谢我的亲人，默默的在我背后支持我。真的很感谢他们。

通过这次毕业设计，使我活跃了思维，提高了动手能力，为以后工作打下了坚实的基础，也锻炼了我的耐心，更加理解了团队合作的重要性。

参考文献

[1] 贾宏伟，樊利民，贺翔. 三相电信号采集电路设计[J].电子产品世界，2011. [2] 郭洪刚. 低压电网多参数数显仪的开发研究[J]，河北工业大学.2010. [3] 许国. 实用视音频信号自动切换器[J]，有线电视技术，2003年第01期. [4] 陈来杰. 三相电网参数测量系统及其DSP 实现[D]，西安电子科技大学，2007. [5] 陈晓龙. 智能远传三相电表的研制[D],南昌大学，2008.

[6] 李巧缀, 许晓龙. 电能表应用技术分析[J],中小企业管理与科技,2008年第04期. [7] 马场清太郎著，何希译. 运算放大器应用电路设计[M].北京：科学出版社，2007. [8] TI德州中文网. http:www.tichinese.com

[9] 陈时淦. 车载电源智能管理系统研究[D].南京航空航天大学，2009. [10] 吕成丽. 基于遥控与手写屏的电子席位卡设计与实现[D].江苏大学,2011. [11] 何希才. 常用集成电路应用实例[M].北京：电子工业出版社,2007.6 [12] 51电子网. http://www.51dzw.net.

[13] 黄福彦. 基于MSP430系列单片机的智能流量积算仪的研制[D].桂林理工大学，2010. [14] 刘静等. 某雷达A/D转换器AD9220及其应用[J].火控雷达技术，2003.

[15] 李翠花 等. 基于电磁兼容技术的多层PCB 布线设计[J]，合肥学院学报（自然科学版）,2007. [16] 胡之荣. 云南电网的谐波问题[J].云南电力技术，2001(l):34-35. [17] 林海雪. 现代电能质量的基本问题[J].电网技术，2001,25(3):8-9.

[18] V ANNOY D B , MC GRANAGHAN M F, HALPIN S M , et al.Roadmap for power一quality standards development [J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2007,43(2):412一421. [19] Liu Jun, Zhao Xueliang, Feng Jianhua, Wang Lei. Development of an Instrument in Fransoformer winding Distortion Measurement Based on artificial neural network and S3C24IO.

International Conference on Advanced Computer . [20] Cui Lina, Huang Yanqiu, Jiao Deqiang, Yu Weibo. Detection of Power Quality Analyzer, 2010 International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering (CMCE) [21] David Chang,Ming-Jieh Cheng, Shun-Yu Chan,Jen-Hao Teng. Development of a Novel Power Quality Monitoring and Report-Back System, Department of Electrical Engineering,

I-Shou University,Kaohsiung, Taiwan

附件一 实物图

台州学院毕业设计（论文）

附件

附图1 系统PCB 正面

附图2 系统PCB 反面

附件二 原理图

附图3 系统原理图