[发明专利]一种电参数高速高精度大动态范围测量系统及方法

说明书

本发明提供一种电参数高速高精度大动态范围测量系统及方法，包括模拟和数字两大部分。模拟部分包括三个通道，电压传感器信号调理通道、电流传感器调理通道以及功率测量通道。其中电压传感器调理通道和电流传感器调理通道结构基本相同分为前置调理电路、低通滤波器、程控放大器、采样保持器、抗混叠滤波器和高速AD转换器。该方法可以实现电压、电流和功率信号的高速、高精度和稳定测量，系统可靠，连线较少。

技术领域

本发明涉及电参数测量领域，尤其涉及在直流电压供电系统中需要对电压、电流和功率等电参数进行高速高精度大动态范围测量系统及方法。

背景技术

在大功率电池、超级电容等大容量电能存储系统及其应用和测试场所中，需要对其电压、电流和功率等电参数进行快速、高精度测量。但这些系统运行工况十分复杂，时刻面临着剧烈的充放电行为，并且瞬时功率巨大；电机负载会给电流带来复杂的谐波；开关、继电器等给电流和电压带来给在瞬态扰动；各种能量回收系统会使功率流动的方向时刻可能发生变化；负载的突然性和大功率特性，使得输出功率面临着短时间内大动态范围的变化等等，这些特性要求在微秒级内对其电参数在大动态范围进行高精度测量。

为了提高测量精度，现有的方法有两三种，一种是采用AD转换器进行多次测量，然后进行滤波处理，这种方法可以在一定条件下获得较高的精度，只适合测量时间要求不高的场合

第二种方法是采用精度很高的高速AD转换器，转换后进行滤波处理，但高速高精度AD转换器成本较高，对电路环境要求较高，对AD转换器的前置处理电路要求较高，并且在信号输入较小时存在很大的噪声干扰。

第三种方法是采用量程转换，即对不同幅值的信号采用不同的量程，把信号幅值放大到适合AD转换的最佳要求，测量系统先预测量出输入信号的大小，后根据预测量值选择合适的量程，转换结果和量程相乘即得到实际值。现有的量程转换一般采用CPU进行控制，多通道测量时，测量的时间较长。

现有的功率测量方法一般采用模拟乘法器法和数字乘法器法。模拟乘法器法是采用模拟乘法器把模拟电压信号和电流信号进行相乘，然后进行AD转换，这种方法可以获得很高的精度，但高速模拟乘法器成本较高，应用电路较为复杂。数字乘法器法是把采用到的电压、电流数字值在CPU中直接进行相乘，这种方法速度快，但电压、电流信号数字量化误差进行相乘后会带来较大的误差。

发明内容

本发明就是为了解决上述技术问题而完成的。鉴于以上现有技术的不足，本发明采用片上系统（SOPC），利用FPGA完成量程的自动识别和控制，完成测量结果的数字滤波，并把测量结果暂存于FIFO中，CPU通过并行总线完成FIFO数据的读取和最后的数据处理，本发明充分发挥FPGA的高速并行处理能力以及CPU的大容量数据处理能力，完成电参数的高速高精度在大动态范围内的测量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，其特征在于，数据采集单元和数据处理单元，其中，

数据采集单元包括

电压传感器信号调理通道：用于变换电压传感器输出信号使其达到AD转换芯片需求；

电流传感器调理通道：用于变换电流传感器输出信号使其达到AD转换芯片需求；

功率测量通道：用于对调理后的电压和电流信号进行运算变换得到瞬时功率。

数据处理单元包括

FPGA接口控制模块：同时与电压传感器信号调理通道、电流传感器调理通道以及功率测量通道连接，用于数据采集单元AD、DA转换器的控制和读写；

量程识别与控制模块：与FPGA接口控制模块连接，用于判断输入信号大小并选择合适的量程；

FIFO及读写控制模块：与量程识别与控制模块连接，用于暂存经过初步处理的测量数据；