專利名稱：電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)及分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)及分析方法，可以應(yīng)用到檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集分析、變頻技術(shù)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
目前，測(cè)量電壓的裝置最常見(jiàn)的是萬(wàn)用表，萬(wàn)用表可以測(cè)量電壓、電流和電阻等信號(hào)，但缺乏對(duì)頻率信號(hào)的測(cè)量功能；測(cè)量頻率的裝置最常見(jiàn)的是頻率計(jì)，它精度高但缺乏對(duì)各種電壓信號(hào)的測(cè)量，特別是強(qiáng)電信號(hào)的測(cè)量。示波器兼有萬(wàn)用表和頻率計(jì)的功能，可以對(duì)電壓和頻率同時(shí)測(cè)量，并能把每個(gè)時(shí)刻的波形繪制出來(lái)，但其缺乏對(duì)連續(xù)時(shí)間段電壓、頻率序列的測(cè)量，無(wú)法將所測(cè)的電壓、頻率序列繪制成為以時(shí)間為橫軸的電壓-時(shí)間、頻率-時(shí)間曲線以及電壓-頻率曲線，用于專業(yè)人員分析使用，而且單個(gè)示波器往往成本太高且操作繁瑣，體積大不易便攜。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的兩個(gè)目的在于克服示波器的上述缺陷，提供了一種電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)及分析方法。本系統(tǒng)可以對(duì)各種波形的電壓、頻率進(jìn)行測(cè)量，并能繪制出電壓-時(shí)間、頻率-時(shí)間和電壓-頻率曲線，進(jìn)行曲線特征值計(jì)算，為電壓頻率曲線應(yīng)用于實(shí)際工程，特別是對(duì)變頻技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，提供輔助分析提供有效幫助，更好的滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本系統(tǒng)主要包括有信號(hào)處理電路1、頻率測(cè)量電路2、A/D轉(zhuǎn)換電路3、CPU控制電路4、鍵盤顯示電路5、和電源電路8；其中 信號(hào)處理電路1包括有弱電接入電路1.1、強(qiáng)電接入電路1.2、降壓電路1.3、穩(wěn)壓跟隨電路1.4、TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路1.5、峰值保持電路1.6； 弱電接入電路1.1的輸入端為一個(gè)用于與0～5V待測(cè)信號(hào)INlow相連接的模擬信號(hào)接口，弱電接入電路1.1的輸出端與穩(wěn)壓跟隨電路1.4相連接； 強(qiáng)電接入電路1.2的輸入端為一個(gè)用于與5～300V待測(cè)信號(hào)INhigh相連接的模擬信號(hào)接口，強(qiáng)電接入電路1.2的輸出接在降壓電路1.3相連接；降壓電路1.3將強(qiáng)電接入電路送來(lái)的5～300V待測(cè)信號(hào)INhigh根據(jù)降壓倍率線性等比降為0～5V弱電待測(cè)信號(hào)后輸出給穩(wěn)壓跟隨電路1.4； 穩(wěn)壓跟隨電路1.4的輸出信號(hào)INstd端分別與TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路1.5和峰值保持電路1.6相連接；TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路1.5將電壓跟隨電路1.4的輸出信號(hào)變?yōu)榻涣鞣讲ǎ偻ㄟ^(guò)滯回比較電路除去抖動(dòng)，通過(guò)穩(wěn)壓管后得到了標(biāo)準(zhǔn)的TTL頻率待測(cè)信號(hào)INTTL，輸出給頻率測(cè)量電路2；峰值保持電路1.6將電壓跟隨電路1.6的輸出信號(hào)電壓出現(xiàn)過(guò)的最大值以直流恒壓的信號(hào)INpeak輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路3； 頻率測(cè)量電路2的輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路4相連接，頻率測(cè)量電路2測(cè)量出TTL標(biāo)準(zhǔn)波形的頻率值，并將測(cè)得的頻率值以數(shù)字量的形式輸出到CPU控制電路4，并送至鍵盤顯示電路5顯示； A/D轉(zhuǎn)換電路3的輸入與信號(hào)處理電路1電壓峰值電路1.6的輸出端相連接，輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路4連接；A/D轉(zhuǎn)換電路3將電壓峰值電路1.6輸出的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出到CPU控制電路4，并送至鍵盤顯示電路5顯示； CPU控制電路4與頻率測(cè)量電路2的輸出端相連接，接收頻率測(cè)量電路測(cè)得的頻率值；CPU控制電路4與A/D轉(zhuǎn)換電路3相連接，接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的電壓值；如果是強(qiáng)電信號(hào)，CPU控制電路4根據(jù)降壓電路1.3的降壓后的電壓值和降壓倍率，計(jì)算出實(shí)際的電壓值，并存儲(chǔ)CPU控制電路4的RAM中，并送至鍵盤顯示電路5中的顯示部分顯示； 鍵盤顯示電路5通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路4相連接，鍵盤顯示電路5中的顯示部分用于顯示頻率測(cè)量電路2和A/D轉(zhuǎn)換電路3實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的結(jié)果；鍵盤顯示電路5中的鍵盤通過(guò)鍵盤顯示控制芯片與CPU控制電路4相連接； 電源電路8為以上各電路提供電源。
還設(shè)置有用于與上位機(jī)通訊的通訊電路6，通訊電路6與CPU控制電路4相連接。通訊電路6與計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，其發(fā)送端、接受端、數(shù)據(jù)端、地址端和控制端分別接到線可編程CPU控制電路4的發(fā)送端、接受端、數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線上，通訊電路的。
還設(shè)置有自檢校正電路7，自檢校正電路7的數(shù)據(jù)端、地址端和控制端分別接到CPU控制電路4的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線上，自檢校正電路7輸出端與信號(hào)處理電路3弱電接入電路1.1接口相連接。CPU控制電路4生成電壓、頻率信號(hào)輸入給自檢校正電路并通過(guò)自檢校正電路7產(chǎn)生自檢波形，自檢波形輸入給弱電接入電路1.1，CPU控制器將弱電接入電路1.1采集到的電壓、頻率測(cè)量值與其產(chǎn)生的自檢電壓、頻率進(jìn)行比較來(lái)判斷系統(tǒng)是否正常。
所述的頻率測(cè)量電路2包括兩個(gè)繼電器、4個(gè)74F161記數(shù)器構(gòu)成的串聯(lián)的計(jì)數(shù)器組、1個(gè)74F161記數(shù)器作為邏輯控制器和2支74LS245總線收發(fā)器，四個(gè)計(jì)數(shù)器每個(gè)記數(shù)器有4位輸出，每?jī)蓚€(gè)記數(shù)器的8位輸出接在總線收發(fā)器74LS245的輸入上，總線收發(fā)器74LS245的輸出通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路4相連接； 第一個(gè)繼電器的常開(kāi)、常閉端分別接高頻的頻率待側(cè)信號(hào)INTTL和已知標(biāo)準(zhǔn)晶振的輸出管腳INcry，公共的輸出端接在計(jì)數(shù)器芯片組中第一個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端；第二個(gè)繼電器的常開(kāi)、常閉端分別接產(chǎn)生定時(shí)脈沖的CPU管腳INtimer和低頻的頻率待側(cè)信號(hào)INTTL相連接，公共的輸出接到四個(gè)計(jì)數(shù)芯片的使能端，第一個(gè)繼電器和第二個(gè)繼電器的常開(kāi)、常閉切換控制端與CPU控制電路4控制總線相連接來(lái)控制兩個(gè)繼電器常開(kāi)、常閉的切換； 作為邏輯控制器的74F161計(jì)數(shù)器的CLK端始終接低頻信號(hào)INTTL，其CLR端與其第2位計(jì)數(shù)輸出P1通過(guò)一個(gè)反門相連，實(shí)現(xiàn)只允許一個(gè)周期波形通過(guò)的自鎖電路，復(fù)位信號(hào)CLR通過(guò)控制總線與CPU的為控制端相連； 作為邏輯控制器的74F161計(jì)數(shù)器的CLK始終接低頻信號(hào)INTTL，其CLR端與其第2位計(jì)數(shù)輸出P1通過(guò)一個(gè)反門相連，實(shí)現(xiàn)只允許一個(gè)周期波形通過(guò)的自鎖電路，復(fù)位信號(hào)CLR通過(guò)控制總線與CPU的為控制端相連。
四個(gè)計(jì)數(shù)器每個(gè)記數(shù)器有4位輸出，每?jī)蓚€(gè)記數(shù)器的8位輸出接在總線收發(fā)器的輸入上，總線收發(fā)器的輸出通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU相連； 2.裝置工作流程 裝置工作時(shí)的信號(hào)流圖見(jiàn)附圖15，0～5V的弱電信號(hào)INlow通過(guò)信號(hào)處理電路1的弱電接入電路1.1，或5～380V的強(qiáng)電信號(hào)INhigh通過(guò)信號(hào)處理電路1的強(qiáng)電接入電路1.2與降壓電路1.3降壓之后，經(jīng)過(guò)電壓跟隨電路1.4阻抗匹配后，得到標(biāo)準(zhǔn)待測(cè)信號(hào)INstd，INstd經(jīng)過(guò)峰值保持電路1.6得到峰值電壓INpeak，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路得到待測(cè)信號(hào)頻率測(cè)量值OUTU，對(duì)于輸入為弱點(diǎn)信號(hào)的情況，OUTU即為待測(cè)信號(hào)電壓真實(shí)值U(t)，對(duì)于輸入為強(qiáng)點(diǎn)信號(hào)的情況，OUTU需乘以降壓倍率得到待測(cè)信號(hào)電壓真實(shí)值U(t)；INstd經(jīng)過(guò)TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路1.5得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL形式的頻率待測(cè)信號(hào)INTTL，高頻待測(cè)信號(hào)INTTL和CPU控制電路4發(fā)出的已知時(shí)長(zhǎng)的高電平脈沖INtimer通過(guò)頻率測(cè)量電路，得到輸出OUTF；而低頻待測(cè)信號(hào)INTTL和已知頻率晶振的輸出波形INcry通過(guò)頻率測(cè)量電路，得到待測(cè)信號(hào)頻率測(cè)量值OUTF，頻率測(cè)量值和電壓測(cè)量值輸入給CPU控制電路，并同時(shí)送至鍵盤顯示電路5顯示。
利用上述的電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)，采集時(shí)間序列電壓、頻率及其分析方法，其特征在于，主要包括以下步驟數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三線分析和壓頻特征值計(jì)算分析 1)數(shù)據(jù)采集通過(guò)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)采集時(shí)間序列電壓、時(shí)間序列頻率，具體采集方法如下 第1步通過(guò)鍵盤顯示電路(5)中的鍵盤設(shè)置采集時(shí)間間隔Tsample和對(duì)電壓、頻率的連續(xù)采集次數(shù)tsample，置當(dāng)前采集次數(shù)tonce＝1，將上述參數(shù)存入CPU控制電路(4)的RAM中，CPU控制電路(4)執(zhí)行連續(xù)采集子程序； 第2步CPU控制電路(4)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路(3)得到當(dāng)前接入信號(hào)電壓的采集值OUTV，乘以降壓倍率得出當(dāng)前電壓的真實(shí)值U(tonce)存放在其RAM中； 第3步CPU控制電路(4)通過(guò)頻率測(cè)量電路(2)得到當(dāng)前接入信號(hào)頻率的采集值OUTF，計(jì)算得出當(dāng)前電壓的真實(shí)值F(tonce)存放在其RAM中； 第4步當(dāng)前采集次數(shù)tonce自增1，如果tonce≤tsample則重復(fù)執(zhí)行步驟2，3，4； 第5步采集完成； 于是產(chǎn)生了隨時(shí)間序列電壓值(U(t)，t)和時(shí)間序列頻率值(F(t)，t)，其中t是采樣時(shí)間，t＝1，2，…，tsample，tsample是正整數(shù)，表示采樣時(shí)間的終值，U(t)、F(t)分別表示t時(shí)刻的電壓值和頻率值； 2)數(shù)據(jù)預(yù)處理 第1步從CPU控制電路4的RAM中讀出連續(xù)采集次數(shù)tsample，置當(dāng)前計(jì)算次數(shù)tprc＝n+1，計(jì)算比對(duì)結(jié)束次數(shù)tprcend＝tsample-n，其中n是與U(tsample)和F(tsample)對(duì)比的電壓值的個(gè)數(shù)，n的取值范圍一般為3≤n≤10； 對(duì)上步中采集到的(U(t)，t)、(F(t)，t)進(jìn)行修正處理，即把明顯偏離相鄰數(shù)據(jù)的值刪除，修正原則是如果t時(shí)刻的電壓值U(t)與之前或之后的n個(gè)時(shí)刻電壓值平均值的差值的絕對(duì)值，大于t時(shí)刻之前或之后n個(gè)時(shí)刻電壓值之間差值絕對(duì)值的平均值，需要修正，即 或 式(1)中，t-i表示時(shí)刻t之前i個(gè)時(shí)刻，則U(t-i)表示采樣時(shí)刻t-i時(shí)的電壓值，U(t)是t時(shí)刻的電壓值，U(t-i-1)表示t-i-1時(shí)刻的電壓值；α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％； 式(2)中，U(t)是t時(shí)刻的電壓值，則U(t+i)表示采樣時(shí)刻t+i時(shí)的電壓值，U(t+i+1)表示t+i+1時(shí)刻的電壓值，α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％； 如果t時(shí)刻的電壓值U(t)滿足(1)式或(2)式，則修正為 其中，U(t-1)為t-1時(shí)刻的電壓值，U(t+1)為t+1時(shí)刻的電壓值； 頻率值F(t)的修正原則與U(t)的修正原則相同如果t時(shí)刻的頻率值F(t)與之前或之后的n個(gè)時(shí)刻電壓值平均值的差值的絕對(duì)值，大于t時(shí)刻之前或之后n個(gè)時(shí)刻電壓值之間差值絕對(duì)值的平均值，需要修正，即 或 式(3)中，t-i表示時(shí)刻t之前i個(gè)時(shí)刻，則F(t-i)表示采樣時(shí)刻t-i時(shí)的電壓值，F(xiàn)(t)是t時(shí)刻的電壓值，F(xiàn)(t-i-1)表示t-i-1時(shí)刻的電壓值；α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％； 式(2)中，F(xiàn)(t)是t時(shí)刻的電壓值，則F(t+i)表示采樣時(shí)刻t+i時(shí)的電壓值，F(xiàn)(t+i+1)表示t+i+1時(shí)刻的電壓值，α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％； 如果t時(shí)刻的電壓值F(t)滿足(3)式或(4)式，則修正為 其中，F(xiàn)(t-1)為t-1時(shí)刻的電壓值，F(xiàn)(t+1)為t+1時(shí)刻的電壓值； 第2步前計(jì)算次數(shù)tprc自增1，如果tprc≤tprcend則重復(fù)執(zhí)行步驟1； 第3步數(shù)據(jù)預(yù)處理完成； 3)三線分析法及特征值計(jì)算 第1步，壓頻曲線擬合 1)應(yīng)用最小二乘法將U-F曲線中的點(diǎn)擬合為一直線，并計(jì)算擬合參數(shù)a、b和壓頻特征值壓頻曲線線性度αout、壓頻比Kout和壓頻基點(diǎn)V50Hz； 為了表示方便，將U(t)記為ut，將F(t)記為ft，將tsample記為n，具體步驟如下 設(shè)電壓-頻率直線函數(shù)為f＝au+b，其中a、b是待定常數(shù)； 記εt＝ft-(aut+b)，它反映了用直線f＝au+b來(lái)描述u＝ut，f＝ft時(shí)，計(jì)算值f與實(shí)際值ft產(chǎn)生的偏差；用

來(lái)度量總偏差； 確定f＝au+b中的常數(shù)a和b，使為最??； 由極值原理得即 解此聯(lián)立方程得 第2步，電壓、頻率特征值計(jì)算 壓頻比Kout＝a壓頻比用來(lái)表示電壓和頻率值的線性關(guān)系； 壓頻曲線線性度壓頻曲線線性度用來(lái)衡量壓頻曲線上的點(diǎn)偏離擬合出來(lái)直線的程度； 壓頻基點(diǎn)V50Hz＝50a+b壓頻基點(diǎn)用來(lái)衡量工作頻率50Hz時(shí)的工作電壓； 第3步，繪制三條曲線 繪制電壓時(shí)間即U-t曲線將修正后的時(shí)間序列(U(t)，t)每個(gè)時(shí)刻t與對(duì)應(yīng)的電壓值U(t)繪制到U-t坐標(biāo)系中，得到的電壓時(shí)間U-t曲線； 繪制頻率時(shí)間F-t曲線將修正后的時(shí)間序列(F(t)，t)每個(gè)時(shí)刻t與對(duì)應(yīng)的頻率值F(t)繪制到F-t坐標(biāo)系中，得到的頻率時(shí)間F-t曲線； 繪制電壓頻率U-F曲線將修正后的時(shí)間序列變量(U(t)，t)和(F(t)，t)，構(gòu)成三元組(U(t)，F(xiàn)(t)，t)，把每個(gè)時(shí)刻t對(duì)應(yīng)的U(t)、F(t)兩個(gè)值作為一個(gè)點(diǎn)的(U，F(xiàn))坐標(biāo)，繪制到U-F坐標(biāo)系中，得到U-F曲線； 第4步，性能指標(biāo)分析 根據(jù)項(xiàng)上述繪制的三條曲線，和三個(gè)特征值，工程師得出所測(cè)量的電壓頻率值是否滿足工程實(shí)際項(xiàng)目指標(biāo)的要求，以及滿足程度。
本發(fā)明的有益效果 1)本發(fā)明的設(shè)備具有體積小便于攜帶，成本低，具有對(duì)電壓、頻率信號(hào)測(cè)量精度高，測(cè)量范圍寬；特別是本發(fā)明構(gòu)成的系統(tǒng)具有時(shí)間序列連續(xù)采集，數(shù)據(jù)處理，可視化分析功能的特點(diǎn)； 2)本發(fā)明提出的時(shí)間序列電壓頻率分析方法，通過(guò)對(duì)本發(fā)明中提出的通過(guò)特征值計(jì)算和繪制的三種曲線和對(duì)電壓頻率散點(diǎn)圖的曲線擬合分析方法，可以為工程師分析待測(cè)設(shè)備的性能指標(biāo)給出快速、便捷、直觀的參考，本發(fā)明直接給出了一些評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)自于有經(jīng)驗(yàn)的工程師實(shí)際工程實(shí)踐，但尚未由學(xué)術(shù)界官方的形式提出。
3)本發(fā)明特別是對(duì)近年來(lái)發(fā)展迅速的變頻技術(shù)應(yīng)用給與了很大幫助，對(duì)于變頻控制器輸出的PWM波形，該設(shè)備不僅能夠測(cè)量，還可以分析，彌補(bǔ)了變頻器輸出PWM波形測(cè)量技術(shù)上的空白。



附圖1電壓頻率測(cè)試分析儀電路模塊連接圖 附圖1.1信號(hào)處理電路模塊連接圖 附圖2CPU控制電路圖 附圖3LEM模塊電路圖 附圖4模擬信號(hào)處理通道電路 附圖5電壓峰值采樣保持電路 附圖6A/D轉(zhuǎn)換電路圖 附圖7低頻周期捕捉時(shí)序圖 附圖8高頻頻率測(cè)量時(shí)序圖 附圖9低頻周期捕捉電路 附圖10頻率計(jì)模塊 附圖11高頻/低頻測(cè)量復(fù)用電路圖 附圖12CH451與CPU、LED顯示連接電路圖 附圖13芯片與USB總線的連接圖 附圖14AD7008與微機(jī)接口電路圖 附圖15復(fù)用式電壓頻率測(cè)量分析方法信號(hào)流圖 附圖16采集程序軟件流程圖
具體實(shí)施例方式 本實(shí)施例首先對(duì)電壓頻率測(cè)量分析裝置硬件電路、連接關(guān)系及具體工作原理以及待測(cè)信號(hào)在裝置中傳遞、轉(zhuǎn)換和處理的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述(參見(jiàn)附圖1-14)，接下來(lái)對(duì)主程序進(jìn)行描述，最后為時(shí)間序列電壓頻率分析方法對(duì)上述采集的數(shù)據(jù)特征曲線的繪制和特征值的計(jì)算分析的詳細(xì)步驟(參見(jiàn)附圖14-15)。
1.硬件電路連接關(guān)系、工作原理和信號(hào)處理 本實(shí)施例的硬件電路如圖1～14所示，主要包括有信號(hào)處理電路1、頻率測(cè)量電路2、A/D轉(zhuǎn)換電路3、CPU控制電路4、鍵盤顯示電路5、通訊電路6、自檢校正電路7、電源電路8八個(gè)核心部分組成，見(jiàn)附圖1。
信號(hào)處理電路1，見(jiàn)附圖1.1，作用是將輸入信號(hào)接入，處理成為頻率測(cè)量電路2和A/D轉(zhuǎn)換電路3可以處理的信號(hào)形式。信號(hào)處理電路1有一個(gè)復(fù)用的模擬信號(hào)輸入接口，既可以作為弱電接入電路1.1的輸入(接入0～5V待測(cè)信號(hào))，又可以作為強(qiáng)電接入電路1.2的輸入(接入5～300V待測(cè)信號(hào))。信號(hào)處理電路1有兩個(gè)輸出接口，一個(gè)是TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路1.5輸出給頻率測(cè)量電路2，一個(gè)是電壓峰值電路1.6輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路3。
弱電接入電路1.1有一個(gè)模擬信號(hào)接口，與0～5V待測(cè)信號(hào)INlow相連接，輸出接在穩(wěn)壓跟隨電路1.4的輸入上，即后級(jí)電壓跟隨器運(yùn)算放大器的輸入管腳。
強(qiáng)電接入電路1.2有一個(gè)模擬信號(hào)接口，與5～300V待測(cè)信號(hào)INhigh相連接，輸出接在降壓電路1.3的輸入上，即將壓芯片的輸入高壓管腳(+HT)； 降壓電路1.3將強(qiáng)電接入電路送來(lái)的5～300V待測(cè)信號(hào)INhigh，保持其輸入信號(hào)的波形形狀不變，通過(guò)等比例放大或縮小其幅值的電路，得到的信號(hào)，其范圍在0~5V。由于INhigh電壓幅值最高達(dá)±300V左右，因此我們需將所測(cè)試的線電壓降成幅值在10V以內(nèi)的弱電信號(hào)，需要注意的是我們所需測(cè)量的是波形，這就要求在變壓的過(guò)程中，波形不能失真。而我們通常所用的變壓器是對(duì)于50Hz周波所設(shè)計(jì)，不適用于我們的測(cè)試。因此，我們選用了瑞士LEM公司的最新技術(shù)——磁補(bǔ)償原——LEM電流電壓傳感器模塊。
LEM模塊的電路連接，見(jiàn)附圖3。
其中+HT、-HT為強(qiáng)電輸入端，+、-為電源，M為輸出端 需測(cè)量PWM脈寬調(diào)制波電壓最大峰值通常情況下在±300V 可用電源±15V(±5％) 降壓比可使當(dāng)幅值為300V的PWM脈寬調(diào)制波降壓為幅值為6.25V的PWM脈寬調(diào)制波，也就是說(shuō)，當(dāng)采用LV28變壓模塊所得的變壓比為300∶6.25即48∶1。被降壓的信號(hào)，在CPU控制電路4計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)乘以上述降壓倍率的方式，得到強(qiáng)電待測(cè)信號(hào)電壓的真實(shí)值。
降壓電路1.3輸出INLEM接在穩(wěn)壓跟隨電路1.4的輸入上。
穩(wěn)壓跟隨電路1.4將輸入信號(hào)INlow、INLEM通過(guò)5V穩(wěn)壓電路，將電壓限幅在0～5V之間，通過(guò)電壓跟隨進(jìn)行阻抗匹配后輸出信號(hào)INstd，分別接在TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路1.5和峰值保持電路1.6的輸入上。
TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路1.5將輸入信號(hào)INstd波形一級(jí)一級(jí)處理，即對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，直至成為測(cè)試系統(tǒng)的電壓、頻率測(cè)量電路能夠接受的形式，見(jiàn)附圖4。首先輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)一次穩(wěn)壓，目的在于防止輸入信號(hào)過(guò)大燒毀后級(jí)電路，然后再將其進(jìn)行電壓追隨，使前后級(jí)阻抗隔離，輸出在送下一級(jí)處理的同時(shí)送到電壓峰值保持電路。然后經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)環(huán)集成運(yùn)算放大器，(其中正電位輸入上的1M電阻和10K電阻是為了輸入信號(hào)為TTL時(shí)，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后不存在負(fù)電位也能夠被無(wú)窮放大為交流方波)。然后再經(jīng)過(guò)滯回比較器，除去翻轉(zhuǎn)抖動(dòng)，穩(wěn)壓后即為TTL電平。最后再經(jīng)過(guò)同相門(74LS07)使其變成標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號(hào)INTTL。INTTL與頻率測(cè)量電路2的輸入端連接。
峰值保持電路1.6將輸入信號(hào)INstd通入峰值保持電路1.6的輸入端，峰值保持電路1.6的復(fù)位端與CPU控制電路4的控制總線相連接，具體電路圖見(jiàn)附圖5。峰值電壓采樣保持電路由一片采樣保持器芯片LF398和一塊電壓比較器LM311構(gòu)成。LF398的輸出電壓和輸入電壓通過(guò)LM311進(jìn)行比較，當(dāng)Vi＞V0時(shí)，LM311輸出高電平，送到LF398的邏輯控制端8腳，使LF398處于采樣狀態(tài)；當(dāng)Vi達(dá)到峰值而下降時(shí)，Vi＜V0，電壓比較器LM311輸出低電平，LF398的邏輯控制端置低電平，使LF398處于保持狀態(tài)。由于LM311采用集電極開(kāi)路輸出，故需接上拉電阻。由過(guò)電壓檢測(cè)電路輸出端送來(lái)的脈沖控制電路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，沒(méi)有過(guò)電時(shí)采樣電容放電，否則采樣電路一直跟蹤峰值的變化。
即峰值保持電路經(jīng)過(guò)復(fù)位后輸出電壓為零INpeak＝0，INstd輸入峰值保持電路后，比較INstd和INpeak如果INstd＞INpeak，則INpeak＝INstd并且鎖定INpeak電壓值；如果INstd＜INpeak，則INpeak輸出電壓值保持不變；得到INpeak＝INstd峰值INpeak的模擬輸出；峰值保持電路的輸出INpeak接在A/D轉(zhuǎn)換電路(3)的輸入上。
頻率測(cè)量電路2的輸入與信號(hào)處理電路1TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路1.5的輸出INTTL相連接，作為待測(cè)頻率信號(hào)的輸入；測(cè)量結(jié)果輸出OUTF(t)通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路3連接。
低頻測(cè)量原理 頻率信號(hào)INTTL的測(cè)量采用了純硬件實(shí)現(xiàn)的方法，四級(jí)快速74F161串聯(lián)形成74F161計(jì)數(shù)器組，測(cè)量分辨率高達(dá)216。對(duì)于1KHz以下的低頻信號(hào)和1KHz以上的中高頻信號(hào)，采用了完全不同的方法測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)，捕捉一個(gè)周期的長(zhǎng)度，用標(biāo)準(zhǔn)的1MHz有源晶振作為串聯(lián)計(jì)數(shù)芯片組CLK輸入信號(hào)，也就是在輸入待測(cè)信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)，測(cè)量通入74F161計(jì)數(shù)器組的1MHz高頻信號(hào)的個(gè)數(shù)。
附圖7為是低頻測(cè)量電路設(shè)想的時(shí)序圖 捕捉電路只有在觸發(fā)脈沖來(lái)的時(shí)候，捕捉待測(cè)信號(hào)相鄰的兩個(gè)上升沿，在此期間輸出高電平，使74F161計(jì)數(shù)器組通入1MHz高頻信號(hào)，其它時(shí)間均保持低電平，除非再有觸發(fā)電平輸入，再捕捉待測(cè)信號(hào)相鄰的兩個(gè)上升沿…… 巧用74F161，實(shí)現(xiàn)上述邏輯，見(jiàn)附圖9。74F161始終輸入CLK為信號(hào)源，當(dāng)CLR低電平清零時(shí)，計(jì)數(shù)器次低位P1為0，計(jì)數(shù)器可以工作，于是信號(hào)源接下來(lái)的一個(gè)上升沿，將計(jì)數(shù)器低位P0由低變高，此時(shí)由于計(jì)數(shù)器次低位P1依然為0，所以計(jì)數(shù)器可以繼續(xù)工作；于是信號(hào)源接下來(lái)的一個(gè)上升沿，將計(jì)數(shù)器低位P0由高變低，此時(shí)計(jì)數(shù)器次低位P1為1，計(jì)數(shù)器自鎖，P0保持低，完成了信號(hào)源一個(gè)周期長(zhǎng)度的捕捉，直到下一次CLR信號(hào)到來(lái)時(shí)才重復(fù)上述捕捉過(guò)程。
相對(duì)于1KHz以下的輸入信號(hào)來(lái)講，使用1MHz的高頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量具有很高的準(zhǔn)確性和精度。假設(shè)在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器的已知頻率信號(hào)的周期數(shù)為N，則待測(cè)低頻信號(hào)的頻率值為 附圖10為74F161組及其與數(shù)據(jù)總線連接的電路圖，計(jì)數(shù)單元有4顆74F161快速計(jì)數(shù)器串接構(gòu)成，每顆74F161可以計(jì)4位，因此可實(shí)現(xiàn)共16位計(jì)數(shù)，低8位和高8位分別接一顆75LS245與數(shù)據(jù)總線相連，每顆74LS245都有自己獨(dú)立的片選地址，從而實(shí)現(xiàn)與CPU數(shù)據(jù)交換。
高頻測(cè)量原理 對(duì)于1KHz以上的中高頻信號(hào)，采用了截然不同的測(cè)量方法——測(cè)量定時(shí)期間內(nèi)信號(hào)源脈沖數(shù)將四個(gè)快速計(jì)數(shù)器74F161按照后一片計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘CLK端連接前一片計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端TC的辦法首尾相連，89C51單片機(jī)某一管腳產(chǎn)生一固定的定時(shí)信號(hào)(分為幾擋)，接在計(jì)數(shù)器74F161的使能端上，將高頻信號(hào)接在第一個(gè)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘端。將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸出通過(guò)總線收發(fā)器74F245送到數(shù)據(jù)總線上傳回單片機(jī)。這樣，單片機(jī)定時(shí)信號(hào)在高電平期間，計(jì)數(shù)器會(huì)將計(jì)的高頻信號(hào)脈沖數(shù)，匯總四個(gè)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)，就可以知道在定時(shí)信號(hào)高電平期間有多少高頻信號(hào)周期經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器。
圖8是高頻測(cè)量電路的時(shí)序圖 假設(shè)定時(shí)脈沖的周期為T，在脈沖高電平期間通過(guò)計(jì)數(shù)器的高頻信號(hào)周期數(shù)為N，則可以得到高頻信號(hào)的頻率為 由于電路工作的頻帶僅僅由參與計(jì)數(shù)的四個(gè)計(jì)數(shù)器的工作頻率決定，而與單片機(jī)和總線緩沖器無(wú)關(guān)，因此只要選擇頻帶寬的計(jì)數(shù)器，就完全可以實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的計(jì)數(shù)。我們選用的74F161的標(biāo)稱工作頻率為143MHz，所以理論上來(lái)說(shuō)我們的電路對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量可以達(dá)到百兆以上，但是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們的測(cè)量值只能達(dá)到50MHz的頻率(信號(hào)源產(chǎn)生的上限頻率僅有15MHz，我們用50MHz有源晶振來(lái)充當(dāng)信號(hào)源)，在這個(gè)頻率以下的高頻信號(hào)測(cè)量完全正常。下表給出了測(cè)量不同頻率時(shí)，定時(shí)器的最佳定時(shí)長(zhǎng)度 高頻/低頻測(cè)量復(fù)用電路 為了能夠使頻率測(cè)量更加準(zhǔn)確，頻帶更寬，對(duì)高、低頻段的輸入信號(hào)采取了不同的測(cè)量辦法，并且在兩種辦法所能夠測(cè)量的頻率范圍之間設(shè)定了重疊區(qū)域，以保證系統(tǒng)的完整性，不使頻率測(cè)量出現(xiàn)斷檔區(qū)域。
對(duì)于高頻信號(hào)測(cè)量電路和低頻信號(hào)測(cè)量電路來(lái)講，串聯(lián)的計(jì)數(shù)器組是相同的，所不同的只是兩種方案中計(jì)數(shù)器所接的時(shí)鐘信號(hào)和使能信號(hào)不同。高頻測(cè)量時(shí)時(shí)鐘信號(hào)為輸入待測(cè)信號(hào)，而低頻測(cè)量時(shí)為已知頻率晶振的輸出波形；高頻測(cè)量時(shí)使能信號(hào)為單片機(jī)定時(shí)脈沖，低頻測(cè)量時(shí)為輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)波形變換和頻率變換后的波形。
為保證信號(hào)通路切換不影響信號(hào)質(zhì)量，不選用模擬開(kāi)關(guān)(例如CD4051)，而使用兩個(gè)繼電器，第一個(gè)繼電器的常開(kāi)、常閉端分別接高頻輸入信號(hào)INTTL和晶振的輸出管腳INcry，公共的輸出端接在計(jì)數(shù)芯片組的計(jì)數(shù)輸入端，由一位數(shù)字信號(hào)的高低控制磁片吸合端，從而實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的切換；另一個(gè)繼電器的常開(kāi)、常閉端分別接產(chǎn)生定時(shí)脈沖的單片機(jī)管腳INtimer和低頻輸入INTTL信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后的波形，公共的輸出接到四個(gè)計(jì)數(shù)芯片的使能端。由相同的一位數(shù)字信號(hào)控制其切換。這樣通過(guò)數(shù)字信號(hào)的控制(該控制信號(hào)可以來(lái)自單片機(jī)的某個(gè)管腳)，就可以實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量中高頻通道和低頻通道的切換，并且大幅度節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。經(jīng)過(guò)我們的實(shí)踐，它具有良好的穩(wěn)定性。但要注意繼電器可靠吸合磁片需要足夠吸合電流(用74LS07加小電阻上拉實(shí)現(xiàn))，同時(shí)還要保證吸合時(shí)間(程序中用延時(shí)保證)，圖11是頻率通道的電路圖。
A/D轉(zhuǎn)換電路3的MAX153模擬信號(hào)輸入管腳與信號(hào)處理電路1電壓峰值電路1.6的LF398采樣保持輸出管腳相連接，作為待測(cè)電壓信號(hào)的輸入；測(cè)量結(jié)果OUTU(t)輸出通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路3連接。
由于使用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制，使用12M的晶振，則單片機(jī)每條指令用1μs，因此可以采用讀-寫模式(MODE＝1)，利用WR信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，RD信號(hào)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。兩條指令間隔1μs，滿足控制要求。
選用Maxim公司的高速A/D MAX153芯片。將LEM模塊的輸出電阻RM200Ω，用兩個(gè)精密電阻100Ω代替，形成分壓。因此需選用電阻來(lái)保證器準(zhǔn)確分壓。電路圖參見(jiàn)附圖6。
CPU控制電路4的作用是控制所有電路的工作，數(shù)據(jù)的處理、移動(dòng)和存儲(chǔ)；CPU外部總線由數(shù)據(jù)總線和地址總線構(gòu)成；通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線實(shí)現(xiàn)控制其它各電路工作。Flash和RAM通過(guò)數(shù)據(jù)總線和地址總線與CPU相連，擴(kuò)展程序、地址空間。
在裝置中CPU選用AT89C51單片機(jī)，地址分配方案為采取了P0口接數(shù)據(jù)總線，專門用于芯片間數(shù)據(jù)的傳輸；P2口接地址總線，專門用于分配地址，這種接法大大化簡(jiǎn)了經(jīng)典的P0口接74LS373通過(guò)ALE鎖存的方式，電路穩(wěn)定性提高，但尋址范圍減小，但P2口所提供的地址范圍已經(jīng)充分滿足了我們的需求； 按照以下三個(gè)原則分配地址 (1)用P2.7來(lái)選中CH371芯片，同時(shí)接74LS138的GA使能端P2.7＝0時(shí)CH371被選中，74LS138關(guān)閉(即CH371進(jìn)行USB通訊，其他設(shè)備全都不被選中)；而當(dāng)P2.7＝1時(shí)CH371閑置，74LS138便可以選中其他設(shè)備了；換言之，P2.7決定了測(cè)試系統(tǒng)只能在CH371和74LS138(即其它芯片)中選其一。這樣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了USB通訊(上位機(jī)的命令)的優(yōu)先級(jí)高于一切功能模塊(下位機(jī))的控制策略； (2)第1片74LS138的Y5～Y7作為與鍵盤顯示芯片通訊的接口，通過(guò)LOAD、DIN、DCLK三條數(shù)據(jù)線的配合，實(shí)現(xiàn)鍵盤顯示芯片與CPU的通訊； (3)P2口工作于兩種方式，一種是常見(jiàn)的P2口配合RD、WR的讀寫操作；一種是利用P2口平時(shí)本身帶鎖存的輸入輸出口的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間選中一片芯片的操作方式。
地址分配如下表 譯碼電路接線，見(jiàn)附圖2。
在測(cè)試系統(tǒng)中，P1口的8個(gè)管腳也派上了重要的用途，如下表所示
鍵盤顯示電路5中的鍵盤接口與4X4鍵盤連接，現(xiàn)實(shí)接口與現(xiàn)實(shí)裝置通過(guò)現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)線連接。其數(shù)據(jù)端、地址端和控制端分別接到線CPU控制電路4的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線上。
選用CH451鍵盤顯示驅(qū)動(dòng)芯片，它是一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制以及μP監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451內(nèi)置RC振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能；同時(shí)還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描；CH451通過(guò)可以級(jí)聯(lián)的串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并且提供上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。圖3-14為電路連接框圖，單片機(jī)與CH451有3條位數(shù)據(jù)線和1條中斷線連接 CH451與鍵盤LED電器連接圖如圖12所示 通訊電路6與計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，其發(fā)數(shù)據(jù)端、地址端和控制端分別接到線可編程CPU控制電路4的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線上，通訊電路的。
USB通訊選用CH371智能USB通訊芯片。CH371是一個(gè)USB總線的通用接口芯片。在本地端，CH371具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)、DSP、MCU等控制器的系統(tǒng)總線上；在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CH371的配套軟件提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，與本地端的單片機(jī)通訊就如同讀寫硬盤中的文件。CH371屏蔽了USB通訊中的所有協(xié)議，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與本地端控制器之間提供端對(duì)端的連接。基于CH371，不需要了解任何USB協(xié)議或者固件程序甚至驅(qū)動(dòng)程序，就可以實(shí)現(xiàn)USB通訊。單片機(jī)、CH371接口芯片、計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系如圖3-19。CH371與CPU之間的通過(guò)數(shù)據(jù)總線連接，通過(guò)地址譯碼選通，配合RD#、WR#向CH371讀取、寫入數(shù)據(jù)，CPU、CH371與USB總線的連接如圖13所示。
自檢校正電路7數(shù)據(jù)端、地址端和控制端分別接到線可編程CPU控制電路4的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線上。AD7008產(chǎn)生的自檢波形輸出管腳與信號(hào)處理電路3弱電接入電路1.1輸出接口連接，即直接連在穩(wěn)壓跟隨運(yùn)算放大器的輸入管腳上。參見(jiàn)圖14。
在設(shè)備自檢中，往往需要頻率、幅度都能由測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的信號(hào)源。采用直接數(shù)字合成芯片AD7008及外加D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7520構(gòu)成的可控信號(hào)源，可生產(chǎn)正弦波、調(diào)頻波、調(diào)幅波及方波等，并且其信號(hào)的頻率和幅度可由微機(jī)來(lái)精確控制，調(diào)節(jié)非常方便。
電源電路8的作用是為各模塊提供5V和±12V電源供電；電源電路8的輸入與220V電源連接，通過(guò)整流、濾波、限幅、穩(wěn)壓和過(guò)載保護(hù)電路，得到標(biāo)準(zhǔn)電壓，通過(guò)電壓總線，與其它7個(gè)部分連接。
3.本實(shí)施例分析方法的實(shí)現(xiàn) 1)數(shù)據(jù)采集通過(guò)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)采集時(shí)間序列電壓、時(shí)間序列頻率，具體采集方法如下，見(jiàn)附圖17 第1步通過(guò)鍵盤顯示電路(5)中的鍵盤設(shè)置采集時(shí)間間隔Tsample和對(duì)電壓、頻率的連續(xù)采集次數(shù)tsample，置當(dāng)前采集次數(shù)tonce＝1，將上述參數(shù)存入CPU控制電路(4)的RAM中，CPU控制電路(4)執(zhí)行連續(xù)采集子程序； 第2步CPU控制電路(4)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路(3)得到當(dāng)前接入信號(hào)電壓的采集值OUTV，乘以降壓倍率得出當(dāng)前電壓的真實(shí)值U(tonce)存放在其RAM中； 第3步CPU控制電路(4)通過(guò)頻率測(cè)量電路(2)得到當(dāng)前接入信號(hào)頻率的采集值OUTF，計(jì)算得出當(dāng)前電壓的真實(shí)值F(tonce)存放在其RAM中； 第4步當(dāng)前采集次數(shù)tonce自增1，如果tonce≤tsample則重復(fù)執(zhí)行步驟2，3，4； 第5步采集完成； 于是產(chǎn)生了隨時(shí)間序列電壓值(U(t)，t)和時(shí)間序列頻率值(F(t)，t)，其中t是采樣時(shí)間，t＝1，2，…，tsample，tsample是正整數(shù)表示采樣時(shí)間的終值，U(t)、F(t)分別表示t時(shí)刻的電壓值和頻率值； 2)數(shù)據(jù)預(yù)處理 第1步從CPU控制電路4的RAM中讀出連續(xù)采集次數(shù)tsample，置當(dāng)前計(jì)算次數(shù)tprc＝6，計(jì)算比對(duì)結(jié)束次數(shù)tprcend＝tsample-5，其中與U(tsample)和F(tsample)對(duì)比的電壓值的個(gè)數(shù)為5； 對(duì)上步中采集到的(U(t)，t)、(F(t)，t)進(jìn)行修正處理，即把明顯偏離相鄰數(shù)據(jù)的值刪除，修正原則是如果t時(shí)刻的電壓值U(t)與之前或之后的5個(gè)時(shí)刻電壓值平均值的差值的絕對(duì)值，大于t時(shí)刻之前或之后5個(gè)時(shí)刻電壓值之間差值絕對(duì)值的平均值，需要修正，即 或 式(1)中，t-i表示時(shí)刻t之前i個(gè)時(shí)刻，則U(t-i)表示采樣時(shí)刻t-i時(shí)的電壓值，U(t)是t時(shí)刻的電壓值，U(t-i-1)表示t-i-1時(shí)刻的電壓值；α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％； 式(2)中，U(t)是t時(shí)刻的電壓值，則U(t+i)表示采樣時(shí)刻t+i時(shí)的電壓值，U(t+i+1)表示t+i+1時(shí)刻的電壓值，α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％； 如果t時(shí)刻的電壓值U(t)滿足(1)式或(2)式，則修正為 其中，U(t-1)為t-1時(shí)刻的電壓值，U(t+1)為t+1時(shí)刻的電壓值； 頻率值F(t)的修正原則與U(t)的修正原則相同如果t時(shí)刻的頻率值F(t)與之前或之后的n個(gè)時(shí)刻電壓值平均值的差值的絕對(duì)值，大于t時(shí)刻之前或之后n個(gè)時(shí)刻電壓值之間差值絕對(duì)值的平均值，需要修正，即 或 式(3)中，t-i表示時(shí)刻t之前i個(gè)時(shí)刻，則F(t-i)表示采樣時(shí)刻t-i時(shí)的電壓值，F(xiàn)(t)是t時(shí)刻的電壓值，F(xiàn)(t-i-1)表示t-i-1時(shí)刻的電壓值；α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％； 式(2)中，F(xiàn)(t)是t時(shí)刻的電壓值，則F(t+i)表示采樣時(shí)刻t+i時(shí)的電壓值，F(xiàn)(t+i+1)表示t+i+1時(shí)刻的電壓值，α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％； 如果t時(shí)刻的電壓值F(t)滿足(3)式或(4)式，則修正為 其中，F(xiàn)(t-1)為t-1時(shí)刻的電壓值，F(xiàn)(t+1)為t+1時(shí)刻的電壓值； 第2步前計(jì)算次數(shù)tprc自增1，如果tprc≤tprcend則重復(fù)執(zhí)行步驟1； 第3步數(shù)據(jù)預(yù)處理完成； 3)三線分析法及特征值計(jì)算 第1步，壓頻曲線擬合 1)應(yīng)用最小二乘法將U-F曲線中的點(diǎn)擬合為一直線，并計(jì)算擬合參數(shù)a、b和壓頻特征值壓頻曲線線性度αout、壓頻比Kout和壓頻基點(diǎn)V50Hz； 為了表示方便，將U(t)記為ut，將F(t)記為ft，將tsample記為n，具體步驟如下 設(shè)電壓-頻率直線函數(shù)為f＝au+b，其中a、b是待定常數(shù)； 記εt＝ft-(aut+b)，它反映了用直線f＝au+b來(lái)描述u＝ut，f＝ft時(shí)，計(jì)算值f與實(shí)際值ft產(chǎn)生的偏差；用

來(lái)度量總偏差； 確定f＝au+b中的常數(shù)a和b，使為最??； 由極值原理得即 解此聯(lián)立方程得 第2步，電壓、頻率特征值計(jì)算 壓頻比Kout＝a壓頻比用來(lái)表示電壓和頻率值的線性關(guān)系； 壓頻曲線線性度壓頻曲線線性度用來(lái)衡量壓頻曲線上的點(diǎn)偏離擬合出來(lái)直線的程度； 壓頻基點(diǎn)V50Hz＝50a+b壓頻基點(diǎn)用來(lái)衡量工作頻率50Hz時(shí)的工作電壓； 第3步，繪制三條曲線 繪制電壓時(shí)間即U-t曲線將修正后的時(shí)間序列(U(t)，t)每個(gè)時(shí)刻t與對(duì)應(yīng)的電壓值U(t)繪制到U-t坐標(biāo)系中，得到的電壓時(shí)間U-t曲線； 繪制頻率時(shí)間F-t曲線將修正后的時(shí)間序列(F(t)，t)每個(gè)時(shí)刻t與對(duì)應(yīng)的頻率值F(t)繪制到F-t坐標(biāo)系中，得到的頻率時(shí)間F-t曲線； 繪制電壓頻率U-F曲線將修正后的時(shí)間序列變量(U(t)，t)和(F(t)，t)，構(gòu)成三元組(U(t)，F(xiàn)(t)，t)，把每個(gè)時(shí)刻t對(duì)應(yīng)的U(t)、F(t)兩個(gè)值作為一個(gè)點(diǎn)的(U，F(xiàn))坐標(biāo)，繪制到U-F坐標(biāo)系中，得到U-F曲線； 第4步，性能指標(biāo)分析 根據(jù)項(xiàng)上述繪制的三條曲線，和三個(gè)特征值，工程師得出所測(cè)量的電壓頻率值是否滿足工程實(shí)際項(xiàng)目指標(biāo)的要求，以及滿足程度。
權(quán)利要求
1.電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)，其特征在于主要包括有信號(hào)處理電路(1)、頻率測(cè)量電路(2)、A/D轉(zhuǎn)換電路(3)、CPU控制電路(4)、鍵盤顯示電路(5)、和電源電路(8)；其中
信號(hào)處理電路1包括有弱電接入電路(1.1)、強(qiáng)電接入電路(1.2)、降壓電路(1.3)、穩(wěn)壓跟隨電路(1.4)、TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路(1.5)、峰值保持電路(1.6)；
弱電接入電路(1.1)的輸入端為一個(gè)用于與0～5V待測(cè)信號(hào)INlow相連接的模擬信號(hào)接口，弱電接入電路(1.1)的輸出端與穩(wěn)壓跟隨電路1.4相連接；
強(qiáng)電接入電路(1.2)的輸入端為一個(gè)用于與5～300V待測(cè)信號(hào)INhigh相連接的模擬信號(hào)接口，強(qiáng)電接入電路(1.2)的輸出接在降壓電路(1.3)相連接；降壓電路(1.3)將強(qiáng)電接入電路送來(lái)的5～300V待測(cè)信號(hào)INhigh根據(jù)降壓倍率線性等比降為0～5V弱電待測(cè)信號(hào)后輸出給穩(wěn)壓跟隨電路(1.4)；
穩(wěn)壓跟隨電路(1.4)的輸出信號(hào)INstd端分別與TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路(1.5)和峰值保持電路(1.6)相連接；TTL標(biāo)準(zhǔn)化電路(1.5)將電壓跟隨電路(1.4)的輸出信號(hào)變?yōu)榻涣鞣讲?，再通過(guò)滯回比較電路除去抖動(dòng)，通過(guò)穩(wěn)壓管后得到了標(biāo)準(zhǔn)的TTL頻率待測(cè)信號(hào)INTTL，輸出給頻率測(cè)量電路(2)；峰值保持電路(1.6)將電壓跟隨電路(1.6)的輸出信號(hào)電壓出現(xiàn)過(guò)的最大值以直流恒壓的信號(hào)INpeak輸出給A/D轉(zhuǎn)換電路(3)；
頻率測(cè)量電路(2)的輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路(4)相連接，頻率測(cè)量電路(2)測(cè)量出TTL標(biāo)準(zhǔn)波形的頻率值，并將測(cè)得的頻率值以數(shù)字量的形式輸出到CPU控制電路(4)，同時(shí)送至顯示電路(5)顯示；
A/D轉(zhuǎn)換電路(3)的輸入與信號(hào)處理電路(1)電壓峰值電路(1.6)的輸出端相連接，輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路(4)連接；A/D轉(zhuǎn)換電路(3)將電壓峰值電路(1.6)輸出的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出到CPU控制電路(4)，同時(shí)送至顯示電路(5)顯示；
CPU控制電路(4)與頻率測(cè)量電路(2)的輸出端相連接，接收頻率測(cè)量電路測(cè)得的頻率值；CPU控制電路(4)與A/D轉(zhuǎn)換電路(3)相連接，接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的電壓值；如果是強(qiáng)電信號(hào)，CPU控制電路(4)根據(jù)降壓電路(1.3)的降壓后的電壓值和降壓倍率，計(jì)算出實(shí)際的電壓值，并存儲(chǔ)CPU控制電路(4)的RAM中，并送至鍵盤顯示電路(5)中的顯示部分顯示；
鍵盤顯示電路(5)通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路(4)相連接，鍵盤顯示電路(5)中的顯示部分用于顯示頻率測(cè)量電路(2)和A/D轉(zhuǎn)換電路(3)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的結(jié)果；鍵盤顯示電路(5)中的鍵盤通過(guò)鍵盤顯示控制芯片與CPU控制電路(4)相連接；
電源電路(8)為以上各電路提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)，其特征在于還設(shè)置有用于與上位機(jī)通訊的通訊電路(6)，通訊電路(6)與CPU控制電路(4)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)，其特征在于還設(shè)置有自檢校正電路(7)，自檢校正電路(7)的數(shù)據(jù)端、地址端和控制端分別接到CPU控制電路(4)的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線上，自檢校正電路(7)輸出端與信號(hào)處理電路(3)弱電接入電路(1.1)接口相連接；CPU控制電路(4)生成電壓、頻率信號(hào)輸入給自檢校正電路(7)并通過(guò)自檢校正電路(7)產(chǎn)生自檢波形，自檢波形輸入給弱電接入電路(1.1)，CPU控制器將弱電接入電路(1.1)采集到的電壓、頻率測(cè)量值與其產(chǎn)生的自檢電壓、頻率進(jìn)行比較來(lái)判斷系統(tǒng)是否正常。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)，其特征在于所述的頻率測(cè)量電路(2)包括兩個(gè)繼電器、4個(gè)74F161記數(shù)器構(gòu)成的串聯(lián)的計(jì)數(shù)器組、1個(gè)74F161記數(shù)器作為邏輯控制器和2支74LS245總線收發(fā)器，四個(gè)計(jì)數(shù)器每個(gè)記數(shù)器有4位輸出，每?jī)蓚€(gè)記數(shù)器的8位輸出接在總線收發(fā)器74LS245的輸入上，總線收發(fā)器74LS245的輸出通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與CPU控制電路(4)相連接；
第一個(gè)繼電器的常開(kāi)、常閉端分別接高頻的頻率待側(cè)信號(hào)INTTL和已知標(biāo)準(zhǔn)晶振的輸出管腳INcry，公共的輸出端接在計(jì)數(shù)器芯片組中第一個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端；第二個(gè)繼電器的常開(kāi)、常閉端分別接產(chǎn)生定時(shí)脈沖的CPU管腳INtimer和低頻的頻率待側(cè)信號(hào)INTTL相連接，公共的輸出接到四個(gè)計(jì)數(shù)芯片的使能端，第一個(gè)繼電器和第二個(gè)繼電器的常開(kāi)、常閉切換控制端與CPU控制電路(4)控制總線相連接來(lái)控制兩個(gè)繼電器常開(kāi)、常閉的切換；
作為邏輯控制器的74F161計(jì)數(shù)器的CLK端始終接低頻信號(hào)INTTL，其CLR端與其第2位計(jì)數(shù)輸出P1通過(guò)一個(gè)反門相連，實(shí)現(xiàn)只允許一個(gè)周期波形通過(guò)的自鎖電路，復(fù)位信號(hào)CLR通過(guò)控制總線與CPU的為控制端相連。
5.利用權(quán)利要求1所述的電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)，采集時(shí)間序列電壓、時(shí)間序列頻率及其分析方法，其特征在于主要包括有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三線分析和壓頻特征值計(jì)算分析；
1)數(shù)據(jù)采集通過(guò)權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)采集時(shí)間序列電壓、時(shí)間序列頻率，具體采集方法如下
第1步通過(guò)鍵盤顯示電路(5)中的鍵盤設(shè)置采集時(shí)間間隔Tsample和對(duì)電壓、頻率的連續(xù)采集次數(shù)tsample，置當(dāng)前采集次數(shù)tonce＝1，將上述參數(shù)存入CPU控制電路(4)的RAM中，CPU控制電路(4)執(zhí)行連續(xù)采集子程序；
第2步CPU控制電路(4)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路(3)得到當(dāng)前接入信號(hào)電壓的采集值OUTV存放在CPU控制器的RAM中；
第3步CPU控制電路(4)通過(guò)頻率測(cè)量電路(2)得到當(dāng)前接入信號(hào)頻率的采集值OUTF存放在CPU控制器的RAM中；
第4步當(dāng)前采集次數(shù)tonce自增1，如果tonce≤tsample則重復(fù)執(zhí)行步驟2，3，4；
第5步采集完成；
于是產(chǎn)生了時(shí)間序列電壓值(U(t)，t)和時(shí)間序列頻率值(F(t)，t)，其中t是采樣時(shí)間，t＝1，2，...，tsample，tsample是正整數(shù)，表示采樣時(shí)間的終值，U(t)、F(t)分別表示t時(shí)刻的電壓值和頻率值；
2)數(shù)據(jù)預(yù)處理
第1步從CPU控制電路(4)的RAM中讀出連續(xù)采集次數(shù)tsample，置當(dāng)前計(jì)算次數(shù)tprc＝n+1，計(jì)算比對(duì)結(jié)束次數(shù)tprcend＝tsample-n，其中n是與U(tsample)和F(tsample)對(duì)比的電壓值的個(gè)數(shù)，n的取值范圍一般為3≤n≤10；
對(duì)上步中采集到的(U(t)，t)、(F(t)，t)進(jìn)行修正處理，即把明顯偏離相鄰數(shù)據(jù)的值刪除，修正原則是如果t時(shí)刻的電壓值U(t)與之前或之后的n個(gè)時(shí)刻電壓值平均值的差值的絕對(duì)值，大于t時(shí)刻之前或之后n個(gè)時(shí)刻電壓值之間差值絕對(duì)值的平均值，需要修正，即
或
式(1)中，t-i表示時(shí)刻t之前i個(gè)時(shí)刻，則U(t-i)表示采樣時(shí)刻t-i時(shí)的電壓值，U(t)是t時(shí)刻的電壓值，U(t-i-1)表示t-i-1時(shí)刻的電壓值；α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％；
式(2)中，U(t)是t時(shí)刻的電壓值，則U(t+i)表示采樣時(shí)刻t+i時(shí)的電壓值，U(t+i+1)表示t+i+1時(shí)刻的電壓值，α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％；
如果t時(shí)刻的電壓值U(t)滿足(1)式或(2)式，則修正為
其中，U(t-1)為t-1時(shí)刻的電壓值，U(t+1)為t+1時(shí)刻的電壓值；
頻率值F(t)的修正原則與U(t)的修正原則相同如果t時(shí)刻的頻率值F(t)與之前或之后的n個(gè)時(shí)刻電壓值平均值的差值的絕對(duì)值，大于t時(shí)刻之前或之后n個(gè)時(shí)刻電壓值之間差值絕對(duì)值的平均值，需要修正，即
或
式(3)中，t-i表示時(shí)刻t之前i個(gè)時(shí)刻，則F(t-i)表示采樣時(shí)刻t-i時(shí)的電壓值，F(xiàn)(t)是t時(shí)刻的電壓值，F(xiàn)(t-i-1)表示t-i-1時(shí)刻的電壓值；α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％；
式(2)中，F(xiàn)(t)是t時(shí)刻的電壓值，則F(t+i)表示采樣時(shí)刻t+i時(shí)的電壓值，F(xiàn)(t+i+1)表示t+i+1時(shí)刻的電壓值，α是界定強(qiáng)度，取值范圍為0％～100％；
如果t時(shí)刻的電壓值F(t)滿足(3)式或(4)式，則修正為
其中，F(xiàn)(t-1)為t-1時(shí)刻的電壓值，F(xiàn)(t+1)為t+1時(shí)刻的電壓值；
第2步前計(jì)算次數(shù)tprc自增1，如果tprc≤tprcend則重復(fù)執(zhí)行步驟1；
第3步數(shù)據(jù)預(yù)處理完成；
3)三線分析法及特征值計(jì)算
第1步，壓頻曲線擬合
1)應(yīng)用最小二乘法將U-F曲線中的點(diǎn)擬合為一直線，并計(jì)算擬合參數(shù)a、b和壓頻特征值壓頻曲線線性度αout、壓頻比Kout和壓頻基點(diǎn)V50Hz；
為了表示方便，將U(t)記為ut，將F(t)記為ft，將tsample記為n，具體步驟如下
設(shè)電壓-頻率直線函數(shù)為f＝au+b，其中a、b是待定常數(shù)；
記εt＝ft-(aut+b)，它反映了用直線f＝au+b來(lái)描述u＝ut，f＝ft時(shí)，計(jì)算值f與實(shí)際值ft產(chǎn)生的偏差；用
來(lái)度量總偏差；
確定f＝au+b中的常數(shù)
和
使為最?。?br> 由極值原理得即
解此聯(lián)立方程得
第2步，電壓、頻率特征值計(jì)算
壓頻比Kout＝a壓頻比用來(lái)表示電壓和頻率值的線性關(guān)系；
壓頻曲線線性度壓頻曲線線性度用來(lái)衡量壓頻曲線上的點(diǎn)偏離擬合出來(lái)直線的程度；
壓頻基點(diǎn)V50Hz＝50a+b壓頻基點(diǎn)用來(lái)衡量工作頻率50Hz時(shí)的工作電壓；
第3步，繪制三條曲線
繪制電壓時(shí)間即U-t曲線將修正后的時(shí)間序列(U(t)，t)每個(gè)時(shí)刻t與對(duì)應(yīng)的電壓值U(t)繪制到U-t坐標(biāo)系中，得到的電壓時(shí)間U-t曲線；
繪制頻率時(shí)間F-t曲線將修正后的時(shí)間序列(F(t)，t)每個(gè)時(shí)刻t與對(duì)應(yīng)的頻率值F(t)繪制到F-t坐標(biāo)系中，得到的頻率時(shí)間F-t曲線；
繪制電壓頻率U-F曲線將修正后的時(shí)間序列變量(U(t)，t)和(F(t)，t)，構(gòu)成三元組(U(t)，F(xiàn)(t)，t)，把每個(gè)時(shí)刻t對(duì)應(yīng)的U(t)、F(t)兩個(gè)值作為一個(gè)點(diǎn)的(U，F(xiàn))坐標(biāo)，繪制到U-F坐標(biāo)系中，得到U-F曲線。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種電壓頻率測(cè)量分析系統(tǒng)及分析方法，可以應(yīng)用到檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集分析、變頻技術(shù)等領(lǐng)域。該裝置可以對(duì)電壓信號(hào)、頻率信號(hào)測(cè)量，精度高達(dá)1/106。本發(fā)明提出了壓頻曲線線性度αout、壓頻比Kout和壓頻基點(diǎn)V50Hz進(jìn)行計(jì)算和分析得出結(jié)論的方法，并配合、繪制壓時(shí)、頻時(shí)和壓頻曲線分析方法，為待測(cè)設(shè)備，特別是變頻設(shè)備運(yùn)行狀況提供有效的輔助分析手段。實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度、寬范圍電壓、頻率測(cè)量，和對(duì)測(cè)量結(jié)果的智能分析功能。
文檔編號(hào)G01R13/00GK101201365SQ20071011875
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者劉經(jīng)緯, 蕾 楊, 王志新, 凱 康, 蘇宏偉 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)