基于DSP的电气参数测试仪研究

作者：信息来源:电子市场 2007-5-29

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摘要：分析基于DSP的电气参数测试仪测量原理，非理想同步采样的误差。同步采样。电气参数。数字信号处理器Study of Electrical Parameter Meter Based on DSP CHENZhi－yang，ZOUYun－ping (College of Electrical＆Electronic Engneering，Huazhong University of Science＆Technology，Wuhan 430074，China)Abstract：Th...

摘要：分析基于DSP的电气数测试仪测量原理，非理想同步采样的误差。介绍了测试仪的结构和软件流程。
关键词：测量；同步采样；电气参数；数据采集；数字信号处理器

Study of Electrical Parameter Meter Based on DSP

CHENZhi－yang，ZOUYun－ping

　　(College of Electrical＆Electronic Engneering，Huazhong University of Science＆Technology，Wuhan 430074，China)

　　Abstract：The hardware and software of an electrical parameter meter based on DSPare discussedin this paper．
Key words：measurement；synchronic sample；electrical parameter；data acquisition；DSP　　

　　本文提出了以DSPTMS320F240为核心、采用高性能双通道AD转换器对信号进行高速采样，获得电气参数的实时跟踪测量。

1　基于DSP的电气参数测试仪理论误差分析
　　电气参数测试仪的误差来源有两个：一理论误差。它产生于理想情况下推导出的公式应用于非理想状况下产生的误差。一是硬件误差。它产生于信号在传输处理过程中的失真。
对信号进行采样，得到离散时间序列u(k)和i(k)，信号的平均功率表示为：

    其中：N为时间T内采样点数。
　　同步采样是以周期时间除以预定采样点数N得到采样间隔的一种采样方式。受微处理器频率的限制，计数周期不能无限小，信号周期和采样间隔均以计数周期的倍数表示，恰好用计数周期整数倍表示的可能性小。不是整数倍时，周期误差便产生了。
    周期误差的定义为：

    其中，ΔT是周期误差；TX是被测信号的周期；N是一周内的采样点数；TS是采样周期。
　　周期误差影响测量精度。存在周期误差的情况下，公式(1)、(2)和(3)不成立。当ΔT《2π时，通常的微机测试系统仍然采用(1)、(2)和(3)计算。它们的计算结果与真值之间的误差很小。
1．1　正弦波非理想同步采样有效值误差分析　　
    令正弦信号为u(t)＝U_msin(ωt)，一周内采样点数为N，第一个采样点在α处，最后一个采样点在2π＋β处，存在周期误差，则α≠β，且周期误差ΔT＝β－α，实际采样间隔采样各点的瞬时值为：

　　从上式可以看出，非理想采样情况下正弦波有效值计算式的理论误差与采样起点、采样周期和周期误差都有关系。相对误差最大值

　　若系统晶振频率20MHz，每周期采样点数100点，则最大周期误差为

1．2　有功功率非理想同步采样误差分析　　
令正弦电压u(t)＝U_msin(ωt)，正弦电流i(t)＝I_msin(ωt－φ)，φ为电流和电压之间的相位差。
　　若一个周期内采样N点(N》1)，设电压信号的采样起始点和中止点分别为α_u和2π＋β_u，周期误差ΔT＝β_u－α_u；电流信号的采样起始点和中止点分别为α_i和2π＋β_i，周期误差ΔT＝β_i－α_i。电压和电流采样各点的采样瞬时值为：　　

　　其中，P为功率真值。
功率的绝对误差为

　　从上式可以看出，非理想采样功率计算式理论误差和采样点的位置、采样间隔有关，同时还和功率因数有关，功率因数越低，相对误差越大。若功率因数为1，最大相对误差为：

　　可以看出，非理想周期采样对于功率计算式的理论误差比有效值计算式的理论误差大的多。

2　电气参数测试仪硬件结构
　　电气参数测量仪硬件应使环节最少。开环测量系统的测量精度是各个环节的相对误差之和。根据各个环节对系统精度影响程度的不同和实际的可能，对各个环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配。为了保证信号的传输效率，必须保证适当的阻抗匹配程度。图1是电参数测试仪硬件整体结构图。

　　根据分析，传感器误差和信号放大电路的误差之和不大于1％。对应设计指标，前向数据通道各个环节精度须进行限制和必要的分配。若采用霍尔传感器LV25－P，它的精度＜0．6％，线性度＜0．2％(25℃)。放大器OP07的精度＜0．01％(输入失调电压10μV，失调电流0．3nA)。模拟开关的内阻125欧姆。可编程放大器AD526的精度＜0．02％，TMS320F240 AD转换精度0．5LSB＝0．00049。故误差分配满足性能指标设计要求，且最大误差来自传感器。

3　电气参数测试仪程序流程
　　图2与图3是电参数测量仪程序流程图。因定时中断优先级高于通讯中断的优先级，一个通讯中断程序可能需要数十个定时中断程序间隔才能完成，故通讯中断不应该保存现场。

采样可软件启动也可硬件启动，如定时器。TMS320F240通用定时器包括：一个可以读写的16位增加和增/减计数器；一个可以读写的16位定时器比较寄存器；一个可以读写的16位定时器周期寄存器；可读写的16位控制寄存器；可用于内部和外部时钟输入的可编程预定标器，控制和中断逻辑；一个通用定时器比较输出引脚和输出逻辑。
　　通用定时器输出可以选择。它可以控制通用定时器比较输出，可以启动数模转换模块。
　　采样周期是200μs，设定定时器连续增减计数模式，采样周期设定点数200μs/50ns/2＝2000。
　　图4是电气参数测量仪定时中断子程序流程图。定时中断是多功能电参数测量仪微处理器的最高优先级的中断，其中断子程序完成的功能最多。