高精度功率分析儀是如何煉成的？

　　三、功率分析儀的實(shí)現(xiàn)

　　功率分析儀的核心功能是能夠準(zhǔn)確的對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集，且各個(gè)通道間必須保證絕對(duì)的同步，因此功率分析儀的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)是在于如何保證采集部分的同步性和采樣的高精度、穩(wěn)定性。

　　3.1低溫漂、低噪聲的高速數(shù)據(jù)采集

　　功率分析儀的目標(biāo)精度高達(dá)0.02%，高精度測(cè)量最難處理的兩個(gè)問(wèn)題是溫漂和噪聲。整個(gè)模擬前端的框圖如圖5所示，其中每個(gè)環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲都會(huì)影響到最后的測(cè)量精度。

　　圖5模擬前端框圖

　　如果要保證測(cè)量精度，這必須保證每個(gè)環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲很低，或者能實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)間的補(bǔ)償處理。

　　對(duì)于溫漂問(wèn)題，首先溫漂是必然存在的，所有的模擬器件都存在溫度系數(shù)，隨著溫漂變化其參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)由于我們無(wú)法保證儀器工作在恒溫環(huán)境，所有必須考慮處理溫漂問(wèn)題。解決溫漂問(wèn)題首先是元器件選型方面必須需要考慮選型一些溫漂小的器件，電路設(shè)計(jì)上考慮進(jìn)行溫漂補(bǔ)償，添加補(bǔ)償電路將溫漂降低，避免相關(guān)放大電路出現(xiàn)飽和問(wèn)題，然后設(shè)計(jì)自校準(zhǔn)電路，測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)各環(huán)節(jié)的溫漂，將偏置的溫漂影響降到最低，然后是元器件匹配和布局問(wèn)題，處理增益補(bǔ)償電路，將增益誤差影響降到最低，同時(shí)將ADC的轉(zhuǎn)換參考電壓和模擬前端調(diào)理參考電壓使用同一組電壓，解決參考電壓溫漂產(chǎn)生的影響，另外采用16位分辨率的ADC進(jìn)行高速采集。

　　對(duì)于噪聲問(wèn)題，要考慮電路內(nèi)部的噪聲和外部的噪聲，內(nèi)部噪聲的處理需要考慮原理設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，外部噪聲問(wèn)題需要考慮電路板布局和屏蔽問(wèn)題。電路設(shè)計(jì)上面，需要考慮處理電阻熱噪聲、運(yùn)放噪聲問(wèn)題，電路布局方面需要考慮將容易受到干擾的環(huán)節(jié)進(jìn)行特殊處理。然后設(shè)計(jì)合理的濾波器，將一些噪聲濾除。另外必須考慮屏蔽殼的設(shè)計(jì)，將外部的噪聲干擾降低。

　　3.2高精度同步采樣

　　功率分析儀和示波器、萬(wàn)用表的最大區(qū)別就是能同時(shí)分析電壓和電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率信號(hào)的分析，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的準(zhǔn)確分析，則必須準(zhǔn)確測(cè)量電壓和電流信號(hào)，并且需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流信號(hào)的采樣，電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC數(shù)字化過(guò)程中每一個(gè)采樣點(diǎn)都必須發(fā)生在同一時(shí)刻，否則就無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步測(cè)量，在功率分析儀內(nèi)部，采用了業(yè)界最高的同步時(shí)鐘，高穩(wěn)定性溫度補(bǔ)償?shù)?00MHz同步時(shí)鐘，避免溫度變化帶了的時(shí)鐘漂移所引入的誤差，嚴(yán)格保證ADC對(duì)各通道電壓和電流的同步測(cè)量，從而保證了功率測(cè)量的精度。

　　100MHz的同步時(shí)鐘引起的最大誤差為10ns，對(duì)于50Hz的工頻信號(hào)來(lái)說(shuō)周期為20ms，所以10ns的時(shí)鐘誤差引起的相位測(cè)量誤差為

　　如果同步時(shí)鐘為10MHz則相位角誤差就會(huì)到0.0018°。

　　為了討論方便假設(shè)被測(cè)的電壓和電流都是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，那么功率運(yùn)算公式為

　　其中φ為不同步引起的相位角誤差，所以可以看到功率測(cè)量的精度會(huì)受到相位角的直接影響。

　　當(dāng)電壓和電流的相位角較小時(shí)，即功率因數(shù)較大時(shí)，0.0.018°的相位誤差對(duì)測(cè)量精度影響很小，但是在極低功率因數(shù)情況下0.00018°的相位誤差帶來(lái)的功率誤差是就比較明顯，誤差對(duì)比如下表所示，如果同步時(shí)鐘頻率降低，則測(cè)量誤差就會(huì)成倍增大，這也是目前業(yè)界功率測(cè)量設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)在極低功率因數(shù)情況下精確測(cè)量的主要原因。

　　表1 100MHz同步時(shí)鐘引起的測(cè)量誤差

　　表2 10MHz同步時(shí)鐘引起的測(cè)量誤差