功率測(cè)量中的時(shí)鐘——同步源原理解析

　　摘要：一般而言石英表精確度比機(jī)械表較高，瑞士標(biāo)準(zhǔn)是月誤差在15秒之內(nèi)。有些精準(zhǔn)的機(jī)芯更是可以達(dá)到年誤差幾秒之內(nèi)，但是即使最名貴的瑞士手表，時(shí)間走時(shí)都會(huì)有誤差，這是什么原因呢?

　　一般而言石英表精確度比機(jī)械表較高，瑞士標(biāo)準(zhǔn)是月誤差在15秒之內(nèi)。有些精準(zhǔn)的機(jī)芯更是可以達(dá)到年誤差幾秒之內(nèi)，但是即使最名貴的瑞士手表，時(shí)間走時(shí)都會(huì)有誤差，這是什么原因呢?

　　手表中機(jī)芯很重要就跟人的心臟一樣，在石英鐘表中，使用32.768kHz的晶振產(chǎn)生振蕩信號(hào)，經(jīng)過15分頻得到1Hz信號(hào)，每個(gè)周期驅(qū)動(dòng)秒鐘走一下。晶振頻率的精度和穩(wěn)定性決定了手表走時(shí)的精確度。晶振最為重要的一個(gè)參數(shù)就是PPM，一個(gè)PPM等于百萬分之一。普通的石英表使用的晶振精度為20個(gè)PPM，最名貴的瑞士手表使用的晶振精度可以高達(dá)5個(gè)PPM。

　　在功率測(cè)量中，同樣需要一個(gè)時(shí)鐘，PA6000功率分析儀使用的恒溫晶振頻率為100MHz，而精度達(dá)到1個(gè)PPM以下。對(duì)比手表中使用的32.768kHz、20個(gè)PPM高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這有什么卵用?

　　一、 為什么功率測(cè)量需要時(shí)鐘?

　　光伏逆變器、變頻器、UPS等各類電源的功率轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)高達(dá)98%，未來將進(jìn)入長(zhǎng)期而緩慢提升的階段，0.2%的效率差距足以影響客戶的選擇。功率測(cè)量是計(jì)算電源效率的基礎(chǔ)，下文為您一一解析高精度同步時(shí)鐘在功率測(cè)量中的作用。

　　根據(jù)交流電的使用場(chǎng)合，對(duì)其有效值計(jì)算可選用4種常用模式：真有效值、整流平均值、校準(zhǔn)平均值、基波有效值，保證電壓、電流測(cè)量的準(zhǔn)確性，然而，電壓、電流僅是功率測(cè)量基礎(chǔ)，不同通道間的同步誤差控制是功率測(cè)量的關(guān)鍵點(diǎn)。

　　根據(jù)有功功率計(jì)算公式：P=U*I*cosφ，在電源在高效率工作時(shí)φ非常接近0，在測(cè)量50Hz的信號(hào)是，假如電壓、電流通道存在1ms的同步誤差，計(jì)算得到cosφ ≈ 0.95，電壓、電流通道間1ms的延時(shí)引起的有功功率偏差竟然達(dá)到5%!

　　由此可見，保證電壓、電流通道同步性是準(zhǔn)確測(cè)量電功率的核心，而引起通道同步誤差的主要因素有：

　　1) 電壓、電流通道特征阻抗的差異，電流通道比電壓通道增加一個(gè)分流器，而分流器的特征阻抗會(huì)影響高頻信號(hào)的傳輸延時(shí)，限制儀器帶寬;

　　2) 三相交流電通過不同的功率板卡輸入，板卡之間存在同步誤差;

　　3) 同步采樣時(shí)鐘存在溫漂，影響電流、功率積分?jǐn)?shù)據(jù)的精度;

　　為了保證精確測(cè)量，PA6000功率分析儀采用全新的硬件架構(gòu)，從根源上保證了電壓、電流通道間的同步誤差達(dá)到業(yè)界最小的10ns。

　　電流通道分流器：普通采樣電阻具有較大雜散電感，PA6000采用開爾文無感分流器，雜散電感小于5nH，保證最佳的高頻性能以及極小的傳輸延時(shí)，保證電壓、電流通道間對(duì)信號(hào)傳送延時(shí)的一致性;

　　通道間100MHz的同步時(shí)鐘：傳統(tǒng)的功率分析儀采用1-10MHz的普通晶振作為同步時(shí)鐘，同步誤差達(dá)到1us，而且頻率穩(wěn)定性容易受晶振溫漂的影響。PA系列采用高穩(wěn)定度溫度補(bǔ)償?shù)?100M 同步時(shí)鐘，避免溫度變化帶來時(shí)鐘漂移所引入的測(cè)量誤差。同時(shí)保證任一個(gè)通道ADC的采樣相位同步，誤差在10ns以內(nèi)。

　　二、同步源又是什么?

　　對(duì)于直流電功率的測(cè)量，電壓、電流的數(shù)值比較穩(wěn)定，使用電壓表和電流表讀取的數(shù)字相乘即可得到功率。對(duì)于交流電，由于電壓、電流存在正負(fù)交變，其瞬時(shí)功率也隨之波動(dòng)。對(duì)于電功率的計(jì)算一般需要截取整周期的波形，以截取區(qū)間的平均功率來標(biāo)準(zhǔn)功率值。

　　同步源就是截取電壓、電流波形時(shí)參考的信號(hào)，根據(jù)同步源的過零點(diǎn)截取電壓電流波形。所以要求同步源具有明顯的過零點(diǎn)，頻率與被測(cè)信號(hào)相同。

　　對(duì)于逆變器、UPS源，一般選擇電壓為同步源，而逆變器測(cè)試一般選擇電流作為同步源。

　　依靠開爾文無感分流器、100MHz同步時(shí)鐘、10ns的同步誤差，PA6000為您提供高精度功率測(cè)試解決方案。