一种标准电能表模数转换采样方法发明专利

专利名称：一种标准电能表模数转换采样方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410901858.9

专利申请（专利权）人：河南许继仪表有限公司,许继电气股份有限公司
权利人地址：河南省许昌市城乡一体化示范区魏武大道以东尚集街以南许继智能电网产业园内

专利发明（设计）人：发明人:李龙龙,郭上华,都正周,张志颖,刘永光,贾海亮,张晓荣,王占通,王佳豪,于鹏鹏

专利摘要：本发明属于电能计量领域，具体涉及一种标准电能表模数转换采样方法。本发明利用至少两片模数转换芯片对同一模拟信号并行采样，对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果，根据数学期望结果得到该模拟信号对应的数字信号。本发明可以实现多芯片的并行采样，保障了足够的样本量，并将各样本进行均值计算处理来得到最终的采样结果(即数字信号)，即可有效减少采样数据随机误差，提高采样数据的准确性。即本发明可有效减小当前国产化模数转换芯片噪声干扰大、分辨率不高的问题带来的采样误差，从而减少随机误差和噪声干扰，提高分辨率以及采样获取的数字信号的准确性。

主权利要求：
1.一种标准电能表模数转换采样方法，其特征在于，利用至少两片模数转换芯片对同一模拟信号并行采样，对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果，根据数学期望结果得到该模拟信号对应的数字信号。
2.根据权利要求1所述的标准电能表模数转换采样方法，其特征在于，对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果的方式包括：对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据清洗处理，以消除噪声和采样异常值，再对数据清洗处理后的数据进行均值计算，得到数学期望结果。
3.根据权利要求1或2所述的标准电能表模数转换采样方法，其特征在于，进行并行采样的模数转换芯片中，全部或部分的模数转换芯片设置有2个以上的用于对模拟信号进行采样的采样通道。
4.根据权利要求3所述的标准电能表模数转换采样方法，其特征在于，通过DSP芯片对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，并得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果。
5.根据权利要求4所述的标准电能表模数转换采样方法，其特征在于，所述模数转换芯片每完成一个采样通道的数据采样，就生成对应的反馈信号以提示DSP芯片读取该采样通道获取的采样数据；所有采样通道获取的采样数据读取完成后，开始对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理。 说明书 : 一种标准电能表模数转换采样方法技术领域[0001] 本发明属于电能计量领域，涉及一种标准电能表模数转换采样方法。背景技术[0002] 现有技术中，基于高采样精度的电能计量设备，如0.01级标准电能表等产品主要应用场景为电能计量校准、实验室计量基准等电能计量领域的高精度检测装置、量值溯源。目前国内常用0.01级标准电能表产品依赖进口，例如国外某些品牌电能表，近几年国内也有开发的0.01级标准电能表产品，但对比国外进口的0.01级标准表，虽然其精度能满足0.01级计量要求，但国产0.01级标准电能表长期稳定性不高(年稳定性指标)和受温度影响变差较大(温度系数指标)，且内部的关键器件如运算放大器以及模数转换芯片均选用的是国外器件。[0003] 为推动重大电力装备关键核心技术尽快取得突破，支撑国产化基于高采样精度的电能计量设备实现，现有技术选用国产模数转换芯片(模数转换芯片可简称为“ADC芯片”)。但是国内ADC芯片通常存在噪声干扰大、分辨率不高的问题，导致难以支撑基于高采样精度的电能计量设备的技术指标要求。发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种标准电能表模数转换采样方法，以解决现有的采样技术噪声干扰大、分辨率不高的问题。[0005] 为实现上述目的，利用至少两片模数转换芯片对同一模拟信号并行采样，对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果，根据数学期望结果得到该模拟信号对应的数字信号。[0006] 进一步地，对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果的方式包括：[0007] 对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据清洗处理，以消除噪声和采样异常值，再对数据清洗处理后的数据进行均值计算，得到数学期望结果。[0008] 进一步地，进行并行采样的模数转换芯片中，全部或部分的模数转换芯片设置有2个以上的用于对模拟信号进行采样的采样通道。[0009] 进一步地，通过DSP芯片对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，并得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果。[0010] 进一步地，所述模数转换芯片每完成一个采样通道的数据采样，就生成对应的反馈信号以提示DSP芯片读取该采样通道获取的采样数据；所有采样通道获取的采样数据读取完成后，开始对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理。[0011] 有益效果：作为开拓型发明，与现有技术相比，本发明通过利用至少两片模数转换芯片对同一模拟信号同时并行采样，并对所有模数转换芯片的采样数据进行数据处理的方式得到被采样模拟信号对应的模数转换采样的数字信号。由于本发明可以实现多芯片的并行采样，保障了足够的样本量，并将各样本进行均值计算来得到最终的采样结果(即数字信号)，因此可以有效减少采样数据随机误差，提高了采样数据的准确性。基于以上优势，本发明能够有效减小当前国产化模数转换芯片噪声干扰大、分辨率不高的问题带来的采样误差，从而减少随机误差和噪声干扰，提高分辨率以及采样获取的数字信号的准确性，从而达到支撑基于高采样精度的电能计量设备的(例如0.01级标准电能表等)技术指标要求的效果。附图说明[0012] 图1为本发明的标准电能表模数转换采样方法实施例中用于实现标准电能表模数转换采样方法的模数转换模组的示例图；[0013] 图2为本发明的标准电能表模数转换采样方法实施例中的单个单通道模数转换芯片得到的采样数据与采用本发明的标准电能表模数转换采样方法得到的采样数据的数学期望结果的波形对比示例图；[0014] 图3为本发明的标准电能表模数转换采样方法实施例中采用本发明的标准电能表模数转换采样方法得到的采样数据的数学期望结果的波形局部放大示意图。具体实施方式[0015] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。[0016] 标准电能表模数转换采样方法实施例[0017] 本实施例给出了一种标准电能表模数转换采样方法的技术方案，该方法利用至少两片模数转换芯片对同一模拟信号并行采样，对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果，根据数学期望结果得到该模拟信号对应的数字信号。具体地，针对多个采样数据计算数学期望的方法属于现有技术，此处不再赘述。[0018] 由此可以有效实现多个芯片的同时并行采样，既能保障样本量充足，又能通过均值计算对初步采样数据进行处理，得到最终的采样结果(即最后得到的数字信号)，因此可以有效减少采样的随机误差和噪声干扰，提高分辨率以及采样获取的数字信号的准确性。本实施例中，对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果的方式包括：对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据清洗处理，以消除噪声和采样异常值，再对数据清洗处理后的数据进行均值计算，得到数学期望结果。[0019] 具体地，本实施例通过采用DSP芯片(DigitalSignalProcessing，即数字信号处理芯片)对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理，并得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果；模数转换芯片每完成一个采样通道的数据采样，就生成对应的反馈信号以提示DSP芯片读取该采样通道获取的采样数据；所有采样通道获取的采样数据读取完成后，开始对各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据进行数据处理。[0020] 如图1所示，即为能够实现本实施例上述的标准电能表模数转换采样方法的模数转换模组，该模组由采样模块和数据处理模块组成，模组内部采样模块和数据处理模块通过SPI总线进行通信，模组预留有SPI通信接口，通过接口与外部器件或模组进行通信。[0021] 进行并行采样的模数转换芯片中，全部或部分的模数转换芯片设置有2个以上的用于对模拟信号进行采样的采样通道；由此，即可在2个以上芯片并行采样的基础上进一步提升采样数据的样本量，以确保采样的噪声误差和随机干扰降到更低，以大幅度提升数据的准确性。例如，采样模块包含四片8通道模数转换芯片及其外围电路，具备各个模数转换芯片同时对同一模拟信号进行并行采样，总共对该信号进行32通道采样的能力。得到的各个通道的采样信号即用于生成该被采样的模拟信号对应的数字信号。数据处理模块由专用高速数据处理芯片(即DSP芯片，也可称为数据处理芯片、高速DSP芯片等)及外围电路组成，用于处理采样模块32通道采样得到的采样数据(即各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据)，以得到各个模数转换芯片并行采样获取的采样数据的数学期望结果，并根据数学期望结果得到该模拟信号对应的数字信号。[0022] 实际上，本实施例的标准电能表模数转换采样方法主要分三个阶段：参数配置阶段、模拟信号采样阶段、采样信号处理阶段，以通过四片模数转换芯片对同一模拟信号进行32通道采样的方式为例，每个阶段的具体实施步骤具体如下：[0023] (1)参数配置阶段：模组上电后，数据处理芯片初始化完成后对四片模数转换芯片进行采样参数配置，包括芯片工作模式参数、时钟频率参数、基准电压参数、输入信号工作模式参数、采样通道数等参数设置，例如本实施例中各个模数转换芯片的工作模式参数均设置为高速模式，时钟频率参数设置为32.768MHz，基准电压参数设置为5V，输入信号工作模式参数设置为差分成分信号，采样通道数设置为8通道。[0024] (2)模拟信号采样阶段：各个模数转换芯片参数配置完成后，数据处理芯片会向四个模数转换芯片发送数据采样使能指令，各个模数转换芯片即刻开始对模拟信号通过自身的8个采样通道进行数据采样，对于每个模数转换芯片来说，8个采样通道的数据采样顺序执行，四个模数转换芯片同时并行采样，本发明中各个模数转换芯片均被配置256倍过采样，采样结果支持16位分辨率。[0025] (3)采样信号处理阶段：每个模数转换芯片每完成一个数据采样，立即生成一个信号来通知数据处理芯片，此时数据处理芯片会通过SPI通道读取相应的模数转换芯片采样数据，四个模数转换芯片数据读取完成后，数据处理芯片会首先对获取的数据进行数据清洗，消除噪声或采样异常值，继而会利用多源数据集成技术将四个模数转换芯片一共32个采样通道的采样数据合并成一个统一的数据集，进而对四个模数转换芯片的采样数据进行均值计算，减少随机误差，提高数据的准确性，完成均值计算得到数学期望结果后，即通知外部计量模组读取计算后的采样数据。[0026] 具体地，单个单通道模数转换芯片得到的采样数据与采用本实施例的标准电能表模数转换采样方法得到的采样数据的数学期望结果(即上述的4个均设置了8个采样通道的模数转换芯片的共32通道的采样数据的数学期望结果)的波形对比如图2所示，图2中颜色较浅的波形为该模数转换模组中的某个模数转换芯片设置为单通道的情况下的采样测试结果，颜色较深的波形为该模数转换模组的4个均设置了8个采样通道的模数转换芯片的共32通道的采样数据的数学期望结果，图2和图3中横轴坐标为采样点数n，单位为个，纵轴坐标单位为ADC输出信号电压值，单位为μV；则如图2和图3所示，本实施例中模数转换模组的信噪比达到108dB(ADC模组噪声为±32μV，ADC信号测量范围为±8000000μV，可推算出信噪比约为108dB)，从信噪比与采样有效位数的关系推算，本发明模数转换模组采样有效位数可达18位。[0027] 在其他实施例中，每个模数转换芯片的采样通道数均可设置为1，2，4，8，16，18，24，……36等任意通道数，因此本实施例的标准电能表模数转换采样方法中采样通道范围较大，可选择性较多，可适用于多种不同的采样场景。

专利地区：河南

专利申请日期：2024-07-05

专利公开日期：2024-10-08

专利公告号：CN118748556A