高精度功率分析仪是如何炼成的？

三、功率分析仪的实现

功率分析仪的核心功能是能够准确的对输入信号进行采集，且各个通道间必须保证绝对的同步，因此功率分析仪的实现重点是在于如何保证采集部分的同步性和采样的高精度、稳定性。

3.1低温漂、低噪声的高速数据采集

功率分析仪的目标精度高达0.02%，高精度测量最难处理的两个问题是温漂和噪声。整个模拟前端的框图如图5所示，其中每个环节的温漂和噪声都会影响到最后的测量精度。

图5模拟前端框图

如果要保证测量精度，这必须保证每个环节的温漂和噪声很低，或者能实现各环节间的补偿处理。

对于温漂问题，首先温漂是必然存在的，所有的模拟器件都存在温度系数，随着温漂变化其参数会发生变化，同时由于我们无法保证仪器工作在恒温环境，所有必须考虑处理温漂问题。解决温漂问题首先是元器件选型方面必须需要考虑选型一些温漂小的器件，电路设计上考虑进行温漂补偿，添加补偿电路将温漂降低，避免相关放大电路出现饱和问题，然后设计自校准电路，测量时实时校准各环节的温漂，将偏置的温漂影响降到最低，然后是元器件匹配和布局问题，处理增益补偿电路，将增益误差影响降到最低，同时将ADC的转换参考电压和模拟前端调理参考电压使用同一组电压，解决参考电压温漂产生的影响，另外采用16位分辨率的ADC进行高速采集。

对于噪声问题，要考虑电路内部的噪声和外部的噪声，内部噪声的处理需要考虑原理设计方面的问题，外部噪声问题需要考虑电路板布局和屏蔽问题。电路设计上面，需要考虑处理电阻热噪声、运放噪声问题，电路布局方面需要考虑将容易受到干扰的环节进行特殊处理。然后设计合理的滤波器，将一些噪声滤除。另外必须考虑屏蔽壳的设计，将外部的噪声干扰降低。

3.2高精度同步采样

功率分析仪和示波器、万用表的最大区别就是能同时分析电压和电流信号，从而实现对功率信号的分析，如果要实现对功率的准确分析，则必须准确测量电压和电流信号，并且需要同时实现对电压和电流信号的采样，电压和电流信号经过ADC数字化过程中每一个采样点都必须发生在同一时刻，否则就无法实现同步测量。为了实现严格的同步测量，在功率分析仪内部，采用了业界最高的同步时钟，高稳定性温度补偿的100MHz同步时钟，避免温度变化带了的时钟漂移所引入的误差，严格保证ADC对各通道电压和电流的同步测量，从而保证了功率测量的精度。

100MHz的同步时钟引起的最大误差为10ns，对于50Hz的工频信号来说周期为20ms，所以10ns的时钟误差引起的相位测量误差为

如果同步时钟为10MHz则相位角误差就会到0.0018°。

为了讨论方便假设被测的电压和电流都是标准正弦信号，那么功率运算公式为

其中φ为不同步引起的相位角误差，所以可以看到功率测量的精度会受到相位角的直接影响。

当电压和电流的相位角较小时，即功率因数较大时，0.0.018°的相位误差对测量精度影响很小，但是在极低功率因数情况下0.00018°的相位误差带来的功率误差是就比较明显，误差对比如下表所示，如果同步时钟频率降低，则测量误差就会成倍增大，这也是目前业界功率测量设备无法实现在极低功率因数情况下精确测量的主要原因。
 

表1 100MHz同步时钟引起的测量误差

表2 10MHz同步时钟引起的测量误差