功率測量中的時鐘——同步源原理解析

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

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

　　手表中機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，經(jīng)過15分頻得到1Hz信號，每個周期驅(qū)動秒鐘走一下。晶振頻率的精度和穩(wěn)定性決定了手表走時的精確度。晶振最為重要的一個參數(shù)就是PPM，一個PPM等于百萬分之一。普通的石英表使用的晶振精度為20個PPM，最名貴的瑞士手表使用的晶振精度可以高達5個PPM。

　　在功率測量中，同樣需要一個時鐘，PA6000功率分析儀使用的恒溫晶振頻率為100MHz，而精度達到1個PPM以下。對比手表中使用的32.768kHz、20個PPM高出幾個數(shù)量級，這有什么卵用?

　　一、 為什么功率測量需要時鐘?

　　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98%，未來將進入長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。功率測量是計算電源效率的基礎(chǔ)，下文為您一一解析高精度同步時鐘在功率測量中的作用。

　　根據(jù)交流電的使用場合，對其有效值計算可選用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、電流測量的準(zhǔn)確性，然而，電壓、電流僅是功率測量基礎(chǔ)，不同通道間的同步誤差控制是功率測量的關(guān)鍵點。

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

　　由此可見，保證電壓、電流通道同步性是準(zhǔn)確測量電功率的核心，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分流器，而分流器的特征阻抗會影響高頻信號的傳輸延時，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，保證電壓、電流通道間對信號傳送延時的一致性;

　　通道間100MHz的同步時鐘：傳統(tǒng)的功率分析儀采用1-10MHz的普通晶振作為同步時鐘，同步誤差達到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)定度溫度補償?shù)?100M 同步時鐘，避免溫度變化帶來時鐘漂移所引入的測量誤差。同時保證任一個通道ADC的采樣相位同步，誤差在10ns以內(nèi)。

　　二、同步源又是什么?

　　對于直流電功率的測量，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。對于交流電，由于電壓、電流存在正負(fù)交變，其瞬時功率也隨之波動。對于電功率的計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、電流波形時參考的信號，根據(jù)同步源的過零點截取電壓電流波形。所以要求同步源具有明顯的過零點，頻率與被測信號相同。

　　對于逆變器、UPS源，一般選擇電壓為同步源，而逆變器測試一般選擇電流作為同步源。

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