專利名稱：信號采樣裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)或其他需進(jìn)行信號采樣處理的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種信號采樣裝置和方法。
背景技術(shù)：
在電力系統(tǒng)中，電力繼電保護(hù)設(shè)備的最大保護(hù)電流至少為被保護(hù)設(shè)備額定電流的20倍，實際電力系統(tǒng)中輸入電力繼電保護(hù)設(shè)備的采樣信號電流可能在0-20倍的范圍內(nèi)變化。電力繼電保護(hù)設(shè)備通常根據(jù)采樣信號計算電路中的工作電流，并根據(jù)計算結(jié)果確定是否進(jìn)行繼電保護(hù)?？梢姡蓸有盘柕恼鎸嵭詫⒅苯佑绊懤^電保護(hù)的計算結(jié)果；如果采樣信號失真，將導(dǎo)致電力繼電保護(hù)設(shè)備誤動或拒動，因此，對采樣信號的處理就顯得的尤為重要。衡量采樣信號真實性的重要指標(biāo)之一是信噪比。如果輸入電力繼電保護(hù)產(chǎn)品的 原始信號為大信號，則該原始信號的信噪比較大，采樣信號的真實性較好，信號的采樣精度較高；反之，如果輸入電力繼電保護(hù)產(chǎn)品的原始信號為小信號，則該原始信號的信噪比較小，采樣信號的真實性較差。當(dāng)輸入電力繼電保護(hù)產(chǎn)品的原始信號為小信號時，現(xiàn)有技術(shù)通常采用軟件算法濾除原始信號中的噪聲，但采樣軟件算法濾除噪聲的同時也濾除了有用信號，降低了小信號輸入時信號的采樣精度。通過上述分析可知，現(xiàn)有技術(shù)雖然能較好保證大信號的采樣精度，但小信號采樣精度較差，從而無法在較寬的量程范圍提高信號的采樣精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種信號采樣裝置和方法，用以在較寬的量程范圍提高信號的采樣精度。本發(fā)明提供了一種信號采樣裝置，包括中央處理單元、以及分別與所述中央處理單元連接的輸入接口模塊和輸出接口模塊；所述輸入接口模塊包括第一信號輸入電路和第二信號輸入電路，所述第一信號輸入電路用于向所述中央處理單元輸入原始信號，所述第二信號輸入電路用于放大所述原始信號、并向所述中央處理單元輸入放大信號；所述中央處理單元用于對所述原始信號和所述放大信號分別進(jìn)行采樣處理，在所述原始信號的電流值大于預(yù)設(shè)門限值時，通過所述輸出接口模塊輸出所述原始信號的采樣結(jié)果，否則，通過所述輸出接口模塊輸出所述放大信號的采樣結(jié)果。本發(fā)明還提供了一種信號采樣方法，包括分別向第一信號輸入電路和第二信號輸入電路輸入原始信號；所述第一信號輸入電路向中央處理單元輸入所述原始信號；所述第二信號輸入電路對所述原始信號經(jīng)放大處理、并向所述中央處理單元輸入放大信號；
所述中央處理單元對所述原始信號和所述放大信號分別進(jìn)行采樣處理，在所述原始信號的電流值大于預(yù)設(shè)門限值時，通過輸出接口模塊輸出所述原始信號的采樣結(jié)果，否則，通過所述輸出接口模塊輸出所述放大信號的采樣結(jié)果。本發(fā)明提供的信號采樣裝置和方法，將待處理的原始信號分兩路，即第一信號輸入電路和第二信號輸入電路進(jìn)入中央處理單元，其中第二信號輸入電路對原始信號進(jìn)行放大處理。中央處理單元對兩路輸入信號，即原始信號和放大信號分別進(jìn)行采樣處理，并根據(jù)原始信號電流值的強(qiáng)度，選擇輸出原始信號或放大信號的采樣結(jié)果。本發(fā)明在原始信號為大信號或小信號時，都能較好地保證采樣信號的真實性，即在較寬的量程范圍提高了信號的采樣精度。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明一實施例提供的信號采樣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明另一實施例提供的第二信號輸入電路的電路圖；圖3為本發(fā)明另一實施例提供的信號采樣方法的流程圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明將電流值大于預(yù)設(shè)門限值的原始信號稱為“大信號”，將電流值小于或等于預(yù)設(shè)門限值的原始信號稱為“小信號”。例如假設(shè)電力系統(tǒng)中，部分電力繼電保護(hù)設(shè)備二次側(cè)的最大保護(hù)電流為100A，則在實際應(yīng)用過程中可將最大保護(hù)電流的1/20，即5A預(yù)設(shè)為門限值。當(dāng)輸入中央處理單元(CentralProcessing Unit,簡稱CPU)的原始信號的電流值大于5A時，該原始信號即為大信號；當(dāng)輸入中央處理單元的原始信號的電流值小于或等于5A時，該原始信號即為小信號。需要說明的是，并非所有電力繼電保護(hù)設(shè)備二次側(cè)的最大保護(hù)電流均為100A，這里僅為示例進(jìn)行說明，不應(yīng)理解為本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)的限制。圖I為本發(fā)明一實施例提供的信號采樣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，本實施例提供的信號采樣裝置包括輸入接口模塊I、中央處理單元2和輸出接口模塊3，輸入接口模塊I和輸出接口模塊3分別與中央處理單元2連接。其中，輸入接口模塊I包括第一信號輸入電路11和第二信號輸入電路12。當(dāng)信號米樣裝置處于工作狀態(tài)時，第一信號輸入電路11的輸入端和第二信號輸入電路12的輸入端分別輸入原始信號。其中，第一信號輸入電路11的輸出端向中央處理單兀2輸入原始信號；第二信號輸入電路12對其輸入端輸入的原始信號進(jìn)行放大處理得到放大信號，通過其輸出端向中央處理單兀2輸出放大信號。
中央處理單元2用于接收第一信號輸入電路11輸入的原始信號、以及第二信號輸入電路12輸入的放大信號，對這兩個電路分別輸入的原始信號和放大信號分別進(jìn)行采樣處理；當(dāng)中央處理單元判斷出原始信號的電流值大于預(yù)設(shè)門限值時，通過輸出接口模塊3輸出原始信號的采樣結(jié)果，否則，通過輸出接口模塊3輸出放大信號的采樣結(jié)果。具體的，中央處理單元2首先判斷第一信號輸入電路11輸入的原始信號的電流值是否大于預(yù)設(shè)門限值，如果原始信號的電流值大于預(yù)設(shè)門限值，說明原始信號為大信號，中央處理單元2通過輸出接口模塊3輸出原始信號的采樣結(jié)果。如果原始信號的電流值小于或等于預(yù)設(shè)門限值，說明原始信號為小信號，中央處理單元確定放大信號的采樣結(jié)果更接近真實值，通過輸出接口模塊3輸出放大信號的采樣結(jié)果。輸出接口模塊3用于向外部設(shè)備，如電力繼電保護(hù)設(shè)備輸出原始信號的采樣結(jié)果或放大信號的采樣結(jié)果，以供外部設(shè)備，如電力繼電保護(hù)設(shè)備根據(jù)采樣結(jié)果動作。接下來對本發(fā)明可在較寬的量程范圍提高信號采樣精度的實現(xiàn)機(jī)理分析如下 本發(fā)明將待處理的原始信號分兩路輸入中央處理單元，一路為原始信號，另一路為原始信號的放大信號。中央處理單元根據(jù)原始信號的電流值判斷原始信號為大信號或小信號，并根據(jù)判斷結(jié)果選擇輸出原始信號的采樣結(jié)果或放大信號的采樣結(jié)果。當(dāng)原始信號中的有用信號為大信號時，信噪比較高且原始信號的采樣結(jié)果和放大信號的采樣結(jié)果基本相同。而原始信號沒有經(jīng)過放大處理，其值更接近于真實值，因此中央處理單元選擇輸出原始信號的采樣結(jié)果，有利于保證信號的采樣精度。當(dāng)原始信號中的有用信號為小信號時，信噪比較低，原始信號的采樣結(jié)果失真度較大，如果此時中央處理單元選擇輸出原始信號的采樣結(jié)果，可能影響外部設(shè)備正常動作，如導(dǎo)致電力繼電保護(hù)設(shè)備誤動或拒動；而放大信號是對原始信號的補(bǔ)償輸入信號，因而提高了信噪比，中央處理單元選擇輸出放大信號的采樣結(jié)果可提高采樣精度，有利于外部設(shè)備如電力繼電保護(hù)設(shè)備的正常動作。因此，本實施例中央處理單元根據(jù)原始信號的電流強(qiáng)度，選擇輸出原始信號或放大信號的采樣結(jié)果，即當(dāng)原始信號為大信號時選擇輸出原始信號的采樣結(jié)果，當(dāng)原始信號為小信號時選擇輸出放大信號的采樣結(jié)果，從而使得信號采樣裝置在較寬的量程范圍，如0-100A的范圍提高了信號采樣的精度。通過上述分析可知，本實施例提供的信號采樣裝置將待處理的原始信號分兩路，即第一信號輸入電路和第二信號輸入電路進(jìn)入中央處理單元，其中第二信號輸入電路對原始信號進(jìn)行放大處理。中央處理單元對兩路輸入信號，即原始信號和放大信號分別進(jìn)行采樣處理，并根據(jù)原始信號電流值的強(qiáng)度，選擇輸出原始信號或放大信號的采樣結(jié)果，從而在原始信號為大信號或小信號時，都能較好地保證采樣信號的真實性，即在較寬的量程范圍提高了信號的采樣精度。 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，可選的，第二信號輸入電路可包括信號放大電路和鉗位電路。信號放大電路用于放大其輸入端輸入的原始信號，其輸出端經(jīng)鉗位電路向中央處理單元輸出放大信號。鉗位電路與信號放大電路的輸出端連接，用于將信號放大電路向中央處理單元輸出的放大信號的電壓值，限制在預(yù)設(shè)范圍。圖2為本發(fā)明另一實施例提供的第二信號輸入電路的電路圖。在圖2所示的電路圖中，信號放大電路具體為正相放大電路，鉗位電路具體為二極管鉗位電路。其中，正相放大電路包括運(yùn)算放大器21，運(yùn)算放大器21的正相輸入端輸入原始信號，其反相輸入端經(jīng)第一電阻22與第二電阻23的并聯(lián)點(diǎn)接地(AGND)，其輸出端通過第二電阻22和第三電阻24的并聯(lián)點(diǎn)、并經(jīng)鉗位電路與中央處理單元(圖中未示出)連接。在該正相放大電路中，運(yùn)算放大器的具體型號可根據(jù)實際需要選擇，其輸入的原始信號的放大倍數(shù)等于第二電阻23和第一電阻22的阻值比。二極管鉗位電路包括反向并聯(lián)的兩個二極管，即反向并聯(lián)的第一二極管25和第二二極管26。第一二極管25的輸入端接地，第二二極管26的輸出端接直流高電平AD_DC。在該二極管鉗位電路，可將正相放大電路的輸出電壓限制在0—AD_DC之間，例如假設(shè)直流高電平AD_DC的電壓為3V，則二極管鉗位電路將正相放大電路的輸出電壓限制在0-3V，即鉗位電壓范圍為0-3V。如此處理的好處在于，可根據(jù)中央處理單元的承載能力設(shè)計二極管鉗位電路的鉗位電壓范圍，有效避免因正相放大電路的輸出電壓超出中央處理單元的承載能力而損壞中央處理單元。本實施例提供的第二信號輸入電路，通過調(diào)整第一電阻和第二電阻的阻值比，可靈活控制原始信號的放大倍率；通過調(diào)整二極管鉗位電路的鉗位電壓范圍，可有效避免正相放大電路的輸出電壓超出中央處理單元的承載能力，從而保護(hù)中央處理單元?？梢?，本實 施例提供的第二信號輸入電路的具有電路結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解上述技術(shù)方案中，正相放大電路僅為信號放大電路的一種實施方式，二極管鉗位電路僅為鉗位電路的一種實施方式；其他形態(tài)的放大電路，如反相放大電路也可應(yīng)用到信號采樣裝置中實現(xiàn)原始信號的放大功能；其他形態(tài)的鉗位電路也可應(yīng)用到信號采樣裝置中實現(xiàn)限制信號放大電路輸出電壓的功能；在此不再贅述。圖3為本發(fā)明另一實施例提供的信號采樣方法的流程圖。本實施例信號采樣方法的實施主體可為圖I所示的信號采樣裝置。具體的，如圖I和圖3所示，本實施例信號采樣方法包括步驟31 :分別向第一信號輸入電路和第二信號輸入電路輸入原始信號。本步驟將待采樣處理的原始信號分兩路輸入，即分別向第一信號輸入電路的輸入端、以及第二信號輸入電路的輸出端分別輸入原始信號。步驟32 :第一信號輸入電路向中央處理單元輸入原始信號。第一信號輸入電路的輸出端與中央處理單元連接，向中央處理單元輸入原始信號。步驟33 :第二信號輸入電路對原始信號經(jīng)放大處理、并向中央處理單元輸入放大信號。第二信號輸入電路的具體結(jié)構(gòu)不受限制，如可包括信號放大電路和鉗位電路。該情形下，本步驟由信號放大電路放大其輸入端輸入的原始信號，其輸出端經(jīng)鉗位電路向所述中央處理單元輸出放大信號；而鉗位電路將信號放大電路向中央處理單元輸出的放大信號的電壓值，限制在預(yù)設(shè)范圍，從而避免信號放大電路的輸出電壓超出中央處理單元的承載能力，有利于保護(hù)中央處理單元。可選的，第二信號輸入電路可采用如圖2所示的電路結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)原始信號放大以及放大信號的電壓鉗位的實現(xiàn)機(jī)理，可參見上文圖2對應(yīng)實施例的文字記載，在此不再贅述。上述步驟32和步驟33沒有時序關(guān)系的限制，如步驟32和步驟33可同步執(zhí)行等。步驟34 :中央處理單元對原始信號和放大信號分別進(jìn)行采樣處理。
本步驟對信號的采樣處理算法不受限制。實踐經(jīng)驗表明，如果原始信號的電流值大于預(yù)設(shè)門限值，即原始信號為大信號的情形下，采用同一方法對原始信號和放大信號進(jìn)行采樣處理得到的采樣結(jié)果基本相同；如果原始信號的電流值小于或等于預(yù)設(shè)門限值，即原始信號為小信號的情形下，采用同一方法對原始信號和放大信號進(jìn)行采樣處理得到的采樣結(jié)果差異較大。中央處理單元對第一信號輸入電路輸入的原始信號、以及第二信號輸入電路輸入的放大信號分別進(jìn)行采樣處理。步驟35 :中央處理單元判斷第一信號輸入電路輸入的原始信號的電流值是否大于預(yù)設(shè)門限值，如果是，則執(zhí)行步驟36 ;否則，執(zhí)行步驟37。電力系統(tǒng)中，部分電力繼電保護(hù)設(shè)備的最大保護(hù)電流為100A，在實際應(yīng)用過程中可將最大保護(hù)電流的1/20，即5A預(yù)設(shè)為門限值。中央處理單元確定第一信號輸入電路輸入的原始信號的電流值，并判斷該電流值是否大于預(yù)設(shè)門限值，如判斷該電流值是否大于5A，并根據(jù)判斷結(jié)果選擇輸出原始信號的采樣結(jié)果或輸出放大信號的采樣結(jié)果。
步驟36 :中央處理單元通過輸出接口模塊輸出原始信號的采樣結(jié)果，輸出接口模塊向外部設(shè)備輸出原始信號的采樣結(jié)果；結(jié)束本流程。如果中央處理單元確定出原始信號的電流值大于預(yù)設(shè)門限值，如原始信號的電流值大于5A，則說明原始信號為大信號，中央處理單元將第一信號輸入電路輸入的原始信號作為有用信號，通過輸出接口模塊向外部設(shè)備，如外部電力繼電保護(hù)設(shè)備輸出原始信號的采樣結(jié)果。步驟37 :中央處理單元通過輸出接口模塊輸出放大信號的采樣結(jié)果，輸出接口模塊向外部設(shè)備輸出原始信號的采樣結(jié)果；結(jié)束本流程。如果中央處理單元確定出原始信號的電流值小于或等于預(yù)設(shè)門限值，如原始信號的電流值小于或等于5A，則說明原始信號為小信號，中央處理單元將第二信號輸入電路輸入的放大信號作為有用信號，通過輸出接口模塊向外部設(shè)備，如外部電力繼電保護(hù)設(shè)備輸出原始信號的采樣結(jié)果。本實施例提供的信號采樣方法將待處理的原始信號分兩路，即第一信號輸入電路和第二信號輸入電路進(jìn)入中央處理單元，其中第二信號輸入電路對原始信號進(jìn)行放大處理。中央處理單元對兩路輸入信號，即原始信號和放大信號分別進(jìn)行采樣處理，并根據(jù)原始信號電流值的強(qiáng)度，選擇輸出原始信號或放大信號的采樣結(jié)果，即當(dāng)原始信號為大信號時選擇輸出原始信號的采樣結(jié)果，當(dāng)原始信號為小信號時選擇輸出放大信號的采樣結(jié)果，從而保證了無論原始信號為大信號還是小信號，都能較好地保證采樣信號的真實性，即在較寬的量程范圍提高了信號的采樣精度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解本實施例上述流程僅為一次原始信號的采樣處理流程的示例，在實際應(yīng)用過程中，可通過反復(fù)執(zhí)行上述流程以實現(xiàn)信號的連續(xù)采樣。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括R0M、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換； 而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種信號采樣裝置，其特征在于，包括 中央處理單元、以及分別與所述中央處理單元連接的輸入接口模塊和輸出接口模塊； 所述輸入接口模塊包括第一信號輸入電路和第二信號輸入電路，所述第一信號輸入電路用于向所述中央處理單元輸入原始信號，所述第二信號輸入電路用于放大所述原始信號、并向所述中央處理單兀輸入放大信號； 所述中央處理單元用于對所述原始信號和所述放大信號分別進(jìn)行采樣處理，在所述原始信號的電流值大于預(yù)設(shè)門限值時，通過所述輸出接口模塊輸出所述原始信號的采樣結(jié)果，否則，通過所述輸出接口模塊輸出所述放大信號的采樣結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于， 所述第二信號輸入電路包括信號放大電路和鉗位電路； 所述信號放大電路用于放大其輸入端輸入的所述原始信號，其輸出端經(jīng)所述鉗位電路向所述中央處理單元輸出所述放大信號； 所述鉗位電路與所述信號放大電路的輸出端連接，用于將所述信號放大電路向所述中央處理單元輸出的所述放大信號的電壓值，限制在預(yù)設(shè)范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述信號放大電路為正相放大電路或反相放大電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述正相放大電路包括運(yùn)算放大器；所述運(yùn)算放大器的正相輸入端輸入所述原始信號，其反相輸入端經(jīng)第一電阻與第二電阻的并聯(lián)點(diǎn)接地，其輸出端通過第二電阻和第三電阻的并聯(lián)點(diǎn)、并經(jīng)所述鉗位電路與所述中央處理單元連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述鉗位電路包括反向并聯(lián)的兩個二極管，所述兩個二極管的并聯(lián)點(diǎn)與所述第三電阻連接。
6.一種信號采樣方法，其特征在于，包括 分別向第一信號輸入電路和第二信號輸入電路輸入原始信號； 所述第一信號輸入電路向中央處理單元輸入所述原始信號； 所述第二信號輸入電路對所述原始信號經(jīng)放大處理、并向所述中央處理單元輸入放大信號; 所述中央處理單元對所述原始信號和所述放大信號分別進(jìn)行采樣處理，在所述原始信號的電流值大于預(yù)設(shè)門限值時，通過輸出接口模塊輸出所述原始信號的采樣結(jié)果，否則，通過所述輸出接口模塊輸出所述放大信號的采樣結(jié)果。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于， 所述第二信號輸入電路包括信號放大電路和鉗位電路； 所述第二信號輸入電路對所述原始信號經(jīng)放大處理、并向所述中央處理單元輸入放大信號，包括 所述信號放大電路放大其輸入端輸入的所述原始信號，其輸出端經(jīng)所述鉗位電路向所述中央處理單元輸出所述放大信號； 所述鉗位電路將所述信號放大電路向所述中央處理單元輸出的所述放大信號的電壓值，限制在預(yù)設(shè)范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種信號采樣裝置和方法，其中信號采樣裝置包括中央處理單元、以及分別與中央處理單元連接的輸入接口模塊和輸出接口模塊；輸入接口模塊包括第一信號輸入電路和第二信號輸入電路，第一信號輸入電路用于向中央處理單元輸入原始信號，第二信號輸入電路用于放大原始信號、并向中央處理單元輸入放大信號；中央處理單元用于對原始信號和放大信號分別進(jìn)行采樣處理，在原始信號的電流值大于預(yù)設(shè)門限值時，通過輸出接口模塊輸出原始信號的采樣結(jié)果，否則，通過輸出接口模塊輸出放大信號的采樣結(jié)果。本發(fā)明在原始信號為大信號或小信號時，都能較好地保證采樣信號的真實性，即在較寬的量程范圍提高了信號的采樣精度。
文檔編號G01R19/00GK102749489SQ20111009923
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者常紅旗, 房印, 蔣玉紅, 高龍集 申請人:北京德威特繼保自動化科技股份有限公司