專利名稱：用于高壓試樣擊穿電壓的數(shù)字測(cè)量的系統(tǒng)的制作方法
相關(guān)主題公開(kāi)和主張?jiān)贒r.Timothy James Fawcett等、提出于1998年6月10日、和標(biāo)題為“使用數(shù)字峰值檢測(cè)來(lái)測(cè)量部分放電的系統(tǒng)(System For Measuring Partial Discharge Using Digital PeakDetection)”的共同待決美國(guó)專利申請(qǐng)(代理人文件36153)中；和在Dr.Timothy James Fawcett等、提出于1998年6月10日、和標(biāo)題為“用于在高壓系統(tǒng)中的峰值電壓和RMS電壓的同時(shí)數(shù)字測(cè)量的系統(tǒng)(System For Concurrent Digital Measurement Of Peak Voltage AndRMS Voltage In High Voltage System)”的共同待決美國(guó)專利申請(qǐng)(代理人文件36154)中；兩個(gè)所述申請(qǐng)通過(guò)參考特意包括在這里。
本發(fā)明涉及一種用來(lái)測(cè)量擊穿電壓的系統(tǒng)。
在擊穿電壓測(cè)量系統(tǒng)中，考慮信號(hào)中脈沖的高度。放大一般在測(cè)量脈沖之前進(jìn)行。例如，一個(gè)限帶放大器一般用來(lái)增大脈沖的數(shù)值。然后使用模擬峰值檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量脈沖高度。參照

圖1，一個(gè)模擬峰值檢測(cè)器2使用補(bǔ)償器4經(jīng)二極管8對(duì)電容器6充電。只要在電容器6上的電壓小于脈沖的電壓，電容器6就由補(bǔ)償器4充電。一旦在電容器6上的電壓超過(guò)脈沖的電壓，就停止充電。模擬峰值檢測(cè)器2在這時(shí)的輸出電壓等于已經(jīng)出現(xiàn)在輸入3上的最高電壓。當(dāng)數(shù)據(jù)探測(cè)系統(tǒng)用來(lái)檢測(cè)和測(cè)量各個(gè)脈沖時(shí)，在測(cè)量脈沖之后必須通過(guò)放電電容器6復(fù)位檢測(cè)器2，以便為下個(gè)脈沖作準(zhǔn)備。
難以把這種類型的模擬峰值檢測(cè)器配置成準(zhǔn)確的。模擬峰值檢測(cè)器取決于一個(gè)非線性反饋環(huán)路，該環(huán)路非常牢固地取決于峰值檢測(cè)系統(tǒng)的特性。峰值檢測(cè)系統(tǒng)附近特別是通過(guò)補(bǔ)償器4和一個(gè)輸出緩存器的延遲，引起模擬峰值檢測(cè)器的輸出電壓相對(duì)輸入部分滯后，導(dǎo)致輸出的超調(diào)。該超調(diào)的數(shù)值一般相對(duì)于電壓是非線性的，由此限制系統(tǒng)的精度。
對(duì)于模擬峰值檢測(cè)器也必須與用于峰值檢測(cè)的電容器6協(xié)調(diào)。一旦補(bǔ)償器4已經(jīng)停止對(duì)電容器充電，因?yàn)橄到y(tǒng)中的漏電流電容器6上的電壓往往“下垂”。這引起測(cè)量的不確定性，因?yàn)樵跍y(cè)量數(shù)值之前電壓減小了某些量。通過(guò)使用較大的電容能限制這種影響。然而，較大電容需要較大電流來(lái)充電，導(dǎo)致電壓變化率降低并且限制能用于放大器的最大頻率。因而，增大在模擬峰值檢測(cè)系統(tǒng)中的環(huán)路延遲。當(dāng)在模擬峰值檢測(cè)器上要求復(fù)位時(shí)引入進(jìn)一步的復(fù)雜。來(lái)自復(fù)位開(kāi)關(guān)的電荷注入能導(dǎo)致模擬峰值檢測(cè)器2的輸出上的偏移，模擬峰值檢測(cè)器2進(jìn)一步限制部分放電測(cè)量系統(tǒng)的精度。因而，需要一種允許更精確的峰值檢測(cè)的電壓測(cè)量系統(tǒng)。另外，需要一種克服由被試試樣擊穿之后產(chǎn)生的不準(zhǔn)確和無(wú)效電壓讀數(shù)造成的不準(zhǔn)確性的擊穿電壓測(cè)量系統(tǒng)。在被試試樣擊穿之后，在從擊穿時(shí)刻直到從試樣除去高電壓延伸的有限延遲時(shí)段期間，電壓讀數(shù)是不定和無(wú)效的。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種擊穿電壓測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)計(jì)算機(jī)和一個(gè)配置成對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字峰值測(cè)量的數(shù)字峰值檢測(cè)電路。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，數(shù)字峰值檢測(cè)電路產(chǎn)生至計(jì)算機(jī)的中斷輸入。按照中斷處理器例行程序編程計(jì)算機(jī)以對(duì)于高壓波形的每個(gè)循環(huán)讀峰值電壓。計(jì)算機(jī)把多個(gè)相繼的電壓讀數(shù)存儲(chǔ)在一個(gè)緩存器中，并且存儲(chǔ)用于輸出電壓的電流設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)被試試樣擊穿時(shí)，計(jì)算機(jī)反向檢索緩存器，以定位表示在試樣擊穿之前出現(xiàn)的最后電壓讀數(shù)的存儲(chǔ)電壓讀數(shù)。
當(dāng)聯(lián)系附圖閱讀時(shí)從如下詳細(xì)描述將更容易地理解本發(fā)明的這些和其他特征及優(yōu)點(diǎn)，這些附圖形成該原始公開(kāi)的一部分，并且其中圖1是模擬峰值檢測(cè)器的示意圖；圖2是常規(guī)部分放電測(cè)量系統(tǒng)的方塊圖；圖3表明由圖2中描繪的部分放電測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的波形；
圖4表明在峰值檢測(cè)系統(tǒng)中的放大器的輸出和按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用來(lái)確定最小試樣率的參數(shù)；圖5表明按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例通過(guò)工作在通用峰值捕獲模式中的峰值檢測(cè)系統(tǒng)的峰值捕獲；圖6表明按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例通過(guò)工作在單脈沖捕獲模式中的峰值檢測(cè)系統(tǒng)的峰值捕獲；圖7表明按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例通過(guò)工作在多脈沖捕獲模式中的峰值檢測(cè)系統(tǒng)的峰值捕獲；圖8表明按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例建造的用于正極性信號(hào)的峰值檢測(cè)器的方塊圖；圖9表明用于正和負(fù)極性信號(hào)和按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例建造的峰值檢測(cè)器的方塊圖；圖10表明按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種正和負(fù)峰值檢測(cè)的方法；圖11是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例建造的峰值檢測(cè)器的示意圖；圖12是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例和圖9中描繪的電路用來(lái)確定峰值電壓的狀態(tài)圖；圖13是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用來(lái)對(duì)高壓試樣確定擊穿電壓的系統(tǒng)；圖14是流程圖，描繪按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用來(lái)確定擊穿電壓的操作序列；圖15是流程圖，描繪按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在中斷處理器中的操作序列；及圖16是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例建造的用來(lái)同時(shí)測(cè)量峰值電壓和峰值至RMS電壓的系統(tǒng)。
實(shí)現(xiàn)數(shù)字峰值檢測(cè)和按照本發(fā)明建造的一種數(shù)字部分放電測(cè)量(PDM)系統(tǒng)10的方塊圖提供在圖2中。在數(shù)字部分放電檢測(cè)PDM系統(tǒng)10中的各種元件的輸出處的信號(hào)波形A、B、C、D和E表明在圖3中。對(duì)于PDM系統(tǒng)10的用途包括但不限于，測(cè)試和監(jiān)視電力電纜、配電和電力變壓器、中高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、電力斷路器、氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備、絕緣套管、并聯(lián)電抗器、電壓和電流互感器、功率因數(shù)校正電容器、線路絕緣產(chǎn)品、避雷器、尤其是高壓元件及所有類型的絕緣材料。
一個(gè)經(jīng)受使用PDM系統(tǒng)10的部分放電檢測(cè)的試樣12(例如絕緣系統(tǒng)試樣)連接到一個(gè)耦合阻抗14上。如上所述，系統(tǒng)不是穩(wěn)態(tài)的，并且脈沖頻繁地疊加在從高壓源11跨過(guò)試樣12傳導(dǎo)的高壓波形上。參照?qǐng)D3，提供給耦合阻抗14的波形為波形A。為了說(shuō)明起見(jiàn)已經(jīng)放大了疊加在高壓波形A上的脈沖30的數(shù)值。耦合阻抗14的輸出描繪成圖3中的波形B。在通過(guò)放大器16的處理之后，脈沖能顯得象圖3的波形C。
繼續(xù)參照?qǐng)D2，數(shù)字峰值檢測(cè)由一個(gè)峰值檢測(cè)電路22進(jìn)行，峰值檢測(cè)電路22包括下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的一個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器18、及峰值檢測(cè)和處理邏輯電路20。峰值檢測(cè)邏輯電路20的輸出通到一個(gè)緩存存儲(chǔ)器24，并且以后通到一個(gè)計(jì)算機(jī)28。計(jì)算機(jī)28最好連接到一個(gè)顯示裝置29上，并且進(jìn)行其他的處理和顯示功能。
如上所述，按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供一種用來(lái)測(cè)量電壓信號(hào)的峰值的改進(jìn)系統(tǒng)，其中來(lái)自放大器16的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息流，并且用數(shù)字處理。因?yàn)榉烹娀顒?dòng)的非周期特性，僅選擇高于放大器Nyquist頻率的抽樣頻率(即大于放大器的兩倍最大截止頻率)是不夠的。
參照?qǐng)D4，便利的是，當(dāng)通過(guò)耦合阻抗14和放大器16時(shí)，考慮放電脈沖頂部的形狀，并且確定從脈沖最高點(diǎn)到其中它已經(jīng)下降到小于要使用的數(shù)字轉(zhuǎn)換器的1/2最低有效位(LSB)的點(diǎn)的時(shí)間。最小試樣速率最好是ts1或ts2中最大的一個(gè)。最大可接收誤差指示在32處。隨著放大器16的上頻率極限增大，要求的抽樣速率有對(duì)應(yīng)增大。如果在PDM系統(tǒng)10中實(shí)現(xiàn)的峰值檢測(cè)過(guò)程運(yùn)動(dòng)到較高抽樣分辨率，則要求的抽樣速率也有增大。因而，根據(jù)放大器特性選擇適當(dāng)?shù)某闃铀俾?，并且按照本發(fā)明選擇要求的系統(tǒng)分辨率。
一旦脈沖流已經(jīng)數(shù)字化，使用不呈現(xiàn)模擬峰值檢測(cè)器缺陷的數(shù)字處理系統(tǒng)，能完成峰值檢測(cè)過(guò)程。這消除與模擬放電檢測(cè)器有關(guān)的主要的不準(zhǔn)確性。數(shù)字峰值檢測(cè)系統(tǒng)比使用較簡(jiǎn)單電路的模擬峰值檢測(cè)器更復(fù)雜。數(shù)字峰值檢測(cè)系統(tǒng)采用邏輯電路的有效量。而且，要求邏輯電路在較高速率下運(yùn)行，因?yàn)槭褂昧烁叱闃铀俣?。?shù)字分辨率由于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)技術(shù)和數(shù)字成象的發(fā)展最近變得經(jīng)濟(jì)可行?，F(xiàn)有的FPGA系統(tǒng)把多路、千門能力、以及適用于要求抽樣速率的操作速度相結(jié)合。FPGA技術(shù)允許以前要求定制集成電路(IC)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜邏輯系統(tǒng)的發(fā)展。FPGA技術(shù)由數(shù)字成象字段的發(fā)展支持，數(shù)字成象字段已經(jīng)把高速、低成本存儲(chǔ)器和高速、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器帶到市場(chǎng)上。通過(guò)結(jié)合這兩種技術(shù)，按照本發(fā)明建造的數(shù)字PDM系統(tǒng)10在性能上能超過(guò)模擬檢測(cè)器及具有模擬和數(shù)字元件的混合檢測(cè)器，而價(jià)格與現(xiàn)有儀器不相上下。數(shù)字PDM系統(tǒng)10提供比其模擬或混合檢測(cè)器更大的靈活性，因?yàn)橛锌赡馨衙}沖檢測(cè)系統(tǒng)的操作重新配置成適于處理數(shù)據(jù)的方式和對(duì)數(shù)據(jù)的約束的方式。
PDM系統(tǒng)10最好提供在不同用途中使用的三種基本操作模式?；灸Ｊ绞?1)通用測(cè)量和脈沖顯示；(2)脈沖捕獲和分析；及(3)時(shí)間依賴脈沖捕獲。當(dāng)以通用測(cè)量和脈沖顯示模式工作時(shí)，PDM系統(tǒng)10最接近地模仿傳統(tǒng)儀器的操作。這種模式優(yōu)化成提供對(duì)系統(tǒng)顯示的最快可能更新速率，以使PDM系統(tǒng)10模仿模擬陰極射線示波器的特性。
參照?qǐng)D5，考慮到正的和負(fù)的峰值數(shù)值，在固定窗口(例如窗口36)中捕獲各個(gè)脈沖(例如脈沖34)。脈沖每一個(gè)根據(jù)其在循環(huán)中的位置、和從上次讀捕獲存儲(chǔ)器已經(jīng)過(guò)去的循環(huán)數(shù)量存儲(chǔ)在一個(gè)捕獲存儲(chǔ)器中。使相位在捕獲存儲(chǔ)器中的脈沖位置中是隱含的，通過(guò)使要求的計(jì)算最小筒化把各個(gè)脈沖寫到系統(tǒng)顯示器29上的過(guò)程。在脈沖出現(xiàn)得如此靠近以致于他們占據(jù)一個(gè)單相位置36的場(chǎng)合，PDM系統(tǒng)10記錄最高脈沖，并且在系統(tǒng)顯示器29上指示最高脈沖。這避免PDM系統(tǒng)10必須把脈沖寫到顯示器29上，只要在當(dāng)前顯示器上畫(huà)出較大脈沖。該模式保證測(cè)量最高放電數(shù)值脈沖，但不保證在所有情形下分辨所有脈沖。換句話說(shuō)，出現(xiàn)在一個(gè)窗口36中的多個(gè)脈沖產(chǎn)生一種結(jié)果，而跨過(guò)兩個(gè)窗口的單個(gè)脈沖產(chǎn)生兩種結(jié)果。然而，該模式的確提供與精確放電數(shù)值測(cè)量相結(jié)合的快速更新速率(例如一般每秒25次)。產(chǎn)生的顯示在如下方面看著象在模擬顯示器上它是雙極的，并且能顯示關(guān)于脈沖的超調(diào)(即一個(gè)脈沖與另一個(gè)脈沖的尾部同時(shí)出現(xiàn))。這使得PDM系統(tǒng)10對(duì)于習(xí)慣于傳統(tǒng)儀器的用戶感到舒適。當(dāng)需要觀看放電活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)量時(shí)，通用操作模式是不適當(dāng)?shù)?。例如，?dāng)進(jìn)行放電指紋印時(shí)，必須捕獲在定義間隔中的所有脈沖。在有通過(guò)捕獲脈沖超調(diào)在通用模式中得到提供更真實(shí)顯示的優(yōu)點(diǎn)的場(chǎng)合，它應(yīng)該在脈沖捕獲和分析模式中避免。下面聯(lián)系圖10-12描述時(shí)鐘信號(hào)38、時(shí)鐘啟動(dòng)信號(hào)40及復(fù)位信號(hào)42。
關(guān)于脈沖捕獲模式和圖6，從脈沖34的第一部分48取出脈沖極性。一旦脈沖穿過(guò)零點(diǎn)就中斷該過(guò)程，并且直到用于失步的特定時(shí)間間隔已經(jīng)過(guò)去，如聯(lián)系圖9描述的那樣。脈沖捕獲最好在圖6中的點(diǎn)52處開(kāi)始。脈沖檢測(cè)在過(guò)零點(diǎn)(即點(diǎn)54)處中斷，并且把結(jié)果寫到捕獲存儲(chǔ)器。脈沖檢測(cè)保持中斷或失步直到尾部50的末端(即點(diǎn)56)以避免捕獲超調(diào)。
通常，在脈沖34上的尾部50可能較長(zhǎng)(例如在20微秒的量級(jí)上)，并且當(dāng)放電活動(dòng)得較近時(shí)，該長(zhǎng)度對(duì)脈沖分辨率強(qiáng)加一個(gè)不可接受的極限，如圖7中所示。因而，如果PDM系統(tǒng)10檢測(cè)到一個(gè)落到具有相同極性的第一脈沖58尾部中的第二脈沖60，則重新觸發(fā)PDM系統(tǒng)10。因而，捕獲第二脈沖60以及第一脈沖58。用于這種重新觸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)是，在重新觸發(fā)可能出現(xiàn)之前脈沖60穿過(guò)零點(diǎn)。在這種情況下，把脈沖信息存儲(chǔ)為數(shù)值-加-相位和循環(huán)。這較適于統(tǒng)計(jì)處理，但把一個(gè)系統(tǒng)開(kāi)銷強(qiáng)加到限制其有效性的顯示更新上。繼續(xù)參照?qǐng)D7，用于第一脈沖58的脈沖捕獲在點(diǎn)62處開(kāi)始，并且對(duì)于該脈沖58在過(guò)零點(diǎn)(點(diǎn)64)處停止。出現(xiàn)在第一脈沖58尾部中的第二脈沖60引起重新觸發(fā)(點(diǎn)66)。用于第二脈沖60的脈沖捕獲在第二脈沖的過(guò)零點(diǎn)(即點(diǎn)68)處停止。失步出現(xiàn)直到點(diǎn)70。第三脈沖71的捕獲在點(diǎn)72處開(kāi)始。一個(gè)第四脈沖73相對(duì)于第三脈沖71作為單脈沖處理，因?yàn)闆](méi)有過(guò)零點(diǎn)出現(xiàn)在他們之間。脈沖71和73的捕獲作為單事件處理，并且直到在點(diǎn)74處的過(guò)零點(diǎn)才寫結(jié)果。
第三操作模式是時(shí)間依賴脈沖捕獲模式。這是最簡(jiǎn)單的操作模式。當(dāng)在該模式中操作時(shí)一旦觸發(fā)PDM系統(tǒng)10,PDM系統(tǒng)10就用從ADC得到的連續(xù)試樣填滿脈沖捕獲存儲(chǔ)器。在該模式中，沒(méi)有進(jìn)行捕獲脈沖峰值的償試。因而，沒(méi)有進(jìn)行放電數(shù)值的測(cè)量。該模式的主要應(yīng)用是用于電纜中的缺陷定位。通過(guò)測(cè)量在脈沖與其反射之間的時(shí)間間隔，能找到電纜內(nèi)的脈沖位置。通過(guò)與脈沖傳播整個(gè)電纜長(zhǎng)度且返回發(fā)生點(diǎn)的時(shí)間相比較，能定位缺陷離開(kāi)電纜遠(yuǎn)端的位置。這種模式也提供診斷設(shè)施，因?yàn)樗试S要研究的脈沖形狀優(yōu)化系統(tǒng)帶寬。而且，因?yàn)榛跁r(shí)間的捕獲，所以這種模式允許干擾頻率的測(cè)量，從而能實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臑V波。
在數(shù)字放電檢測(cè)PDM系統(tǒng)10中的計(jì)算機(jī)28例如最好是基于Windows 95TM軟件運(yùn)行的個(gè)人計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)28配置成允許靈活的試驗(yàn)記錄和向諸如WordTM和ExcelTM之類的不同軟件程序輸出數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)28編程成對(duì)數(shù)字部分放電檢測(cè)提供靈活的分析工具。脈沖捕獲相對(duì)于相位或時(shí)間坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)。為對(duì)于在垂直和水平軸上的脈沖選通的完全控制提供不同的操作模式。如上所述，F(xiàn)PGA技術(shù)最好與計(jì)算機(jī)28的中央處理單元板一起用于峰值檢測(cè)和操作。FPGA峰值檢測(cè)器的方塊圖提供在圖8中。如以上聯(lián)系圖2所述，來(lái)自放大器16的脈沖在他們使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化之前提供給FPGA峰值檢測(cè)器22。ADC最好是以9位分辨率提供一個(gè)符號(hào)位的10位ADC。ADC 78的輸出提供給一個(gè)包括ADC緩存器80和一個(gè)峰值緩存器82的兩級(jí)供給系統(tǒng)。在供給系統(tǒng)的兩級(jí)80和82中的值提供到一個(gè)數(shù)值比較器84。一個(gè)狀態(tài)機(jī)控制器86提供門控制以確定其中進(jìn)行峰值檢測(cè)的時(shí)間窗口，如聯(lián)系圖11和12描述的那樣。狀態(tài)機(jī)也控制供給系統(tǒng)的時(shí)鐘和供給系統(tǒng)中值的復(fù)位。
通過(guò)對(duì)電壓信號(hào)的正和負(fù)斜率的檢測(cè)、以及按照選擇操作模式(例如圖5中表明的通用脈沖捕獲模式或圖6和7中表明的脈沖捕獲分析模式)控制脈沖捕獲窗口的形狀，提高本發(fā)明的數(shù)字峰值檢測(cè)過(guò)程的精度。用于按照本發(fā)明最佳實(shí)施例建造的峰值檢測(cè)系統(tǒng)88的整個(gè)結(jié)構(gòu)表明在圖9中。峰值檢測(cè)系統(tǒng)88包括兩個(gè)分別用來(lái)確定兩個(gè)正和負(fù)極性電壓信號(hào)-Ve和+Ve的峰值檢測(cè)器電路90和92。每個(gè)峰值檢測(cè)器電路90和92最好按圖8和10-12所示配置。使用另一個(gè)控制兩個(gè)切換裝置96和98的操作的數(shù)值比較器94，比較峰值檢測(cè)器電路90和92的輸出。具有最大絕對(duì)峰值的正或負(fù)極性信號(hào)由切換裝置96和98對(duì)應(yīng)的一個(gè)提供給一個(gè)輸出100。最好使用用于分析、或顯示或兩者的計(jì)算機(jī)28存取在輸出100處的值。
在脈沖捕獲分析模式期間的正和負(fù)斜率(例如-Ve和+Ve)的檢測(cè)表明在圖10中。在峰值檢測(cè)系統(tǒng)88啟動(dòng)(狀態(tài)102)之后，對(duì)于正和負(fù)極性信號(hào)+Ve和-Ve的峰值檢測(cè)(狀態(tài)104和106)分別開(kāi)始。如以上聯(lián)系圖6和7討論的那樣，峰值檢測(cè)繼續(xù)，直到在信號(hào)中出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)。失步間隔然后初始化并且開(kāi)始(狀態(tài)108和110)。只要+Ve信號(hào)的斜率大于或等于選擇閾值(例如對(duì)于噪聲選擇的閾值)，并且-Ve信號(hào)的斜率小于或等于選擇閾值，就把檢測(cè)狀態(tài)104和106的結(jié)果存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)器裝置中。在失步間隔終止之后，能再次進(jìn)入峰值檢測(cè)狀態(tài)104和106。
現(xiàn)在聯(lián)系圖11中的示意圖和圖12中的狀態(tài)圖描述峰值檢測(cè)器電路92的說(shuō)明性實(shí)施。來(lái)自從ADC 78輸出的信號(hào)的符號(hào)位(圖8)、以及一個(gè)CGATE信號(hào)，提供到一個(gè)NOR門114。門114的輸出連接到一個(gè)下文稱作ADC0寄存器的第一ADC寄存器上。只要認(rèn)定CGATE輸入，CGATE輸入就是用來(lái)禁止ADC0寄存器的外部禁止輸入。因而，當(dāng)PDM系統(tǒng)10的另一部分確定輸入數(shù)據(jù)無(wú)效時(shí)，輸入脈沖列的部分能失步而免于測(cè)量。例如，PDM系統(tǒng)10可能已經(jīng)確定噪聲和相位相關(guān)噪聲不利地影響輸入信號(hào)的完整性，并因此影響從其得到的輸出的完整性。當(dāng)具有負(fù)極性的信號(hào)出現(xiàn)在寄存器ADC0的輸入處時(shí)，也能禁止ADC0寄存器。除至門114的ADC IN9輸入反相和用一個(gè)值預(yù)置ADC0、ADC1和PEAK0之外，峰值檢測(cè)電路94的實(shí)施基本上與圖11中描繪的示意圖相同，不同之處在下面清楚地解釋。
如上所述，在10位ADC 78的輸出處的試樣ADC_IN[9:0]提供到一個(gè)第一寄存器ADC0。除寄存器ADC0之外，ADC緩存器80(圖8)包括另一個(gè)接收第一寄存器ADC0的輸出ADC_PRE[8:0]的寄存器ADC1。第二寄存器ADC1連接到構(gòu)成圖8中描繪的峰值緩存器82的寄存器PEAK0上。第一寄存器ADC0的輸出提供給第一和第二比較器COMP0和COMP1。比較器COMP0和COMP1最好是9位無(wú)符號(hào)比較器。第二寄存器ADC1的輸出提供給比較器COMP0，而寄存器PEAK0的輸出提供給另一個(gè)比較器COMP1。比較器COMP0和COMP1分別把寄存器ADC0的內(nèi)容與寄存器ADC1的相比較和把寄存器ADC0的內(nèi)容與寄存器PEAK0的相比較。兩個(gè)鎖存器ADCLT0和ADCLT1提供在比較器的輸出處。一個(gè)寄存器GATE_PIPE為產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)GATE而提供。GATE信號(hào)是一個(gè)指示數(shù)據(jù)探測(cè)周期開(kāi)始和結(jié)束的內(nèi)部產(chǎn)生信號(hào)(即在FPGA峰值檢測(cè)電路92或94內(nèi))。例如，如果系統(tǒng)處于通用測(cè)量和脈沖顯示模式中，則在與當(dāng)前存儲(chǔ)器位置對(duì)應(yīng)的試樣周期期間該信號(hào)為高。相位一移到該窗口之外，GATE信號(hào)就走低以初始化讀數(shù)，并且然后變高以啟動(dòng)對(duì)于下個(gè)窗口的捕獲。狀態(tài)機(jī)86編程為實(shí)施圖12中描繪的狀態(tài)圖。
繼續(xù)參照?qǐng)D11，當(dāng)控制信號(hào)GATE為高，并且如由比較器COMP0確定的那樣在寄存器ADC0中的試樣小于在寄存器ADC1中的試樣時(shí)，用于寄存器PEAK0的時(shí)鐘啟動(dòng)在隨后周期上禁止。寄存器PEAK0因此保持峰值。當(dāng)如由比較器COMP1確定的那樣在寄存器ADC0中的試樣大于保持在寄存器PEAK0中的值時(shí)，重新啟動(dòng)PEAK寄存器。捕獲峰值A(chǔ)DC_IN[9:0]，直到控制信號(hào)GATE成為假。在PEAK0寄存器中的值然后存儲(chǔ)在例如外部電路中。狀態(tài)機(jī)的輸出PEAK_CAP指示何時(shí)正在更新峰值。供給系統(tǒng)技術(shù)是便利的，因?yàn)樗黾恿藞D9中描繪的電路能操作的速度。當(dāng)在當(dāng)前FPGA裝置中實(shí)施時(shí)，電路能在80兆赫量級(jí)上的數(shù)據(jù)速率下操作。
與圖11中描繪的元件相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)圖提供在圖12中。圖12中描繪的狀態(tài)表明考慮試樣信號(hào)的斜率以產(chǎn)生更準(zhǔn)確的峰值測(cè)量結(jié)果。峰值檢測(cè)時(shí)鐘啟動(dòng)信號(hào)PEAK_CKEN在等待狀態(tài)118下運(yùn)行。等待狀態(tài)118最好僅在復(fù)位操作之后使用。當(dāng)接收到開(kāi)始信號(hào)(即把GATE設(shè)置到“1”)時(shí)，開(kāi)始峰值檢測(cè)。狀態(tài)機(jī)控制器86首先按照狀態(tài)120操作，直到檢測(cè)到負(fù)斜率。只要輸入信號(hào)的斜率為正并且沒(méi)有檢測(cè)到下降沿(即GATE是“1”并且ADCPRE_LT_ADC是“0”)，狀態(tài)機(jī)控制器86就保持在狀態(tài)120下。在試樣信號(hào)中的下降沿出現(xiàn)時(shí)，禁止峰值捕獲(即把GATE設(shè)置到“0”)，并且對(duì)寄存器PEAK0讀數(shù)據(jù)(狀態(tài)122)。當(dāng)ADCPRE_LT_ADC是“1”時(shí)，就是說(shuō)，寄存器ADC0的值大于寄存器ADC1的，狀態(tài)機(jī)控制器86繼續(xù)在狀態(tài)124下操作，同時(shí)斜率是正的并且獲得峰值數(shù)據(jù)。當(dāng)GATE是狀態(tài)124下的“0”時(shí)，終止峰值檢測(cè)間隔，并且把數(shù)據(jù)讀到寄存器PEAK0中。當(dāng)檢測(cè)到負(fù)斜率(即GATE是“1”并且ADCPRE_LT_ADC是“0”)時(shí)，狀態(tài)機(jī)控制器86返回狀態(tài)120，直到檢測(cè)到下降沿。
使用模擬系統(tǒng)典型地完成了諸如絕緣導(dǎo)線或電力電纜之類的試樣12的擊穿電壓測(cè)量。當(dāng)試樣擊穿時(shí)，模擬系統(tǒng)是有問(wèn)題的，因?yàn)樽鳛樵嚇訐舸┙Y(jié)果產(chǎn)生的瞬態(tài)，能毀壞諸如擊穿電壓之類的存儲(chǔ)值。當(dāng)高串聯(lián)阻抗用于耦合阻抗14時(shí)，模擬系統(tǒng)特別成問(wèn)題。當(dāng)使用高串聯(lián)阻抗時(shí)，輸出電壓在擊穿點(diǎn)處可能增大。另外，當(dāng)電壓在有效速率下時(shí)，由以前測(cè)量系統(tǒng)強(qiáng)加的滯后能把顯著的不準(zhǔn)確性強(qiáng)加在結(jié)果中。
按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，提供的一個(gè)數(shù)字擊穿電壓檢測(cè)電路130，使用高壓信號(hào)的高速抽樣，與用于數(shù)字處理的硬件和軟件相結(jié)合，以產(chǎn)生擊穿電壓的準(zhǔn)確測(cè)量。參照?qǐng)D13，硬件包括與聯(lián)系圖8描述的峰值檢測(cè)系統(tǒng)類似的數(shù)字峰值檢測(cè)器系統(tǒng)。一個(gè)來(lái)自高壓傳感器的輸入信號(hào)132經(jīng)放大器134放大，并且然后以高速率(例如比線路頻率大100倍)數(shù)字化，以保證使用一個(gè)高速ADC 136準(zhǔn)確地捕獲峰值。ADC 136的輸出提供到一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器138，并且提供到一個(gè)數(shù)值比較器140。如果數(shù)值比較器檢測(cè)到ADC 136的輸出大于數(shù)據(jù)寄存器138的輸出，則控制邏輯電路142把ADC 136的輸出數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)據(jù)寄存器138中。數(shù)據(jù)寄存器138的輸出因此指示在ADC上讀的最高電壓，因?yàn)閿?shù)據(jù)寄存器最后清零?？刂七壿嬰娐吩O(shè)計(jì)成當(dāng)讀寄存器時(shí)清零寄存器。
繼續(xù)參照?qǐng)D13，高壓信號(hào)也由一個(gè)方波電路144處理，方波電路144指示波形的過(guò)渡或過(guò)零點(diǎn)。方波電路144的輸出提供到計(jì)算機(jī)28上的一個(gè)中斷輸入上。計(jì)算機(jī)28能用一個(gè)中斷處理器(圖14)編程以讀峰值檢測(cè)器，并且以上述方式得到在高壓波形每個(gè)循環(huán)上的峰值電壓。
在試樣的擊穿測(cè)試期間，存在一個(gè)與在試樣擊穿的系統(tǒng)檢測(cè)與從試樣除去高壓之間過(guò)去的時(shí)間相對(duì)應(yīng)的有限延遲。由于在這些用途中使用的控制系統(tǒng)的特性，有限延遲對(duì)于受測(cè)試試樣影響的輸入輸電線可能在幾個(gè)循環(huán)的量級(jí)上。在有限延遲周期期間，在試樣擊穿之后，電壓讀數(shù)是不定和無(wú)效的。按照本發(fā)明，編程計(jì)算機(jī)28以把連續(xù)讀數(shù)存儲(chǔ)到一個(gè)與其有關(guān)的緩存器，該緩存器配置成保持幾秒的以前讀數(shù)。該緩存器存儲(chǔ)對(duì)于輸出電壓的電流設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到試樣已經(jīng)擊穿時(shí)，軟件防止計(jì)算機(jī)28更新緩存器，直到下次接通電壓源11。軟件控制計(jì)算機(jī)28檢查緩存器的末端和反向檢索存儲(chǔ)的條目，直到計(jì)算機(jī)28定位最靠近試樣輸出電壓的讀數(shù)。由計(jì)算機(jī)28定位的讀數(shù)表示基于循環(huán)對(duì)循環(huán)在試樣擊穿之前施加到試樣上的最后電壓。
圖14表明每當(dāng)擊穿電壓檢測(cè)電路已經(jīng)測(cè)量到波形峰值時(shí)借助于計(jì)算機(jī)28由擊穿檢測(cè)電路130(圖13)產(chǎn)生的中斷處理。計(jì)算機(jī)28監(jiān)視高壓(HV)傳感器132以便看它何時(shí)通(塊150)。如果HV傳感器132不通，則計(jì)算機(jī)28離開(kāi)圖14中表明的例行程序。如果HV傳感器132通，則把電流設(shè)置點(diǎn)存儲(chǔ)在BD_SETPOINT中(塊152)。BUFFER_POSITION前進(jìn)一個(gè)位置(塊154)。如果到達(dá)緩存器末端，則把參數(shù)BUFFER_POSITION設(shè)置到緩存器的開(kāi)始。計(jì)算機(jī)28從圖13中的峰值檢測(cè)系統(tǒng)讀峰值數(shù)值(塊156)，并且把峰值數(shù)值存儲(chǔ)在由BUFFER_POSITION指示的緩存器位置中(塊158和160)。計(jì)算機(jī)28然后離開(kāi)圖14中表明的中斷處理器。
一旦系統(tǒng)已經(jīng)檢測(cè)到試樣擊穿已經(jīng)出現(xiàn)，則計(jì)算機(jī)28按照本發(fā)明運(yùn)行擊穿電壓檢測(cè)過(guò)程，并且表明在圖15中。緩存器以陣列標(biāo)號(hào)0至(n-1)存儲(chǔ)最后‘n’個(gè)循環(huán)的峰值電壓。最后讀數(shù)的位置由BUFFER_POSITION指示。在緩存器中最早讀數(shù)的位置在位置(BUFFER_POSITION+1)中。在擊穿點(diǎn)處關(guān)于系統(tǒng)的設(shè)置點(diǎn)存儲(chǔ)在BD_SETPOINT中。確定擊穿電壓的過(guò)程涉及反向檢索存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以通過(guò)觀看差別找到最接近設(shè)置點(diǎn)的讀數(shù)。最初，把DIFFERENCE設(shè)置為99999(塊162)，它最好比任何可能讀數(shù)都高。把循環(huán)計(jì)數(shù)器設(shè)置為“0”(塊164)。然后計(jì)算在當(dāng)前緩存器讀數(shù)與設(shè)置點(diǎn)之間的差，即THIS_DIFFERENCE(塊166)。如果THIS_DIFFERENCE小于DIFFERENCE(塊168)，則把緩存器位置保存在READING_NUM中(塊170)，并且使DIFFERENCE等于THIS_DIFFERENCE (塊172)。計(jì)算機(jī)28然后反向步進(jìn)緩存器中的一個(gè)位置(塊174)，并且確定位置是否小于“0”(塊176)。如果位置小于“0”，則把BUFFER_POSITION設(shè)置到(n-1)，從而查找從緩存器的頂部繼續(xù)(塊178)。增大LOOP_COUNT(塊180)。計(jì)算機(jī)28確定是否已經(jīng)讀在緩存器中的所有位置(塊182)。如果剩下沒(méi)有讀的位置，則計(jì)算機(jī)28繼續(xù)從塊166執(zhí)行。當(dāng)LOOP_COUNT=n時(shí)，READING_NUM與在緩存器中最靠近BD_SETPOINT的讀數(shù)的位置相對(duì)應(yīng)。擊穿電壓由BUFFER[READING_NUM]給出(塊184)。
按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)中的峰值電壓和均方根(RMS)電壓的同時(shí)數(shù)字測(cè)量而提供。高壓測(cè)試規(guī)范建議對(duì)于高壓測(cè)量使用等效于直流(DC)加熱效應(yīng)的RMS電壓或峰值換算到RMS電壓(即峰值/ )。如果測(cè)量的高壓信號(hào)是理想的正弦波，則兩種測(cè)量是相同的。然而，在實(shí)際高壓系統(tǒng)中，高壓信號(hào)不是理想的正弦波，并且兩種測(cè)量彼此不一致。使用的兩種測(cè)量之一是否優(yōu)于另一種測(cè)量取決于進(jìn)行的測(cè)試。都使用純模擬過(guò)程測(cè)量這些參數(shù)把不準(zhǔn)確性引入到高壓系統(tǒng)中。對(duì)于峰值測(cè)量，設(shè)計(jì)峰值捕獲電路以提供足夠的精度。另一方面，對(duì)于RMS測(cè)量，提出了設(shè)計(jì)問(wèn)題，如轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定到最終值所要求的長(zhǎng)安定時(shí)間和對(duì)輸入變化的緩慢響應(yīng)。因此對(duì)于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電壓反饋，模擬系統(tǒng)的使用是不希望的。
按照本發(fā)明，使用一種數(shù)字處理系統(tǒng)189同時(shí)測(cè)量峰值電壓和RMS電壓。輸入電壓相對(duì)于線路頻率以高速率數(shù)字化。用于數(shù)字處理的硬件和軟件的組合用來(lái)測(cè)量高壓信號(hào)的峰值換算到RMS電壓和真實(shí)RMS電壓。
參照?qǐng)D16，來(lái)自一個(gè)高壓傳感器190的信號(hào)使用一個(gè)放大器192緩存，并且提供給一個(gè)ADC 194的輸入。ADC 194以比高壓線路頻率高得多的頻率抽樣(例如比線路頻率快100倍)，以保證以足夠精度捕獲波形的峰值。ADC 194的輸出提供到一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器196，并且提供到一個(gè)數(shù)值比較器198。數(shù)據(jù)寄存器196的輸出也提供給數(shù)值比較器198。數(shù)值比較器198向控制邏輯電路200指示分別在數(shù)據(jù)寄存器196和數(shù)值比較器198中的兩個(gè)值的哪一個(gè)具有最大數(shù)值。峰值檢測(cè)最好以在以上描述的與按照本發(fā)明的實(shí)施例相同的方式實(shí)現(xiàn)。如果ADC 194的輸出大于數(shù)據(jù)寄存器196中存儲(chǔ)的值，則數(shù)字處理系統(tǒng)189編程為把ADC 194的輸出寫到數(shù)據(jù)寄存器196中。數(shù)據(jù)寄存器196指示峰值。當(dāng)讀數(shù)據(jù)寄存器196時(shí)，提供控制邏輯電路200以保證清除數(shù)據(jù)寄存器196而準(zhǔn)備下次使用。通過(guò)以等于或慢于線路頻率的速率讀寄存器196，系統(tǒng)189的峰值數(shù)值輸出指示高壓信號(hào)的峰值，因?yàn)樽詈笞x該峰值。
為了讀真實(shí)的RMS值，與硬件聯(lián)系提供軟件以計(jì)算RMS至峰值因數(shù)。硬件包括一個(gè)以線路頻率的某一倍數(shù)運(yùn)行的時(shí)鐘源。時(shí)鐘源能從由高壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)的方波電路202得到，該高壓信號(hào)然后驅(qū)動(dòng)鎖相環(huán)系統(tǒng)204，以便把線路頻率乘以一個(gè)已知量n。時(shí)鐘信號(hào)然后用來(lái)驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)輸入波形的n個(gè)試樣的存儲(chǔ)器206。按照軟件，計(jì)算機(jī)28周期地讀取提供n個(gè)電壓的存儲(chǔ)器206的內(nèi)容。n個(gè)電壓相結(jié)合以使用如下計(jì)算給出用于波形的峰值至RMS換算因數(shù)f=1nVpk×Σk=0k=n-1Vk2]]>其中Vpk是從峰值數(shù)值輸出讀時(shí)在循環(huán)中的最大電壓，Vk是在存儲(chǔ)器位置k記錄的電壓，及n是與線路頻率倍增因數(shù)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器位置的數(shù)目。對(duì)于任何具體的主循環(huán)，以這里公開(kāi)的方式使用數(shù)字處理系統(tǒng)189和計(jì)算機(jī)28能計(jì)算峰值電壓和RMS電壓。在通常的使用中，不必計(jì)算每個(gè)循環(huán)的峰值至RMS換算因數(shù)f，因?yàn)椴ㄐ位诿總€(gè)循環(huán)不變。因數(shù)f而是能每秒或每隔一秒重新計(jì)算而精度不會(huì)顯著降低。
盡管已經(jīng)選擇了各種實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，但熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將會(huì)理解，其中能進(jìn)行各種變更和修改而不脫離在所附權(quán)利要求書(shū)中所限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種用來(lái)測(cè)量擊穿后試樣電氣裝置的電壓的擊穿電壓測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)放大器，連接到所述試樣電氣裝置上，用來(lái)放大經(jīng)所述交流源在所述試樣電氣裝置的輸出處出現(xiàn)的信號(hào)；一個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器，連接到所述放大器上，用來(lái)數(shù)字轉(zhuǎn)換所述信號(hào)，所述信號(hào)包括脈沖；一個(gè)數(shù)字峰值檢測(cè)器，連接到所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器上并且包括一個(gè)捕獲存儲(chǔ)器裝置，所述數(shù)字峰值檢測(cè)器編程成產(chǎn)生脈沖捕獲窗口、確定所述信號(hào)的極性變化、及按照所述脈沖捕獲窗口和所述信號(hào)的極性控制何時(shí)把與在所述脈沖捕獲窗口的至少一個(gè)中出現(xiàn)的所述脈沖的至少一個(gè)有關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在所述捕獲存儲(chǔ)器裝置中；一個(gè)電壓存儲(chǔ)器裝置，用來(lái)存儲(chǔ)從所述捕獲存儲(chǔ)器裝置以預(yù)定間隔讀出的峰值數(shù)值；及一個(gè)處理裝置，編程成存儲(chǔ)所述峰值的多個(gè)連續(xù)值和選擇在所述電壓存儲(chǔ)裝置中的所述峰值之一，以表示在所述試樣電氣裝置擊穿之后所述試樣的所述電壓。
全文摘要
提供一種對(duì)峰值電壓測(cè)量采用一個(gè)數(shù)字峰值檢測(cè)電路(22)的擊穿電壓測(cè)量系統(tǒng)。擊穿電壓測(cè)量系統(tǒng)采用一個(gè)電壓存儲(chǔ)器裝置以便存儲(chǔ)從數(shù)字峰值檢測(cè)電路(22)得到的連續(xù)峰值。擊穿電壓測(cè)量系統(tǒng)是可編程的,以便開(kāi)始在被測(cè)試試樣電氣裝置(12)擊穿之后的存儲(chǔ)峰值的查找,以確定緊在發(fā)生擊穿之前的電壓測(cè)量。
文檔編號(hào)G01R31/12GK1309773SQ98814155
公開(kāi)日2001年8月22日 申請(qǐng)日期1998年10月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月10日
發(fā)明者蒂莫西·J·福希特, 尼爾·S·福里 申請(qǐng)人:哈貝爾公司