功率测量中的时钟——同步源原理解析

　　摘要：一般而言石英表精确度比机械表较高，瑞士标准是月误差在15秒之内。有些精准的机芯更是可以达到年误差几秒之内，但是即使最名贵的瑞士手表，时间走时都会有误差，这是什么原因呢?

　　一般而言石英表精确度比机械表较高，瑞士标准是月误差在15秒之内。有些精准的机芯更是可以达到年误差几秒之内，但是即使最名贵的瑞士手表，时间走时都会有误差，这是什么原因呢?

　　手表中机芯很重要就跟人的心脏一样，在石英钟表中，使用32.768kHz的晶振产生振荡信号，经过15分频得到1Hz信号，每个周期驱动秒钟走一下。晶振频率的精度和稳定性决定了手表走时的精确度。晶振最为重要的一个参数就是PPM，一个PPM等于百万分之一。普通的石英表使用的晶振精度为20个PPM，最名贵的瑞士手表使用的晶振精度可以高达5个PPM。

　　在功率测量中，同样需要一个时钟，PA6000功率分析仪使用的恒温晶振频率为100MHz，而精度达到1个PPM以下。对比手表中使用的32.768kHz、20个PPM高出几个数量级，这有什么卵用?

　　一、 为什么功率测量需要时钟?

　　光伏逆变器、变频器、UPS等各类电源的功率转换效率已经高达98%，未来将进入长期而缓慢提升的阶段，0.2%的效率差距足以影响客户的选择。功率测量是计算电源效率的基础，下文为您一一解析高精度同步时钟在功率测量中的作用。

　　根据交流电的使用场合，对其有效值计算可选用4种常用模式：真有效值、整流平均值、校准平均值、基波有效值，保证电压、电流测量的准确性，然而，电压、电流仅是功率测量基础，不同通道间的同步误差控制是功率测量的关键点。

　　根据有功功率计算公式：P=U*I*cosφ，在电源在高效率工作时φ非常接近0，在测量50Hz的信号是，假如电压、电流通道存在1ms的同步误差，计算得到cosφ ≈ 0.95，电压、电流通道间1ms的延时引起的有功功率偏差竟然达到5%!

　　由此可见，保证电压、电流通道同步性是准确测量电功率的核心，而引起通道同步误差的主要因素有：

　　1) 电压、电流通道特征阻抗的差异，电流通道比电压通道增加一个分流器，而分流器的特征阻抗会影响高频信号的传输延时，限制仪器带宽;

　　2) 三相交流电通过不同的功率板卡输入，板卡之间存在同步误差;

　　3) 同步采样时钟存在温漂，影响电流、功率积分数据的精度;

　　为了保证精确测量，PA6000功率分析仪采用全新的硬件架构，从根源上保证了电压、电流通道间的同步误差达到业界最小的10ns。

　　电流通道分流器：普通采样电阻具有较大杂散电感，PA6000采用开尔文无感分流器，杂散电感小于5nH，保证最佳的高频性能以及极小的传输延时，保证电压、电流通道间对信号传送延时的一致性;

　　通道间100MHz的同步时钟：传统的功率分析仪采用1-10MHz的普通晶振作为同步时钟，同步误差达到1us，而且频率稳定性容易受晶振温漂的影响。PA系列采用高稳定度温度补偿的 100M 同步时钟，避免温度变化带来时钟漂移所引入的测量误差。同时保证任一个通道ADC的采样相位同步，误差在10ns以内。

　　二、同步源又是什么?

　　对于直流电功率的测量，电压、电流的数值比较稳定，使用电压表和电流表读取的数字相乘即可得到功率。对于交流电，由于电压、电流存在正负交变，其瞬时功率也随之波动。对于电功率的计算一般需要截取整周期的波形，以截取区间的平均功率来标准功率值。

　　同步源就是截取电压、电流波形时参考的信号，根据同步源的过零点截取电压电流波形。所以要求同步源具有明显的过零点，频率与被测信号相同。

　　对于逆变器、UPS源，一般选择电压为同步源，而逆变器测试一般选择电流作为同步源。

　　依靠开尔文无感分流器、100MHz同步时钟、10ns的同步误差，PA6000为您提供高精度功率测试解决方案。