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专利名称：信号采样装置和方法
技术领域：
本发明涉及电力系统或其他需进行信号采样处理的技术领域，特别是涉及一种信号采样装置和方法。
背景技术：
在电力系统中，电力继电保护设备的最大保护电流至少为被保护设备额定电流的20倍，实际电力系统中输入电力继电保护设备的采样信号电流可能在0-20倍的范围内变化。电力继电保护设备通常根据采样信号计算电路中的工作电流，并根据计算结果确定是否进行继电保护。可见，采样信号的真实性将直接影响继电保护的计算结果；如果采样信号失真，将导致电力继电保护设备误动或拒动，因此，对采样信号的处理就显得的尤为重要。衡量采样信号真实性的重要指标之一是信噪比。如果输入电力继电保护产品的 原始信号为大信号，则该原始信号的信噪比较大，采样信号的真实性较好，信号的采样精度较高；反之，如果输入电力继电保护产品的原始信号为小信号，则该原始信号的信噪比较�。裳藕诺恼媸敌越喜�。当输入电力继电保护产品的原始信号为小信号时，现有技术通常采用软件算法滤除原始信号中的噪声，但采样软件算法滤除噪声的同时也滤除了有用信号，降低了小信号输入时信号的采样精度。通过上述分析可知，现有技术虽然能较好保证大信号的采样精度，但小信号采样精度较差，从而无法在较宽的量程范围提高信号的采样精度。

发明内容
本发明提供一种信号采样装置和方法，用以在较宽的量程范围提高信号的采样精度。本发明提供了一种信号采样装置，包括中央处理单元、以及分别与所述中央处理单元连接的输入接口�？楹褪涑鼋涌谀？椋凰鍪淙虢涌谀？榘ǖ谝恍藕攀淙氲缏泛偷诙藕攀淙氲缏罚龅谝恍藕攀淙氲缏酚糜谙蛩鲋醒氪淼ピ淙朐夹藕牛龅诙藕攀淙氲缏酚糜诜糯笏鲈夹藕�、并向所述中央处理单元输入放大信号；所述中央处理单元用于对所述原始信号和所述放大信号分别进行采样处理，在所述原始信号的电流值大于预设门限值时，通过所述输出接口�？槭涑鏊鲈夹藕诺牟裳峁裨颍ü鍪涑鼋涌谀？槭涑鏊龇糯笮藕诺牟裳峁�。本发明还提供了一种信号采样方法，包括分别向第一信号输入电路和第二信号输入电路输入原始信号；所述第一信号输入电路向中央处理单元输入所述原始信号；所述第二信号输入电路对所述原始信号经放大处理、并向所述中央处理单元输入放大信号；
所述中央处理单元对所述原始信号和所述放大信号分别进行采样处理，在所述原始信号的电流值大于预设门限值时，通过输出接口�？槭涑鏊鲈夹藕诺牟裳峁裨颍ü鍪涑鼋涌谀？槭涑鏊龇糯笮藕诺牟裳峁�。本发明提供的信号采样装置和方法，将待处理的原始信号分两路，即第一信号输入电路和第二信号输入电路进入中央处理单元，其中第二信号输入电路对原始信号进行放大处理。中央处理单元对两路输入信号，即原始信号和放大信号分别进行采样处理，并根据原始信号电流值的强度，选择输出原始信号或放大信号的采样结果。本发明在原始信号为大信号或小信号时，都能较好地保证采样信号的真实性，即在较宽的量程范围提高了信号的采样精度。


为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明一实施例提供的信号采样装置的结构示意图；图2为本发明另一实施例提供的第二信号输入电路的电路图；图3为本发明另一实施例提供的信号采样方法的流程图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明将电流值大于预设门限值的原始信号称为“大信号”，将电流值小于或等于预设门限值的原始信号称为“小信号”。例如假设电力系统中，部分电力继电保护设备二次侧的最大保护电流为100A，则在实际应用过程中可将最大保护电流的1/20，即5A预设为门限值。当输入中央处理单元(CentralProcessing Unit,简称CPU)的原始信号的电流值大于5A时，该原始信号即为大信号；当输入中央处理单元的原始信号的电流值小于或等于5A时，该原始信号即为小信号。需要说明的是，并非所有电力继电保护设备二次侧的最大保护电流均为100A，这里仅为示例进行说明，不应理解为本发明技术实质的限制。图I为本发明一实施例提供的信号采样装置的结构示意图。如图I所示，本实施例提供的信号采样装置包括输入接口�？镮、中央处理单元2和输出接口�？�3，输入接口模块I和输出接口模块3分别与中央处理单元2连接。其中，输入接口�？镮包括第一信号输入电路11和第二信号输入电路12。当信号米样装置处于工作状态时，第一信号输入电路11的输入端和第二信号输入电路12的输入端分别输入原始信号。其中，第一信号输入电路11的输出端向中央处理单兀2输入原始信号；第二信号输入电路12对其输入端输入的原始信号进行放大处理得到放大信号，通过其输出端向中央处理单兀2输出放大信号。
中央处理单元2用于接收第一信号输入电路11输入的原始信号、以及第二信号输入电路12输入的放大信号，对这两个电路分别输入的原始信号和放大信号分别进行采样处理；当中央处理单元判断出原始信号的电流值大于预设门限值时，通过输出接口�？�3输出原始信号的采样结果，否则，通过输出接口�？�3输出放大信号的采样结果。具体的，中央处理单元2首先判断第一信号输入电路11输入的原始信号的电流值是否大于预设门限值，如果原始信号的电流值大于预设门限值，说明原始信号为大信号，中央处理单元2通过输出接口�？�3输出原始信号的采样结果。如果原始信号的电流值小于或等于预设门限值，说明原始信号为小信号，中央处理单元确定放大信号的采样结果更接近真实值，通过输出接口�？�3输出放大信号的采样结果。输出接口模块3用于向外部设备，如电力继电保护设备输出原始信号的采样结果或放大信号的采样结果，以供外部设备，如电力继电保护设备根据采样结果动作。接下来对本发明可在较宽的量程范围提高信号采样精度的实现机理分析如下 本发明将待处理的原始信号分两路输入中央处理单元，一路为原始信号，另一路为原始信号的放大信号。中央处理单元根据原始信号的电流值判断原始信号为大信号或小信号，并根据判断结果选择输出原始信号的采样结果或放大信号的采样结果。当原始信号中的有用信号为大信号时，信噪比较高且原始信号的采样结果和放大信号的采样结果基本相同。而原始信号没有经过放大处理，其值更接近于真实值，因此中央处理单元选择输出原始信号的采样结果，有利于保证信号的采样精度。当原始信号中的有用信号为小信号时，信噪比较低，原始信号的采样结果失真度较大，如果此时中央处理单元选择输出原始信号的采样结果，可能影响外部设备正常动作，如导致电力继电保护设备误动或拒动；而放大信号是对原始信号的补偿输入信号，因而提高了信噪比，中央处理单元选择输出放大信号的采样结果可提高采样精度，有利于外部设备如电力继电保护设备的正常动作。因此，本实施例中央处理单元根据原始信号的电流强度，选择输出原始信号或放大信号的采样结果，即当原始信号为大信号时选择输出原始信号的采样结果，当原始信号为小信号时选择输出放大信号的采样结果，从而使得信号采样装置在较宽的量程范围，如0-100A的范围提高了信号采样的精度。通过上述分析可知，本实施例提供的信号采样装置将待处理的原始信号分两路，即第一信号输入电路和第二信号输入电路进入中央处理单元，其中第二信号输入电路对原始信号进行放大处理。中央处理单元对两路输入信号，即原始信号和放大信号分别进行采样处理，并根据原始信号电流值的强度，选择输出原始信号或放大信号的采样结果，从而在原始信号为大信号或小信号时，都能较好地保证采样信号的真实性，即在较宽的量程范围提高了信号的采样精度。 在上述技术方案的基础上，可选的，第二信号输入电路可包括信号放大电路和钳位电路。信号放大电路用于放大其输入端输入的原始信号，其输出端经钳位电路向中央处理单元输出放大信号。钳位电路与信号放大电路的输出端连接，用于将信号放大电路向中央处理单元输出的放大信号的电压值，限制在预设范围。图2为本发明另一实施例提供的第二信号输入电路的电路图。在图2所示的电路图中，信号放大电路具体为正相放大电路，钳位电路具体为二极管钳位电路。其中，正相放大电路包括运算放大器21，运算放大器21的正相输入端输入原始信号，其反相输入端经第一电阻22与第二电阻23的并联点接地(AGND)，其输出端通过第二电阻22和第三电阻24的并联点、并经钳位电路与中央处理单元(图中未示出)连接。在该正相放大电路中，运算放大器的具体型号可根据实际需要选择，其输入的原始信号的放大倍数等于第二电阻23和第一电阻22的阻值比。二极管钳位电路包括反向并联的两个二极管，即反向并联的第一二极管25和第二二极管26。第一二极管25的输入端接地，第二二极管26的输出端接直流高电平AD_DC。在该二极管钳位电路，可将正相放大电路的输出电压限制在0—AD_DC之间，例如假设直流高电平AD_DC的电压为3V，则二极管钳位电路将正相放大电路的输出电压限制在0-3V，即钳位电压范围为0-3V。如此处理的好处在于，可根据中央处理单元的承载能力设计二极管钳位电路的钳位电压范围，有效避免因正相放大电路的输出电压超出中央处理单元的承载能力而损坏中央处理单元。本实施例提供的第二信号输入电路，通过调整第一电阻和第二电阻的阻值比，可灵活控制原始信号的放大倍率；通过调整二极管钳位电路的钳位电压范围，可有效避免正相放大电路的输出电压超出中央处理单元的承载能力，从而保护中央处理单元。可见，本实 施例提供的第二信号输入电路的具有电路结构简单，实现方便等优点。本领域技术人员可以理解上述技术方案中，正相放大电路仅为信号放大电路的一种实施方式，二极管钳位电路仅为钳位电路的一种实施方式；其他形态的放大电路，如反相放大电路也可应用到信号采样装置中实现原始信号的放大功能；其他形态的钳位电路也可应用到信号采样装置中实现限制信号放大电路输出电压的功能；在此不再赘述。图3为本发明另一实施例提供的信号采样方法的流程图。本实施例信号采样方法的实施主体可为图I所示的信号采样装置。具体的，如图I和图3所示，本实施例信号采样方法包括步骤31 :分别向第一信号输入电路和第二信号输入电路输入原始信号。本步骤将待采样处理的原始信号分两路输入，即分别向第一信号输入电路的输入端、以及第二信号输入电路的输出端分别输入原始信号。步骤32 :第一信号输入电路向中央处理单元输入原始信号。第一信号输入电路的输出端与中央处理单元连接，向中央处理单元输入原始信号。步骤33 :第二信号输入电路对原始信号经放大处理、并向中央处理单元输入放大信号。第二信号输入电路的具体结构不受限制，如可包括信号放大电路和钳位电路。该情形下，本步骤由信号放大电路放大其输入端输入的原始信号，其输出端经钳位电路向所述中央处理单元输出放大信号；而钳位电路将信号放大电路向中央处理单元输出的放大信号的电压值，限制在预设范围，从而避免信号放大电路的输出电压超出中央处理单元的承载能力，有利于保护中央处理单元。可选的，第二信号输入电路可采用如图2所示的电路结构，其实现原始信号放大以及放大信号的电压钳位的实现机理，可参见上文图2对应实施例的文字记载，在此不再赘述。上述步骤32和步骤33没有时序关系的限制，如步骤32和步骤33可同步执行等。步骤34 :中央处理单元对原始信号和放大信号分别进行采样处理。
本步骤对信号的采样处理算法不受限制。实践经验表明，如果原始信号的电流值大于预设门限值，即原始信号为大信号的情形下，采用同一方法对原始信号和放大信号进行采样处理得到的采样结果基本相同；如果原始信号的电流值小于或等于预设门限值，即原始信号为小信号的情形下，采用同一方法对原始信号和放大信号进行采样处理得到的采样结果差异较大。中央处理单元对第一信号输入电路输入的原始信号、以及第二信号输入电路输入的放大信号分别进行采样处理。步骤35 :中央处理单元判断第一信号输入电路输入的原始信号的电流值是否大于预设门限值，如果是，则执行步骤36 ;否则，执行步骤37。电力系统中，部分电力继电保护设备的最大保护电流为100A，在实际应用过程中可将最大保护电流的1/20，即5A预设为门限值。中央处理单元确定第一信号输入电路输入的原始信号的电流值，并判断该电流值是否大于预设门限值，如判断该电流值是否大于5A，并根据判断结果选择输出原始信号的采样结果或输出放大信号的采样结果。
步骤36 :中央处理单元通过输出接口�？槭涑鲈夹藕诺牟裳峁涑鼋涌谀？橄蛲獠可璞甘涑鲈夹藕诺牟裳峁唤崾玖鞒�。如果中央处理单元确定出原始信号的电流值大于预设门限值，如原始信号的电流值大于5A，则说明原始信号为大信号，中央处理单元将第一信号输入电路输入的原始信号作为有用信号，通过输出接口�？橄蛲獠可璞福缤獠康缌痰绫；ど璞甘涑鲈夹藕诺牟裳峁�。步骤37 :中央处理单元通过输出接口�？槭涑龇糯笮藕诺牟裳峁涑鼋涌谀？橄蛲獠可璞甘涑鲈夹藕诺牟裳峁唤崾玖鞒獭Ｈ绻醒氪淼ピ范ǔ鲈夹藕诺牡缌髦敌∮诨虻扔谠ど杳畔拗担缭夹藕诺牡缌髦敌∮诨虻扔�5A，则说明原始信号为小信号，中央处理单元将第二信号输入电路输入的放大信号作为有用信号，通过输出接口�？橄蛲獠可璞福缤獠康缌痰绫；ど璞甘涑鲈夹藕诺牟裳峁�。本实施例提供的信号采样方法将待处理的原始信号分两路，即第一信号输入电路和第二信号输入电路进入中央处理单元，其中第二信号输入电路对原始信号进行放大处理。中央处理单元对两路输入信号，即原始信号和放大信号分别进行采样处理，并根据原始信号电流值的强度，选择输出原始信号或放大信号的采样结果，即当原始信号为大信号时选择输出原始信号的采样结果，当原始信号为小信号时选择输出放大信号的采样结果，从而保证了无论原始信号为大信号还是小信号，都能较好地保证采样信号的真实性，即在较宽的量程范围提高了信号的采样精度。本领域普通技术人员可以理解本实施例上述流程仅为一次原始信号的采样处理流程的示例，在实际应用过程中，可通过反复执行上述流程以实现信号的连续采样。本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括R0M、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种信号采样装置，其特征在于，包括 中央处理单元、以及分别与所述中央处理单元连接的输入接口模块和输出接口�？椋� 所述输入接口�？榘ǖ谝恍藕攀淙氲缏泛偷诙藕攀淙氲缏罚龅谝恍藕攀淙氲缏酚糜谙蛩鲋醒氪淼ピ淙朐夹藕牛龅诙藕攀淙氲缏酚糜诜糯笏鲈夹藕�、并向所述中央处理单兀输入放大信号； 所述中央处理单元用于对所述原始信号和所述放大信号分别进行采样处理，在所述原始信号的电流值大于预设门限值时，通过所述输出接口�？槭涑鏊鲈夹藕诺牟裳峁裨颍ü鍪涑鼋涌谀？槭涑鏊龇糯笮藕诺牟裳峁�。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于， 所述第二信号输入电路包括信号放大电路和钳位电路； 所述信号放大电路用于放大其输入端输入的所述原始信号，其输出端经所述钳位电路向所述中央处理单元输出所述放大信号； 所述钳位电路与所述信号放大电路的输出端连接，用于将所述信号放大电路向所述中央处理单元输出的所述放大信号的电压值，限制在预设范围。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号放大电路为正相放大电路或反相放大电路。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述正相放大电路包括运算放大器；所述运算放大器的正相输入端输入所述原始信号，其反相输入端经第一电阻与第二电阻的并联点接地，其输出端通过第二电阻和第三电阻的并联点、并经所述钳位电路与所述中央处理单元连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述钳位电路包括反向并联的两个二极管，所述两个二极管的并联点与所述第三电阻连接。
6.一种信号采样方法，其特征在于，包括 分别向第一信号输入电路和第二信号输入电路输入原始信号； 所述第一信号输入电路向中央处理单元输入所述原始信号； 所述第二信号输入电路对所述原始信号经放大处理、并向所述中央处理单元输入放大信号; 所述中央处理单元对所述原始信号和所述放大信号分别进行采样处理，在所述原始信号的电流值大于预设门限值时，通过输出接口�？槭涑鏊鲈夹藕诺牟裳峁裨颍ü鍪涑鼋涌谀？槭涑鏊龇糯笮藕诺牟裳峁�。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于， 所述第二信号输入电路包括信号放大电路和钳位电路； 所述第二信号输入电路对所述原始信号经放大处理、并向所述中央处理单元输入放大信号，包括 所述信号放大电路放大其输入端输入的所述原始信号，其输出端经所述钳位电路向所述中央处理单元输出所述放大信号； 所述钳位电路将所述信号放大电路向所述中央处理单元输出的所述放大信号的电压值，限制在预设范围。
全文摘要
本发明涉及一种信号采样装置和方法，其中信号采样装置包括中央处理单元、以及分别与中央处理单元连接的输入接口�？楹褪涑鼋涌谀？椋皇淙虢涌谀？榘ǖ谝恍藕攀淙氲缏泛偷诙藕攀淙氲缏罚谝恍藕攀淙氲缏酚糜谙蛑醒氪淼ピ淙朐夹藕牛诙藕攀淙氲缏酚糜诜糯笤夹藕�、并向中央处理单元输入放大信号；中央处理单元用于对原始信号和放大信号分别进行采样处理，在原始信号的电流值大于预设门限值时，通过输出接口�？槭涑鲈夹藕诺牟裳峁裨颍ü涑鼋涌谀？槭涑龇糯笮藕诺牟裳峁�。本发明在原始信号为大信号或小信号时，都能较好地保证采样信号的真实性，即在较宽的量程范围提高了信号的采样精度。
文档编号G01R19/00GK102749489SQ20111009923
公开日2012年10月24日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者�：炱�, 房印, 蒋玉红, 高龙集 申请人:北京德威特继保自动化科技股份有限公司