近年来，各行业以及家用电器、电铁牵引中许多非线性负荷日渐增多，特别是一些大功率变流设备和电弧炉的大量应用，导致电网中产生大量的高次谐波电流，进而引起电压波形发生较大的畸变。电能计量数据是发电企业、输配电企业、电力用户之间进行电费结算的依据，它的准确与否直接影响到三者的利益以及交易的合理性。

在电力谐波分析计量表研发中，采用了DSP+MCU的方案，再加上前端的信号采集模块，系统结构复杂，模拟和数字信号并存。采用传统的模拟示波器或简单的数字示波器，已经不能完全满足项目需要，决定采用性价比高、操作简便的DS1000CD混合信号示波器，在电路调试过程中发挥了重要作用。

DS1000CD示波器的特点

DS1000系列数字示波器是普源精电(RIGOL)公司于2006年初推出的一款紧凑型数字存储示波器,带宽为25～100MHz，能够同时进行模拟及数字信号测试，内部结构非常紧凑，其厚度只有154mm，非常便于携带和使用。

DS1000CD包含逻辑分析模块，具备丰富的触发功能和可调触发灵敏度；用户可用一台示波器同时观测模拟和数字信号，并可以在各种复杂信号中稳定触发；显示器采用16位彩色TFT液晶显示系统，使波形显示更加清晰；DS1000CD存储深度可达1M，正常模式也可达到512K。DS1000还有模拟显示、数字滤波器、波形录制、波形亮度调节、USB HOST功能，并支持U盘和USB接口打印机，满足多方面的操作需求。DS1000CD的操作很简单，内置的测量帮助系统可以对测试步骤进行提示，从而指导测试工作的完成；方便的网格类型设置、亮度调节、波形亮度调节、可录制1000帧波形信号及回放功能，大大提高了测量效率；DS1000CD还具有内部的文件系统，可以对U盘文件进行操作处理，包括新建、删除等一些操作；同时还具备了中文输入系统，使工程师和技术人员很方便地进行操作。

电力谐波分析计量表的主要功能和结构框图

电力谐波分析计量表的主要功能是采集实时的电压和电流波形数据，计算电功率并分析电压电流中的各次谐波成分。谐波分析采用FFT算法，因计算量较大，单一的MCU已经不能胜任。我们采用DSP＋MCU的双核方案，DSP负责数据采集、功率计算和FFT分析，MCU负责电能累计、数据存储、显示和通信等工作。系统结构如图所示。

系统结构框图

数据采样及时序分析

我国电网额定频率是50Hz，但实际上总是有些许的偏差。由于FFT本身的原因，如果系统不能很准确地将采样频率和实际电网频率进行同步，则在FFT计算中会产生频谱泄漏的问题。所以在系统设计的时候，必须保证两者的同步，我们采用了锁相同步采样脉冲发生器来实现这一点。

在系统测试过程中，需要了解采样脉冲和电压电流波形的同步性，考虑到传统两通道示波器已经很难兼顾这些信号。DS1000CD示波器具备同时采集16路DAC输入的数字信号和两路输出的模拟信号，这给数字模拟混合信号的测量和调试带来了极大的方便。我们选用DS1000CD的两个模拟通道监测电压和电流信号，并用其数字通道监视同步采样脉冲发生模块的工作。DS1000CD的存储深度达到1MB采样点(单通道)，512KB采样点(双通道)，深存储带来的信号采集和分析的便利，突破了以往低端示波器的性能指标。正是由于DS1000CD具有如此大的存储深度，所以能够完整地记录整个周期的波形以及采集数据，这对于进行DSP的FFT计算结果评估起到了决定性的作用。

谐波及功率计算时间分析

系统设计中要求功率和谐波计算能在一个周期内完成，也就意味着电网频率为50Hz时必须在20ms内完成所有的计算。由于DSP需要从ADC模块中读取数据，并把计算结果发送给主控MCU，所以数值计算时间特别是FFT计算所用的时间必须进行估计。通过DS1000CD示波器的数字通道，可以通过监示DSP和MCU及ADC的通信，了解DSP工作的详细过程，并通过长时间的观察和记录，得到DSP计算功率和谐波的时间，并通过程序优化，使该时间值保持在一定的安全范围内。

数据通信波形分析

由于系统具有IR(红外线)和RS485通信接口，通信功能调试过程中，主要采用完整数据帧记录然后进行分析的方法，加快了开发速度。比如在IR通信测试中发现，系统通信有时很不稳定，开始一直没有找出原因。后来采用硬件波形记录，通过分析发现，是附近的红外干扰源引起了通信的不稳定，排除了程序自身错误的可能。

结束语

在对科研要求越来越高的高校里，随之而来的是对科研辅助设备的要求。示波器作为高校实验室的一种基础设备，在科研中起着举足轻重的作用，从模拟示波器到数字示波器，从普通数字示波器，到功能强大的数字示波器。从RIGOL公司的DS5000到现在的DS1000，其很多功能都具有明显的优势，大大提高了科研的效率和效果。在我们这个科研项目的进行过程中，DS1000示波器的带宽、采样率以及存储深度使我们能够得到更加的实验数据，其多种触发功能提高了实验室的工作效率，其自动测量功能、强大的软件功能在我们对其使用的过程中起了重要的作用。