【畢業(yè)學(xué)位論文】(Word原稿)數(shù)字式工頻有效值多用表-控制理論與控制工程

51 數(shù)字式工頻有效值多用表 摘 要 我們?cè)O(shè)計(jì)制作的數(shù)字式工頻有效值多用表可同時(shí)對(duì)工頻交流電的電壓有效值、電流有效值、有功功率、功率因數(shù)、電壓基波及總諧波的有效值等電量進(jìn)行測(cè)量。該儀表以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的控制、數(shù)據(jù)分析處理、顯示和量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能。用 司的 高速 A/D 芯片 成雙通道高速同步、均勻等間隔數(shù)據(jù)采集電路。特別是采用鎖相倍頻電路，保證頻率變化時(shí)每周波均勻采樣，提高了測(cè)量 精度。我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了移相電路，可用于調(diào)試時(shí)校正測(cè)量有功功率、無功功率和功率因數(shù)。 本儀表主要采用積分法和改進(jìn)的 法進(jìn)行各種電參量計(jì)算，在波形失真較小的情況下，測(cè)量結(jié)果表明用 法計(jì)算出的各種電量值的精度更高，并且很容易實(shí)現(xiàn)電壓基波和總諧波的有效值測(cè)量。 該儀表還可以對(duì)已經(jīng)測(cè)量出的電壓基波和總諧波的有效值進(jìn)行比值計(jì)算、顯示而成為具有失真度測(cè)量的多功能數(shù)字儀表。 關(guān)鍵字 ： 電量測(cè)量 法 積分算法 鎖相倍頻技術(shù) 高速同步采集 52 一 方案論證 1 設(shè)計(jì)要點(diǎn) （ 1）、作為數(shù)字化儀表，盡量做到高精度、智能化、自動(dòng)化。 （ 2）、設(shè)計(jì)時(shí)既充分考慮工頻交流電特征，同時(shí)也能適用于一般非工頻電參量測(cè)量。盡量將傳統(tǒng)數(shù)字化測(cè)量方法和現(xiàn)代數(shù)字化測(cè)量方法有機(jī)結(jié)合起來。 （ 3）、在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用大規(guī)模新器件，如高密度可編程器件，在設(shè)計(jì)過程中使用現(xiàn)代 具。 2 系統(tǒng)構(gòu)成 一種傳統(tǒng)的方案是完全由信號(hào)的整形變換處理電路和多種測(cè)量?jī)x表組合而成，其中包括測(cè)電壓、電流的表頭、功率表頭等等。這種方案不僅電路復(fù)雜，也不方便 顯示觀察。另一種是包括具有運(yùn)算功能的單元的系統(tǒng)，比如以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集、變換、運(yùn)算處理、顯示為一體的系統(tǒng)電路，顯然有軟件算法的支持不僅電路簡(jiǎn)單，而且方便修改，也易數(shù)字顯示，使得人機(jī)界面簡(jiǎn)潔、友好。我們采用的系統(tǒng)原理框圖如下： 考慮到運(yùn)算的需要，同時(shí)也是適應(yīng)被測(cè)信號(hào)的頻率變化，可控放大器 A/D 移相 A/D 8051 單 片 機(jī) 顯示 鍵盤 整形 鎖相倍頻 控制電路 i I/O 接口 可控放大器 53 保持均勻等間隔采樣，必須控制采樣時(shí)鐘，我們采用鎖相倍頻的辦法實(shí)現(xiàn)。 其中整形電路將被測(cè)信號(hào)變換為方波后，再經(jīng)鎖相倍頻電路得到 2N 倍頻信號(hào)，此信號(hào)作為 A/D 轉(zhuǎn)換控制電路的時(shí)鐘，用來將電壓通道 和電流通道采集的數(shù)據(jù)鎖存并存入 路采集 N 點(diǎn)， 然后由 89擴(kuò)展 I/O 口 8255 的 線將數(shù)據(jù)讀進(jìn) 89作運(yùn)算處理、顯示等。 二 測(cè)量算法的理論分析 1采樣點(diǎn)數(shù)和 A/D 位數(shù)的設(shè)計(jì)論證 （工頻信號(hào)周波內(nèi)） （ 1）采樣點(diǎn)數(shù) N 的選取 根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在信號(hào)頻率變化時(shí)若都能保證對(duì)信號(hào)周波內(nèi)等間隔、均勻采樣 60 點(diǎn)，這樣采用 法不僅能滿足工頻交流電測(cè)量的要求，而且也可以對(duì)普通信號(hào)的 30 次以下諧波進(jìn)行分析。同時(shí)考慮到采樣點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，積分法進(jìn)行運(yùn)算的誤差就難以達(dá)到系統(tǒng)的精 度要求。所以選擇N=60。 （ 2） A/D 位數(shù)的選擇依據(jù) 由于信號(hào)經(jīng)過 A/經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后的信號(hào)為原始信號(hào)加量化噪聲，量化噪聲幅度為原始信號(hào)幅度的 2 1 ( )N 倍（其中 ）。因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要考慮 A/ 基于 60 點(diǎn) 法對(duì) A/D 位數(shù)的影響進(jìn)行分析（量化噪聲迭加于振幅），結(jié)果列于下表中。 表一： 基于 60 點(diǎn) 法分析相同信號(hào) (含 1、 2、 3 次諧波 )條件下 A/D 位數(shù)對(duì)電量參數(shù)的影響表： 有功功率 無功功率 視在功率 功率因數(shù) 最大 誤差 (%) 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 54 8 0 1 2 二： 基于積分法分析相同信號(hào) (含 1、 2、 3 次諧波 )條件下A/D 位數(shù)對(duì)電量參數(shù)的影響表： 有功功率 無功功率 視在功率 功率因數(shù) 最大 誤差 (%) 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 0 1 2 上面表格結(jié)果，經(jīng)分析得出采用 8 即可滿足精度要求。因此我們采用 8 芯片。 2 基于時(shí)域分析的積分法 輸入的交流信號(hào)經(jīng) A/D 采樣后，在基波周期內(nèi)等間隔取出采樣點(diǎn)，根 據(jù)有效值、有功功率、無功功率的定義，采用積分法計(jì)算。 即 電壓有效值 U= （ 1） 電流有效值 I= （ 2） 平均有功功率 P= 1（ 3） 無功功率 Q= 222 （ 4） 55 （ 5） 以上各式中的 別表示電壓及電流的第 種方法比較直接，當(dāng)諧波分量較小時(shí)精度比較高，但是不能分析諧波，而且當(dāng)輸入交流信號(hào)畸變嚴(yán)重時(shí)，或者包含較高的諧波分量時(shí)，會(huì)有較大的 誤差。要想減小由離散化引入的誤差，就必須提高采樣頻率，即增加工頻周波內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，這樣大大地增加了運(yùn)算量，降低了處理速度。 3 基于頻域分析的傅里葉變換 （ 1）傅立葉變換 假設(shè)輸入信號(hào)的基波信號(hào)為頻率為 的正弦波電壓 )s ( 0 （ 6） 20f， 00 式中 初相位； A 幅值。 u(t)可用矢量 U 的虛部表示。 s o ss o s = s s + s ss （ 7） s o sc o ss 若將 作 U 的復(fù)數(shù)振幅 s o s （ 8） 對(duì) 號(hào)每周采樣 N 次產(chǎn)生采樣序列 56 式中 采樣間隔。 對(duì) 10212 = 10102s = RI 1 （ 9） 1012co k （ 10） 1012s i k （ 11） 對(duì)正弦輸入信號(hào)可證明 （ 12） RI 11 是輸入信號(hào)的基波頻譜系數(shù)，由式 (7) (8)和(12)可得出 關(guān)系。 1111 = s o s（ 13） 可見 是表示輸入信號(hào)基波分量的復(fù)數(shù)振幅， 對(duì)于二次和三次諧波，同樣可得其復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部： 10222s k （ 14） 10222co k （ 15） 03 （ 16） o 03 （ 17） 57 對(duì)另一路輸入的交流電流信號(hào)可同樣應(yīng)用上述公式求出各次諧波分量的復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部32211 , 。 （ 2）交流電壓 電流 有功功率和無功功率有效值的計(jì)算。 已知輸入信號(hào)基波電壓（電流）復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部，不難求得：基波交流電壓 U 和交流電流 I 有功功率 P 和無功功率 Q 的有效值。 設(shè)U、1I、1P、1流、有功功率、無功功率，則有： 2/)( 21211 （ 18） 2/)( 21211 （ 19） 2/)(11111 （ 20） 2/)(11111 （ 21） 111 （ 22） 對(duì)于二次諧波，同樣可由傅立葉變換得： 2/)( 22222 （ 23） 2/)( 22222 （ 24） 2/)( 22222 （ 25） 2/)( 22222 （ 26） 222 （ 27） 對(duì)于三次諧波，同樣應(yīng)用得 2/)( 23233 2/)( 23233 2/)( 23333 2/)( 33333 333 58 總的輸入信號(hào)的有效值，有功、無功功率，功率因數(shù)為： 232221 （ 28） 321 （ 29） 321 （ 30） 321 （ 31） 其他高次諧波，計(jì)算公式可仿此類推。 上兩式中求有效值時(shí)要求平方根，占用太多的計(jì)算時(shí)間，采用近似計(jì)算公式 )3(35 222（ 32） m m 相對(duì)誤差為 % 4 對(duì)稱方波基波特性的理論分析 周期為 f t() 可分解為 f t a a t a t b t b t( ) c o s c o s s i n s i n 01 2 1 22 2 2 a a n t b n tn 12 c o s s i n 其中，角頻率T2，nn n 次諧波的系數(shù) c 2 22， ,2,1,0n 22s 2 ， ,2,1,0n n 次諧波的幅度 22假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱交流 方波（正負(fù)幅度均為 59 由上述公式，可以求出此方波的傅立葉級(jí)數(shù)展開式為 s s ,5,3,1n 由此得出，此對(duì)稱方波的基波幅度為 1 基波有效值為 211 (33) 此方波的有效值 1 2/2/22 (34) 總諧波的有效值為 1 7 3 (35) 失真度 %0013 D(36) 四 電路的分析與設(shè)計(jì) 1、 A/D 通道的設(shè)計(jì) 針對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)量特點(diǎn)， 道對(duì)被測(cè)交流電壓信號(hào)和電流信號(hào)的采樣要嚴(yán)格同步，并且 均勻等間隔地采樣，t )( 60 證采集到的數(shù)據(jù)是同一時(shí)刻下的兩路波形。由于一個(gè)周期內(nèi)要 60 點(diǎn)采樣且要完成兩路信號(hào)的同步 換、數(shù)據(jù)鎖存，所以雙 道的采樣信號(hào)需要被測(cè)信號(hào)的 120 倍頻來實(shí)現(xiàn)采集控制。為了精確地實(shí)現(xiàn)同步、均勻地采樣，我們沒有用單片機(jī)控制采樣，而是設(shè)計(jì)了獨(dú)立的高速采樣通道，它由控制電路和存儲(chǔ)芯片 6264 組成。原理框圖如下： 上述控制電路必須要有嚴(yán)格的時(shí)序要求，特別是兩路數(shù)據(jù)切換時(shí)和 6264 的地址計(jì)數(shù)器、讀寫信號(hào)的 產(chǎn)生很容易發(fā)生錯(cuò)誤。為此我們采用 司的大規(guī)?？删幊唐骷?列編程 15867 1 2 8 現(xiàn)，它可以在系統(tǒng)仿真編程，并且有強(qiáng)大的 計(jì)軟件 支持，修改、調(diào)試十分方便。其設(shè)計(jì)文件可用原理圖輸入亦可用 言編寫。 其中 A/位 數(shù)字轉(zhuǎn) 換器（ 用單 5 00 功率。包含有內(nèi)部采樣和保持電路，以及內(nèi)部基準(zhǔn)電阻，獲得 61 一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)所需的時(shí)間為 時(shí)鐘。內(nèi)部基準(zhǔn)電阻使用V 滿度轉(zhuǎn)換范圍。 工作溫度范圍從 75 . 其主要特點(diǎn)為： 線性度誤差 +25 ) +1 75 ) 最大轉(zhuǎn)換速率 可達(dá)每秒 20兆采樣數(shù) 為了減少系統(tǒng)噪聲，在 別用 F 電容器去耦。 用 2、 采樣時(shí)鐘產(chǎn)生 我們采用鎖相環(huán)路（ 被測(cè)信號(hào) 120 倍頻來產(chǎn)生采樣時(shí)鐘。這樣，當(dāng)輸入信號(hào)頻率發(fā)生變化時(shí)，采樣時(shí)鐘會(huì)自動(dòng)跟蹤變化。用這種方法就可以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信 62 號(hào)周波內(nèi) 60 點(diǎn)的均勻等間隔采樣。實(shí)現(xiàn)原理圖如下： 整形電路將輸入交流信號(hào)變換成方波，需選用高增益 低噪聲的運(yùn)放，這里用了高精度 低漂移運(yùn)放中 3是限幅二極管，大 于10交流信號(hào)都能可靠地整形為方波。 鎖相電路采用 片集成鎖相環(huán) 主要特點(diǎn)是電壓范圍比較寬，功耗低， 輸入阻抗高。主要參數(shù)為： 功耗： 性度： 1% 空比： 50% 頻率穩(wěn)定度： % （ 1/V） 0f 整形電路 1200 比較器 環(huán)路 濾波 20 分頻 63 鎖相倍頻的輸出作為 A/D 采集的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和 7128 內(nèi)控制電路的時(shí)鐘。 電路圖如下所示： 3、 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路 自 動(dòng)量程的轉(zhuǎn)換是由改變信號(hào)的衰減實(shí)現(xiàn)的。如圖所示當(dāng)輸入信號(hào) ,對(duì)應(yīng)的繼電器處于斷開狀態(tài)，程序檢測(cè)到 A/繼電器合上，從而斷開分壓電阻就改變了信號(hào)的放大倍數(shù)。 64 1 移相電路 測(cè)試時(shí)我們做了一個(gè)有源恒幅移相電路如圖所示，用來將電壓信號(hào)移相后得到電流信號(hào)。該電路可以產(chǎn)生 00 在 計(jì)軟件 臺(tái)上仿真，得到波形 圖如下所示： 2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心控制部分，由89盤、顯示、 I/O 口擴(kuò)展等部分組成。 （ 1） 89以 89核心，外圍輔以 8K 8 靜態(tài) 片 6264，并口擴(kuò)展芯片 8255A，地址鎖存器 74碼電路，以及復(fù)位電路等部分，如附圖所示。 89 89差別僅在程序存儲(chǔ)器的容量不同，它內(nèi)帶 8需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器。這部分的特色是采用移相電路 65 了一片 為系統(tǒng)的高位地址譯碼 芯片，由于 而大大減小系統(tǒng)的組合邏輯電路，并且方便修改，增加了系統(tǒng)的靈活性。 （ 2） 顯示電路 6 位靜態(tài) 示電路 使用單片機(jī)系統(tǒng)串行輸出，采用了 7片 8位串入并出的移位寄存器 74用其串并轉(zhuǎn)換功能送入數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果，發(fā)光二極管顯示當(dāng)前狀態(tài)。據(jù)串入端接 發(fā)時(shí)鐘端接 占用了系統(tǒng)三根口線，使硬件較為簡(jiǎn)單，節(jié)約了系統(tǒng)的資源，而且簡(jiǎn)化了編程。 （ 3） 鍵盤電路 采用兩片移位寄存器 74占用 抖由軟件延時(shí)完成。 6、電源電路 電源電路如上圖所示，該電路主要為系統(tǒng)提供 +12V、+5V 和 直流電源。三端穩(wěn)壓器 7812、 7912、7805、 7905 本身具有過流保護(hù)功能。 來濾掉電源中的高頻紋波。 66 四 軟件系統(tǒng)介紹 主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 雙通道采集數(shù)據(jù) 進(jìn)行有效值 有功功率無功功率的計(jì)算 查鍵 有鍵按下否 按 N 67 積分法流程圖 開始 從存儲(chǔ)區(qū)讀取電壓數(shù)據(jù) 計(jì)算 U= 60/2602221 從存儲(chǔ)區(qū)讀取電流數(shù)據(jù) 計(jì)算 I= 60/2602221 計(jì)算 P= 60602211601 計(jì)算 Q= 2 計(jì)算 68 法流程圖 69 4、 系統(tǒng)功能說明 （）基本功能：用按鍵來完成工頻交流電壓、電流信號(hào)有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的測(cè)量與顯示，并且能夠顯示基波與諧波的有效值和測(cè)量過程中的最大值、最小值。當(dāng)輸入小于 ，能夠自動(dòng)切換量程。 （） 擴(kuò)展功能： ）量程切換和超量程報(bào)警： 當(dāng)輸入信號(hào)低于 和大于 5V 時(shí)，通過 出高電平經(jīng)驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，并使發(fā)光二極管指示全滅。 ）失真度測(cè)量顯示： 根據(jù)非線性失真系數(shù)的定義，即高次諧波分 量的均方值與基波分量之比。 122322 D n 式中1U、 3U 用改進(jìn)的 法，很容易求出基波和各次諧波分量的有效值，運(yùn)用上式即可算得輸入信號(hào)的失真度并送顯示。 五 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試分析 1. 系統(tǒng)調(diào)試過程 調(diào)試設(shè)備： 586 一臺(tái) 02 型雙蹤示波器 一臺(tái) 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 一臺(tái) 6E 仿真器 一臺(tái) 字式萬用電表 一只 測(cè)試條件 : 220V 市電 ,室溫 250 70 （）對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試，包括 示部分，鍵盤部分， 讀寫， I/O 擴(kuò)展口。 （）對(duì)高速 A/D 采集部分的調(diào)試 先在 入輸出波形時(shí)序正確后下載器件編程， 可試加方波和正弦波，使用仿真器，在匯編集成調(diào)試環(huán)境 調(diào)試使采樣點(diǎn)數(shù)和采樣值正確無誤。 （ 3 ）同步跟蹤鎖相電路的調(diào)試，使其能夠?qū)?010信號(hào)進(jìn)行 120 倍頻，尤其注意保持了鎖相倍頻信號(hào)的穩(wěn)定不抖動(dòng)，調(diào)試初期倍頻 信號(hào)