數(shù)字式工頻有效值多用表

1、 數(shù)字式工頻有效值多用表 摘要 我們設(shè)計(jì)制作的數(shù)字式工頻有效值多用表可同時(shí)對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)行測量。該儀表以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，實(shí)現(xiàn)了測量的控制、數(shù)據(jù)分析處理、顯示和量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能。用Altera公司的CPLD7128和高速A/D芯片TLC5510組成雙通道高速同步、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，提高了測量精度。我們設(shè)計(jì)并制作了移相電路，可用于調(diào)試時(shí)校正測量有功功率、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DFT(FFT)算法進(jìn)行各種電參量計(jì)算，在波形失真較小的

2、情況下，測量結(jié)果表明用FFT 算法計(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量。該儀表還可以對已經(jīng)測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量的多功能數(shù)字儀表。關(guān)鍵字：電量測量 FFT算法 積分算法 鎖相倍頻技術(shù) CPLD 高速同步采集 EDA 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量。盡量將傳統(tǒng)數(shù)字化測量方法和現(xiàn)代數(shù)字化測量方法有機(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)

3、代EDA工具。2 系統(tǒng)構(gòu)成 一種傳統(tǒng)的方案是完全由信號的整形變換處理電路和多種測量儀表組合而成，其中包括測電壓、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單，而且方便修改，也易數(shù)字顯示，使得人機(jī)界面簡潔、友好。我們采用的系統(tǒng)原理框圖如下：可控放大器A/D移相A/D8051單片機(jī)顯示鍵盤整形鎖相倍頻控制電路VvViI/O接口可控放大器 考慮到運(yùn)算的需要，同時(shí)也是適應(yīng)被測信號的頻率變化，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

4、的辦法實(shí)現(xiàn)。其中整形電路將被測信號變換為方波后，再經(jīng)鎖相倍頻電路得到2N倍頻信號，此信號作為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RAM，每路采集N點(diǎn)， 然后由89C52 的擴(kuò)展I/O 口8255的PB總線將數(shù)據(jù)讀進(jìn)89C52并作運(yùn)算處理、顯示等。二測量算法的理論分析 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，在信號頻率變化時(shí)若都能保證對信號周波內(nèi)等間隔、均勻采樣60點(diǎn)，這樣采用FFT算法不僅能滿足工頻交流電測量的要求，而且也可以對普通信號的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

5、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)由于信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后會(huì)產(chǎn)生量化噪聲，即經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的信號為原始信號加量化噪聲，量化噪聲幅度為原始信號幅度的倍（其中N為A/D位數(shù)）。因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要考慮A/D位數(shù)對系統(tǒng)精度的影響。 基于60點(diǎn)FFT算法對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)FFT算法分析相同信號(含1、2、3次諧波)條件下A/D位數(shù)對電量參數(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0.6293-0.11090.63900.9848000.008bit-A/D0.6310-

6、0.10970.64020.9856051.089bit-A/D0.6307-0.11010.64030.9850730.7210bit-A/D0.6297-0.11050.63940.9849260.3611bit-A/D0.6292-0.11070.63890.9848520.1812bit-A/D0.6289-0.11080.63860.9848150.09 表二： 基于積分法分析相同信號(含1、2、3次諧波)條件下A/D位數(shù)對電量參數(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0.6293-0.11090.63900.9848000.008bit-A/D0.6312

7、-0.10960.64020.9856081.099bit-A/D0.6309-0.11020.64040.9850740.7310bit-A/D0.6297-0.11050.63940.9849260.3611bit-A/D0.6292-0.11070.63890.9848520.1812bit-A/D0.6289-0.11080.63860.9848150.09 由上面表格結(jié)果，經(jīng)分析得出采用8bit-A/D即可滿足精度要求。因此我們采用8bit-A/D芯片。2 基于時(shí)域分析的積分法 輸入的交流信號經(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

8、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= （3）無功功率 Q= （4） （5）以上各式中的，分別表示電壓及電流的第n點(diǎn)采樣值。這種方法比較直接，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)輸入信號的基波信號為頻率為的正弦波電壓 （6） 2， 式中 初相位； 幅值。u(t)可用矢量的虛部表示。 = + （7） 若將看作的

9、復(fù)數(shù)振幅 （8） 對信號每周采樣次產(chǎn)生采樣序列 = 式中 采樣間隔。對進(jìn)行離散傅里葉變換得到基波分量的頻譜系數(shù)。 = = （9） （10） （11） 對正弦輸入信號可證明 （12）是輸入信號的基波頻譜系數(shù)，由式(7)(8)和(12)可得出與的關(guān)系。 = （13）可見和都是表示輸入信號基波分量的復(fù)數(shù)振幅，和分別為復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部。 對于二次和三次諧波，同樣可得其復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部和虛部： （14） （15） （16） （17） 對另一路輸入的交流電流信號可同樣應(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。 （2）交流電壓電流有功功率和無功功率有效值的計(jì)算。 已知輸入信號基波電壓（電流）復(fù)數(shù)

10、振幅的實(shí)部和虛部，不難求得：基波交流電壓和交流電流有功功率和無功功率的有效值。 設(shè)、為基波電壓的實(shí)部和虛部，、為基波電流的實(shí)部和虛部，、分別為基波的交流電壓、電流、有功功率、無功功率，則有： （18） （19） （20） （21） （22） 對于二次諧波，同樣可由傅立葉變換得： （23） （24） （25） （26） （27）對于三次諧波，同樣應(yīng)用得 總的輸入信號的有效值，有功、無功功率，功率因數(shù)為： （28） （29） （30） （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 （32） 其相對誤差為。4對稱方波基波特性的理論分

11、析 周期為T的信號可分解為 其中，角頻率，為n次諧波的系數(shù) ， ，n次諧波的幅度 假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對稱交流方波（正負(fù)幅度均為0.5A）0.5A-0.5At 由上述公式，可以求出此方波的傅立葉級數(shù)展開式為 由此得出，此對稱方波的基波幅度為 基波有效值為 (33)此方波的有效值 (34)總諧波的有效值為 (35)失真度 (36)四電路的分析與設(shè)計(jì) 1、A/D通道的設(shè)計(jì)針對本系統(tǒng)的測量特點(diǎn)，通道對被測交流電壓信號和電流信號的采樣要嚴(yán)格同步，并且均勻等間隔地采樣，保證采集到的數(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的同步轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)鎖存，所以雙通道的采樣信號需要被測信號的120倍頻

12、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、讀寫信號的產(chǎn)生很容易發(fā)生錯(cuò)誤。為此我們采用Altera公司的大規(guī)?？删幊唐骷盗芯幊虒?shí)現(xiàn)，它可以在系統(tǒng)仿真編程，并且有強(qiáng)大的EDA設(shè)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或語言編寫。其中A/D芯片我們選用TLC5510實(shí)現(xiàn)。TLC5510是8位CMOS模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），用單5 V電源工作只消耗100 mW的功率。包含有內(nèi)部采樣和保持

13、電路，以及內(nèi)部基準(zhǔn)電阻，獲得一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)所需的時(shí)間為2.5個(gè)時(shí)鐘。內(nèi)部基準(zhǔn)電阻使用VDDA可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的2V滿度轉(zhuǎn)換范圍。TLC5510的工作溫度范圍從-20至75. 其主要特點(diǎn)為： ·線性度誤差 +0.75LSB Max (25) +1LSB Max (-20至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VDDA至AGND和VDDA至DGND分別用F電容器去耦。 用EPM7128實(shí)現(xiàn)控制電路的頂層原理圖如下：2、 采樣時(shí)鐘產(chǎn)生-鎖相倍頻電路的設(shè)計(jì) 我們采用鎖相環(huán)路（PLL）對被測信號120倍頻來產(chǎn)生采樣時(shí)鐘。這樣，當(dāng)輸入信號頻率發(fā)生變化時(shí)，采樣時(shí)鐘會(huì)自

14、動(dòng)跟蹤變化。用這種方法就可以保證實(shí)現(xiàn)對被測信號周波內(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120相位 比較器環(huán)路 濾波VCO120分頻整形電路將輸入交流信號變換成方波，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OP37，其中D2和D3是限幅二極管，大于10mv的交流信號都能可靠地整形為方波。 鎖相電路采用CMOS單片集成鎖相環(huán)CC4046，其主要特點(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： VCO線性度：1%VCO占空比：50%頻率穩(wěn)定度：（1/V） 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

15、動(dòng)量程的轉(zhuǎn)換是由改變信號的衰減實(shí)現(xiàn)的。如圖所示當(dāng)輸入信號v1或v2大于0.5V時(shí),對應(yīng)的繼電器處于斷開狀態(tài)，一旦小于0.5V時(shí)，程序檢測到A/D通道的數(shù)據(jù)小于某數(shù)值，置P3.2或P3.3為高通過功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803使繼電器合上，從而斷開分壓電阻就改變了信號的放大倍數(shù)。1 移相電路移相電路 測試時(shí)我們做了一個(gè)有源恒幅移相電路如圖所示，用來將電壓信號移相后得到電流信號。該電路可以產(chǎn)生00 -1800的相移。 在EDA設(shè)計(jì)軟件Electronic Workbench平臺(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89C52CPU、RAM、鍵盤、顯示、

16、I/O口擴(kuò)展等部分組成。 （1）89C52主機(jī)部分以89C52為核心，外圍輔以8K×8靜態(tài)RAM芯片6264，并口擴(kuò)展芯片8255A，地址鎖存器74LS573，譯碼電路，以及復(fù)位電路等部分，如附圖所示。89C52同89C51的差別僅在程序存儲(chǔ)器的容量不同，它內(nèi)帶8KEEPROM，不需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器。這部分的特色是采用了一片GAL16V8D作為系統(tǒng)的高位地址譯碼芯片，由于GAL的可編程及重寫性，從而大大減小系統(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)LED顯示電路 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74LS595,利用其串并

17、轉(zhuǎn)換功能送入數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，發(fā)光二極管顯示當(dāng)前狀態(tài)。SER數(shù)據(jù)串入端接P1.3。SRCLK觸發(fā)時(shí)鐘端接P1.4，RCLK并行脈沖信號接P1.5,僅占用了系統(tǒng)三根口線，使硬件較為簡單，節(jié)約了系統(tǒng)的資源，而且簡化了編程。（3） 鍵盤電路采用兩片移位寄存器74LS164，僅占用P1.0，P1.1，P1.2三根口線，消抖由軟件延時(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、-12V、+5V和-5V的直流電源。三端穩(wěn)壓器7812、7912、7805、7905本身具有過流保護(hù)功能。C3、C4用來濾掉電源中的高頻紋波。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

18、有效值有功功率無功功率的計(jì)算查鍵 有鍵按下否 按RETURNYN開始從存儲(chǔ)區(qū)讀取電壓數(shù)據(jù)計(jì)算U=從存儲(chǔ)區(qū)讀取電流數(shù)據(jù)計(jì)算I=計(jì)算P=計(jì)算Q=計(jì)算結(jié)束積分法流程圖FFT算法流程圖4、 系統(tǒng)功能說明（）基本功能：用按鍵來完成工頻交流電壓、電流信號有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的測量與顯示，并且能夠顯示基波與諧波的有效值和測量過程中的最大值、最小值。當(dāng)輸入小于0.5V時(shí)，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)輸入信號低于0.5V時(shí)和大于5V時(shí)，通過P1.7輸出高電平經(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。 ）失真度測量顯示： 根據(jù)非線性失真系數(shù)的定義，即高次諧

19、波分量的均方值與基波分量之比。 式中為基波分量，、為高次諧波分量，采用改進(jìn)的DFT算法，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的失真度并送顯示。五 系統(tǒng)調(diào)試及測試分析1. 系統(tǒng)調(diào)試過程 調(diào)試設(shè)備： 586 PC機(jī) 一臺(tái) HONGHUA/502型雙蹤示波器 一臺(tái) MG1043 函數(shù)信號發(fā)生器 一臺(tái) ICE/EXPLOREOR/G6E仿真器 一臺(tái) UT2003數(shù)字式萬用電表 一只 測試條件: 220V市電,室溫25-28C （）對單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試，包括LED顯示部分，鍵盤部分，RAM的讀寫，I/O擴(kuò)展口。（）對高速A/D采集部分的調(diào)試 先在MAX+PLUSII軟件中進(jìn)行波形

20、仿真，輸入輸出波形時(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MCS51中調(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)?0HZ10HZ的信號進(jìn)行120倍頻，尤其注意保持了鎖相倍頻信號的穩(wěn)定不抖動(dòng)，調(diào)試初期倍頻信號的頻率抖動(dòng)是因?yàn)?046的中心頻率偏移超出跟蹤帶的緣故。 （4） 程控增益放大電路測試,當(dāng)電壓值<0.5V時(shí)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程。2測試結(jié)果及分析（1） 交流電壓電流有效值測試 輸入為對稱方波信號 測量次數(shù)123456交流電壓 表頭值0.6560.7921.532.1833.724.850實(shí)測值61.6080.61154.1219.7370.1484.1交流電流 Vi表頭值0.9541.6722.1032.9203.6824.502實(shí)測值9.29317.0321.5229.2736.7845.10有功功率實(shí)測值486.1122424905029996415.63k無功功率實(shí)測值310.4620.721904008927415.22k功率因數(shù)實(shí)測值0.8400.8920.7510.7820.7320.710 輸入為正弦信號 測量次數(shù)12