【基于開關(guān)電容的微電流測量方法與仿真探究8700字（論文）】

基于開關(guān)電容的微電流測量方法與仿真研究摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,微電流的檢測日漸迫切,其檢測技術(shù)在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景、對(duì)推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。本課題通過對(duì)微電流測量方法的研究,設(shè)計(jì)實(shí)用電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮安級(jí)微電流的測量在分析常用微電流測量方法—高輸入阻抗法和積分法的基礎(chǔ)上,提出新的微電流測量法—開關(guān)電容微電流測量法這種方法不僅實(shí)現(xiàn)電流向電壓的轉(zhuǎn)換,同時(shí)將被測信號(hào)調(diào)制成交流信號(hào),調(diào)制后的交流信號(hào)同時(shí)被放大,其幅值與被測電流信號(hào)的幅值成正比。開關(guān)電容式微電流測魚法克服了高輸入阻抗法調(diào)零難和積分法時(shí)間響應(yīng)慢的缺點(diǎn)。在微電流測量技術(shù)中,主要是考慮在有效抑制噪聲的條件下對(duì)從微電流轉(zhuǎn)換來的電壓信號(hào)放大方法的研究。本論文提出選頻放大的方法對(duì)前級(jí)調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行放大,然后通過開關(guān)式相敏檢波對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。本課題設(shè)計(jì)的選頻電路由高通濾波電路和低通濾波電路級(jí)聯(lián)組成,電路參數(shù)較少,易于設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)。由于選頻濾波放大電路對(duì)噪聲的有效抑制,放大倍數(shù)可以做到16萬倍。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,整個(gè)電路系統(tǒng)具有線性好、漂移小、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：開關(guān)電容；微電流；選頻放大；測量與仿真目錄TOC\o"1-3"\h\u320621緒論 172311.1課題背景及意義 11091.2微電流測量國內(nèi)外的現(xiàn)狀 1292521.3課題的目的 2234992相關(guān)概念簡述 2213752.1電容電流簡介 2151642.2電容電流測量概述 352232.3測量電容電流的必要性 384372.4微電流測量方法 460302.4.1微電流測量方法之一—高輸入阻抗法 4290922.4.2微電流測量方法之二—積分法 6127193電容電流測量 7119933.1電容電流測量裝置硬件設(shè)計(jì)部分的簡要介紹 7181553.2測量裝置所用主要芯片的介紹 8147753.3電容電流測量裝置硬件部分 10131113.3.1電源部分 1021083.3.2主控制器電路 11243363.3.3功率放大電路 12188394軟件設(shè)計(jì) 13109874.1DA輸出子程序 1367604.2測量子程序 14284074.3顯示子程序 16122625結(jié)束語 1631282參考文獻(xiàn) 171緒論1.1課題背景及意義微電流(小于10-6安培)普遍存在于人類生活中，隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)微電流的測量技術(shù)要求越高。例如在航天方面，探測器產(chǎn)生的總電離量與輸出電路中積累的電荷直接有關(guān)，并在某一段時(shí)間內(nèi)所要測量的電路中電流是十分微弱的(通常僅在10-8~10-14安范圍內(nèi));在醫(yī)療方面，微電流療法就是利用微電流刺激細(xì)胞能量合成，增強(qiáng)局部組織的生物電流，促進(jìn)愈合。此外，測量半導(dǎo)體的反相漏電流，估計(jì)空氣高層大氣的電離率以及為其它許多科學(xué)領(lǐng)域提供資料方面，也都需要精確地測量它們微弱地電流。對(duì)于各種微弱的被測量，例如弱光、弱磁、弱聲、小位移、小電容、微壓力、微溫差等，一般都是通過相應(yīng)的傳感器將其轉(zhuǎn)換為微電流和低電壓，再經(jīng)過放大器放大其幅度以期指示被測量的大小?？梢?，微電流和低電壓測量技術(shù)的提高對(duì)微弱信號(hào)測量起決定性作用。但是放大電路的固有噪聲以及外界的干擾往往比有用信號(hào)的幅度大得多，放大被測信號(hào)的過程同時(shí)也放大了噪聲，而且必然還會(huì)附加一些額外的噪聲，例如放大器的內(nèi)部固有噪聲和各種外部千擾的影響，因此只靠放大是不能把微弱信號(hào)檢測出來的，只有在有效地抑制噪聲的條件下增大微弱信號(hào)的幅度，才能提取出有用信號(hào)。為了達(dá)到這樣的目的，必須研究微弱信號(hào)檢測的理論，方法和設(shè)備。本課題主要研究微電流檢測的方法，研究低電壓放大的方法。因?yàn)橥ㄟ^前級(jí)放大電路將微電流轉(zhuǎn)變成微電壓，在I/V轉(zhuǎn)變中實(shí)現(xiàn)一定的放大倍數(shù)，然后通過后級(jí)放大電路將低電壓放大到后續(xù)電路能處理的程度。1.2微電流測量國內(nèi)外的現(xiàn)狀在電子學(xué)的發(fā)展中，一直存在著弱電流的測量問題。弱電流的測量需要采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)和物理學(xué)的方法，以便從噪聲中檢測出微電流信號(hào)，同時(shí)微電流測量技術(shù)受元器件的質(zhì)量影響，多方面的因素導(dǎo)致微電流測量技術(shù)發(fā)展很慢。在1950年以前，國外Hafstad用一個(gè)FP-54型靜電計(jì)管，在幾分鐘時(shí)間能檢測出安的電流(2電子/秒)，然而只有在實(shí)驗(yàn)條件下，這電流才是有用的。FP-54型靜電計(jì)管的直流放大器輸入級(jí)中使用著真空管。近代的一些靜電計(jì)管電路的測量能力不如Hafstad等人的早期電路好。這是由于大規(guī)模廉價(jià)管子的生產(chǎn)，使管子的質(zhì)量下降。從1949年出現(xiàn)晶體管以來，設(shè)計(jì)人員在直流放大器使用這些器件，獲得了不同程度的提高。Chaplin在1957年發(fā)表了第一臺(tái)晶體管化的載波調(diào)制的直流放大器，這種電路具有10-9安的測量能力。McCaslin在簡單放大電路中采用了低泄漏絕緣柵場效應(yīng)晶體管，使這個(gè)簡單能夠測量10-15，安的電流。以上這些是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面闡述了微電流測量前期發(fā)展。微電流測量技術(shù)從測量儀器角度方面來看，隨著集成電路的發(fā)展，得到了長足的發(fā)展。從目前市場上的微電流測量儀的狀況可以了解國內(nèi)外的發(fā)展。1.3課題的目的目前，國內(nèi)大部分采用了高輸入阻抗法測量微電流，并取得一定的精度。這種方法其前級(jí)電路是由結(jié)型場效應(yīng)管或絕緣柵場效應(yīng)管組成差動(dòng)電路構(gòu)成的。但由于柵源絕緣電阻高的場效應(yīng)管其夾斷電壓UGS和最大漏極電流(IDSS)不穩(wěn)定，零點(diǎn)很難調(diào)節(jié)，所以只能在實(shí)驗(yàn)室去進(jìn)行。本課題將開關(guān)電容電路的原理、積分電路對(duì)噪聲抑制作用和選頻放大電路對(duì)噪聲和漂移的抑制作用結(jié)合起來，設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)皮安級(jí)電流的測量。為了方便稱此法為開關(guān)電容式微電流測量法。開關(guān)電容式微電流測量法前級(jí)是利用開關(guān)電容實(shí)現(xiàn)電流向電壓的轉(zhuǎn)換的同時(shí)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和放大，達(dá)到微伏級(jí);后級(jí)通過選頻放大電路實(shí)現(xiàn)微伏級(jí)電壓的放大，再利用開關(guān)式相敏檢波電路解調(diào)，得到與被測微電流有一定比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓。開關(guān)電容式微電流測量法易于調(diào)節(jié)，成本低。2相關(guān)概念簡述2.1電容電流簡介電力線路與大地之間總是存在分布式的電容，無法在對(duì)地電容支路上接電流表進(jìn)行直接測量。對(duì)于配電系統(tǒng)來說，由于電源中性點(diǎn)一般不直接接地，當(dāng)輸電線路單相接地時(shí)流過故障點(diǎn)的電流不是短路電流，而是線路對(duì)地電容產(chǎn)生的電容電流。從圖1中的向量圖可以看出，當(dāng)A相接地后，B、C相的對(duì)地電壓上升為線電壓，電流通過B、C相的對(duì)地電容流入接地點(diǎn)，形成電容電流，從向量圖中可以看出，兩個(gè)電流Ica和Iba疊加后形成電容電流IC增大了倍。因此，電容電流IC=3UC，這個(gè)電流也是系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)流過三相對(duì)地電容的電流數(shù)值之和。圖2-1電容電流向量圖2.2電容電流測量概述我國的中壓配電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償接地和經(jīng)電阻接地的運(yùn)行方式。在一些中性點(diǎn)不接地的中壓配電網(wǎng)中，隨著供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是電纜線路應(yīng)用的日益廣泛，導(dǎo)致線路在發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過故障點(diǎn)的電容電流過大，接地電弧很難熄滅，從而產(chǎn)生弧光接地過電壓，并且可能造成兩相短路等惡劣的事故。為確保接地電弧的可靠熄滅，需要安裝消弧線圈來補(bǔ)償電網(wǎng)的電容電流，在單相接地故障時(shí)，消弧線圈與電網(wǎng)對(duì)地電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，消弧線圈運(yùn)行在諧振點(diǎn)附近，使電感電流與電網(wǎng)電容電流互相抵消，從而減小故障點(diǎn)電流，保證接地電弧可靠自熄，這種中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)，稱為諧振接地系統(tǒng)。電網(wǎng)的電容電流精確測量是消弧線圈合理補(bǔ)償?shù)那疤?，是否需要安裝消弧線圈以及選擇消弧線圈的容量，需要知道電網(wǎng)的對(duì)地電容電流值。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，需要電網(wǎng)的對(duì)地電容電流值，來選擇接地電阻值的大小。同時(shí)，配電網(wǎng)對(duì)地電容值也是分析鐵磁諧振的重要參數(shù)。因此，無論對(duì)于何種接地方式的配電網(wǎng)，測量系統(tǒng)的對(duì)地電容電流值是不可或缺的。2.3測量電容電流的必要性測量配網(wǎng)電容電流是必要的，據(jù)統(tǒng)計(jì)配電網(wǎng)的故障很大程度是由于線路單相接地時(shí)電容電流過大而無法自行息弧引起的。因此，規(guī)程規(guī)定：當(dāng)10kV和35kV系統(tǒng)電容電流分別大于30A和10A時(shí)，應(yīng)裝設(shè)消弧線圈補(bǔ)償電容電流，否則，將會(huì)在單相接地時(shí)由于電弧重燃，產(chǎn)生很高的過電壓，危及健全相的絕緣而造成兩相短路故障。由于單相接地故障而引發(fā)配電網(wǎng)的事故屢見不鮮。例如，2000年7月和2001年4月南方某供電局的城東變電站就連續(xù)兩年因?yàn)閱蜗嘟拥毓收隙鸬慕^緣擊穿事故，造成套管炸裂、兩相短路，大面積停電十多小時(shí)，造成較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和較大的社會(huì)影響。類似的事故在全國都有發(fā)生，有時(shí)甚至“火燒連營”，將整個(gè)配電網(wǎng)的開關(guān)柜全部燒掉。要解決這個(gè)問題就要對(duì)配電網(wǎng)的電容電流經(jīng)常監(jiān)測，對(duì)電容電流大的配電網(wǎng)采用消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)償，或采取相應(yīng)的限制過電壓的措施。消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧裝置能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地進(jìn)行調(diào)諧，關(guān)鍵在于系統(tǒng)正常運(yùn)行中，精確地測量出系統(tǒng)對(duì)地電容的容抗，據(jù)此計(jì)算出單相接地電容電流。電容電流測量方法的準(zhǔn)確度和適用性，決定了自動(dòng)調(diào)諧裝置調(diào)諧效果的好壞。因此，電容電流的測量對(duì)于整個(gè)消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧裝置來說是非常重要的。電網(wǎng)故障接地點(diǎn)的電容電流都無法帶負(fù)荷直接測量，因此各種消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧裝置多選用間接測量法進(jìn)行測量、計(jì)算，來獲取對(duì)電網(wǎng)對(duì)地容抗。間接測量方法眾多，而且各種方法的性能不一，因此采取那一種測量方法對(duì)于計(jì)算電網(wǎng)對(duì)地容抗來說有著不同的準(zhǔn)確度。如何選取一種既可靠、實(shí)用，又有較高準(zhǔn)確度的測量方法，是消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)追求的目標(biāo)。2.4微電流測量方法微電流測量分為直流測量和交流測量,因?yàn)榻涣餍盘?hào)經(jīng)相敏檢波和濾波后表現(xiàn)為直流電平,所以在本文中微電流測量,不分直流測量還是交流測量,一般指直流測量。在測微電流時(shí),一般是將它通過一定方式轉(zhuǎn)換成電壓。根據(jù)轉(zhuǎn)換方式將所有的直流放大器可分為兩類第一類是把輸入電流轉(zhuǎn)換成己知電阻兩端的電壓降第二類是輸入電流對(duì)放大器中已知電容充電,然后觀察放大器輸出的電壓。電流轉(zhuǎn)換為電壓后,電壓很小,很難被后續(xù)電路處理,通過多級(jí)放大才能實(shí)現(xiàn)。目前,第一級(jí)放大方法常見的有高輸入阻抗法和積分法。后續(xù)放大電路有采用自動(dòng)調(diào)零法、隔離放大器法、選頻放大的方法等等。2.4.1微電流測量方法之一—高輸入阻抗法通過電阻將電流轉(zhuǎn)化換成電壓,也稱為直放式微電流轉(zhuǎn)換法。常用的直放式微電流放大器原理如圖2-2。圖2-2直放式微電流轉(zhuǎn)換法原理其輸出電壓與輸入電流關(guān)系如下：（2-1）在微電流的測量中,主要是對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大,在討論放大器的性能時(shí),信號(hào)源與放大器所呈現(xiàn)的外部特性很重要。放大器的工作過程中,總要從信號(hào)源吸收一定的電流,因此對(duì)信號(hào)源來說,放大器相當(dāng)于一個(gè)電阻，這個(gè)電阻稱為放大器輸入電阻Ri。放大器的輸入電阻對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響由下面的分析可以看出。由其等效電路:（2-2）從上式可以看到，當(dāng)信號(hào)源電勢Ex為一定數(shù)值時(shí)，信號(hào)源內(nèi)阻Rx越小且放大器的輸入電阻越大時(shí)，放大器輸入端所得到的有效輸入信號(hào)電壓就越高。所以為了提高放大器的靈敏度，在一般情況下，希望信號(hào)源具有較低的內(nèi)阻，放大器具有較高的輸入電阻。圖2-3放大器輸入電阻等效原理圖2-4高輸入阻抗法測盈微電流原理在微電流測量中，高輸入阻抗法是在放大器的輸入端采用由場效應(yīng)管對(duì)管組成的差動(dòng)放大器作為輸入級(jí)，以提高輸入電阻。場效應(yīng)管具有很高的直流輸入電阻RGS，所以整個(gè)電路的開環(huán)差模輸入電阻可達(dá)(10-11-10-14)歐。采用對(duì)管的原因是對(duì)管可以獲得較高的共模抑制比。此外，由于結(jié)型場效應(yīng)管工作時(shí)其PN結(jié)是加反相電壓的，柵極電流基本上為零，所以電路的輸入偏置電流可小到(10-11-10-12)安。高輸入阻抗的作用使被測微電流幾乎完全通過反饋電阻，而通過放大器內(nèi)阻的電流近乎為零，使測量更準(zhǔn)確。其電路原理圖如圖2-4所示:圖2-4所示BG1,BG2最好采用對(duì)管，由R4、R6確定BG3的工作點(diǎn)，W1、W2調(diào)整BG1,BG2漏極電流，R1,R2是源極電阻，R3是限流電阻。選用BG1,BG2時(shí)主要考慮RGS值及柵極電流的大小，圖1-3的電路作用是通過在放大器的輸入端串接場效應(yīng)管BG1、BG2，以提高放大器的輸入阻抗。但是這種測量方法差動(dòng)放大器的零點(diǎn)很難調(diào)節(jié)。2.4.2微電流測量方法之二—積分法提高微電流測量靈敏度和分辨率所遇到的主要問題是漂移和噪聲，降低漂移和噪聲是微電流測量的必要條件。載波放大線性組件的出現(xiàn)，使漂移問題得到了較好的解決，而噪聲問題依然未得到解決，基于積分環(huán)節(jié)的微電流測量電路，能夠有效的降低噪聲水平。測量微電流常采用電流負(fù)反饋直流放大器完成I-V變換。由于該放大器處于第一級(jí)，其本身引起的噪聲對(duì)測量結(jié)果影響很大，因此降低該級(jí)噪聲是問題的關(guān)鍵。圖2-5所示是目前常用的I—V變換電路的噪聲模型。由圖2-5可見，放大器噪聲主要由電路的熱噪聲及運(yùn)算放大器的有源噪聲引起。總噪聲輸出由下式表示:（2-3）圖2-5積分型I-V變換噪聲模型由于都是前后獨(dú)立的平穩(wěn)隨機(jī)過程，符合高斯分布規(guī)律，所以噪聲電壓平均值為零：（2-3）由(2-3)式可知，如能在時(shí)間軸上對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行積分，可望減小噪聲對(duì)輸出結(jié)果的影響。由(2-3)式可知，隨著積分時(shí)間的延長，噪聲的影響將減小。積分時(shí)間越長，噪聲影響越小。因此采用積分型I-V變換電路測量微電流，可以減小噪聲的影響。積分法的缺點(diǎn)之一采用了積分環(huán)節(jié)，電路響應(yīng)時(shí)間較慢。3電容電流測量3.1電容電流測量裝置硬件設(shè)計(jì)部分的簡要介紹本文所設(shè)計(jì)的電容電流測量裝置是以Cygnal公司的C8051F021芯片為核心的單片機(jī)系統(tǒng)。從硬件設(shè)計(jì)角度主要分為：電源部分、變頻恒流信號(hào)源部分、數(shù)據(jù)采集部分、鍵盤顯示等幾個(gè)部分。其硬件組成如圖3-1所示：圖3-1測量裝置硬件框圖電源部分分為：主功率電源，±100V，用作恒流信號(hào)源功率放大；芯片、集成塊的工作電源，+3V，供給控制芯片；有源濾波電路、功率放大電路，±12V。變頻恒流信號(hào)源部分的模擬信號(hào)，由芯片控制的DAC輸出端口輸出后，經(jīng)濾波電路和功率放大電路產(chǎn)生。采樣器分電流采樣和電壓采樣兩個(gè)，他們均由控制芯片進(jìn)行控制，將采樣得到的信號(hào)輸入濾波器。濾波器由高頻濾波器和低頻濾波器兩個(gè)濾波器組成，他們彼此獨(dú)立，這兩個(gè)濾波器均為帶通濾波器，即只通過恒流源發(fā)出的頻率信號(hào)，對(duì)其他頻率的信號(hào)均起到衰減作用。由于測試儀在電容電流測量時(shí)PT開口三角疊加有工頻的電壓信號(hào)，因此必須將這個(gè)工頻電壓信號(hào)濾掉。這就需要靠濾波器進(jìn)行硬件濾波，最后得到相對(duì)光滑的信號(hào)進(jìn)入控制芯片進(jìn)行計(jì)算。顯示部分是作為人機(jī)交流的窗口，設(shè)計(jì)中采用顯示，使測量的結(jié)果顯示更清晰、使用更方便。軟件設(shè)計(jì)中包括：測量程序流程圖設(shè)計(jì)、測量子程序設(shè)計(jì)、變頻恒流信號(hào)源輸出子程序設(shè)計(jì)、顯示子程序等。3.2測量裝置所用主要芯片的介紹C8051F021器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有32個(gè)數(shù)字I/O引腳。下面列出了一些主要特性：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP－51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）真正12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)真正8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口5個(gè)通用的16位定時(shí)器具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F021是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能（禁止）和配置。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場更新8051固件。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。C8051F021系列器件使用SiliconLabs的專利CIP－51微控制器內(nèi)核。CIP－51與MCS－51TM指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP－5內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括5個(gè)16位的計(jì)數(shù)器（定時(shí)器）、兩個(gè)全雙工UART、256字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及8個(gè)或4個(gè)字節(jié)寬的I/O端口。由改進(jìn)后的配電網(wǎng)電容電流測量算法可知，電容電流測量裝置的硬件需要提供高精度的DA輸出端口和AD輸入端口。而芯片C8051F021在片內(nèi)集成了高性能的真正8位500Ksps的ADC，完全可以滿足設(shè)計(jì)的需求，方便了測量裝置的設(shè)計(jì)。具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F021是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能（禁止）和配置。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場更新8051固件。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。C8051F021系列器件高度集成的特性有助于簡化硬件電路的設(shè)計(jì)。所以，我們最終選取了芯片C8051F021作為本系統(tǒng)的核心。LM7800和LM7900系列穩(wěn)壓管。LM7800和LM7900為同系列元件，均為三個(gè)管腳。其管腳定義較簡單，分別為輸入端口，輸出端口和公共接地端口。主要區(qū)別在于LM7800系列輸出電壓為正值。而LM7900系列的輸出電壓為負(fù)值。LM7805的主要功能是提供穩(wěn)定的5V輸出電壓。其輸入輸出特性：額定輸入電壓Vin=10V(不低于7V);額定輸出電壓Vout=5V;LM7809的主要功能是提供穩(wěn)定的9V輸出電壓。其輸入輸出特性：額定輸入電壓Vin=15V(不低于11V);額定輸出電壓Vout=9V;LM7905的主要功能是提供穩(wěn)定的－5V輸出電壓。其輸入輸出特性：額定輸入電壓Vin=10V(不低于7V);額定輸出電壓Vout=－5V;LM7918的主要功能則是提供穩(wěn)定的－18V輸出電壓。其輸入輸出特性：額定輸入電壓Vin=27V(不低于20V);額定輸出電壓Vout=－18V;這里列出LM7800和LM7900系列共同的元件特性：最大輸出電流不小于1.5A；無需外部元件配合；內(nèi)部集成過熱保護(hù)部分；輸出電壓偏差不大于2%。3.3電容電流測量裝置硬件部分3.3.1電源部分圖3－2電源電路通過變壓器、橋式整流二極管、濾波電容以及穩(wěn)壓管，將220V電壓變?yōu)檩敵鲂盘?hào)源、單片機(jī)以及運(yùn)放所需要的直流電壓。3.3.2主控制器電路圖3－3主控制器電路單片機(jī)控制部分采用Cygnal的C8051F021單片機(jī)為核心，該單片機(jī)集成了充足的資源，大大減少了設(shè)計(jì)中需要擴(kuò)展的硬件電路。圖3－4輸入輸出接口電路圖3－550Hz陷波器濾除工頻信號(hào)仿真波形圖圖3－6帶通濾波器濾除高頻信號(hào)仿真圖圖3－7帶通濾波器濾除低頻信號(hào)仿真圖DA輸出部分中，由于單片機(jī)的輸出電壓范圍是[0－VDD]，采用低頻濾波器濾除直流分量，采用高頻濾波器濾除高頻分量。AD輸入部分，主要包括工頻陷波器，信號(hào)放大電路。本文對(duì)50Hz陷波器及帶通濾波器進(jìn)行了仿真，仿真波形如圖3－5、圖3－6和圖3－7所示，其中采用三角形標(biāo)出的為濾波器輸出波形，無三角形標(biāo)出的為濾波器輸入信號(hào)波形。由仿真圖可以看出，本文設(shè)計(jì)的濾波器可以滿足測量裝置的設(shè)計(jì)需求。3.3.3功率放大電路圖3－8功率放大電路圖3－9信號(hào)經(jīng)功率放大前后對(duì)比仿真圖圖3－10SPWM波形及生成的正弦電壓波形圖3－11SPWM波形及生成的正弦電壓波形細(xì)節(jié)圖功率放大電路采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，將輸出信號(hào)放大到100V，串接100Ω的限流電阻后，作為輸出電流為1A的變頻恒流源使用。由仿真圖3－9、圖3－10和圖3－11可以看出，該電路能很好的放大輸出信號(hào)，能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求。4軟件設(shè)計(jì)4.1DA輸出子程序按照數(shù)學(xué)用表上的正弦函數(shù)表，每隔1o的角度，將從-90o到+90o的181個(gè)點(diǎn)的正弦函數(shù)值轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到內(nèi)存中，采用查表的方法，依據(jù)當(dāng)前頻率，按時(shí)依次輸出內(nèi)存中轉(zhuǎn)換后的正弦函數(shù)值，這樣就很方便的實(shí)現(xiàn)了變頻信號(hào)的輸出。圖4－1DA輸出子程序流程圖4.2測量子程序采樣流程的簡要說明：從采樣數(shù)據(jù)緩存中讀取各路模擬信號(hào)的采樣值并判斷數(shù)據(jù)是否有效，采樣通道的增益是否合適。在取得有效的采樣數(shù)據(jù)后，計(jì)算各電氣量基波分量的有效值和相角。采用整周波離散傅立葉算法，計(jì)算公式如下：（4-1）（4-2）式中，a1、b1分別為基波的正弦、余弦項(xiàng)振幅，N為一個(gè)周波的采樣點(diǎn)數(shù)，Xk為第k各采樣點(diǎn)的值。根據(jù)a1和b1，可以求出電氣量基波分量的有效值A(chǔ)和相角α，公式如下：（4-3）（4-4）4.2.1電壓測量子程序圖4－2電壓測量子程序4.2.2電流測量子程序電流的測量是通過限流電阻間接測量得到，通過測量限流電阻兩端電壓，按照計(jì)算公式I=U/R得到。其流程圖如下：圖4－3電壓測量子程序4.2.3測量控制和電容電流計(jì)算子程序圖4－4測量控制和電容電流計(jì)算子程序?qū)⒌玫降臄?shù)據(jù)代入公式（3－7）可以計(jì)算出單相對(duì)地電容值C，再代入公式IC=3UC即可得到系統(tǒng)的對(duì)地電容電流值。4.3顯示子程序圖4-5顯示子程序在改進(jìn)的信號(hào)注入法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以C8