【正文】 但A/D轉(zhuǎn)換器只能對(duì)單極性信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此，若使用交流信號(hào)輸出的互感器，也還要再對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)理，才能用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行幅值的測(cè)量。信號(hào)的調(diào)理可以用加法器對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行電位抬升，給其加上一個(gè)直流信號(hào)，使其輸出幅值從~+變?yōu)?~2。這時(shí)如果2超出了AD芯片的輸入電壓范圍，可以比例縮小到合適的電壓范圍內(nèi)。同樣假設(shè)使用單相互（傳）感器，這樣做的好處是可以省掉六個(gè)互（傳）感器，至多只需多添加六組電位抬升電路和放大電路，在花銷上會(huì)帶來節(jié)省。它的不足之處正如使用傳統(tǒng)的電壓、電流互感器一樣，系統(tǒng)在縱向上變得復(fù)雜，不穩(wěn)定因素增加，且精度容易受到影響。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，選用分開采集相位和幅值信息的方案。線性電流傳感器選擇ACS750LCA075，它是高速電流傳感器，為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的電流信號(hào)傳感（sensing），提供了即經(jīng)濟(jì)又精確的解決方案，集成化設(shè)計(jì)使得應(yīng)用更加簡(jiǎn)易。典型應(yīng)用有電機(jī)控制，負(fù)載管理，開關(guān)電源和過流保護(hù)。傳感器內(nèi)包括一個(gè)精確的線性霍爾集成芯片，該芯片針對(duì)傳感器內(nèi)部的磁路被優(yōu)化，從而提高了傳感器的靈敏度。被精確控制的自校準(zhǔn)生產(chǎn)過程技術(shù)和線性霍爾傳感器的工廠程控化生產(chǎn)帶來的可靠精度保障帶來了產(chǎn)品的高精度表現(xiàn)和一致性。電流采集用電源線（引腳4，5）專為極低電壓損失設(shè)計(jì)。電源引腳和傳感器輸出引腳之間是電氣隔離的。隔離可以使傳感器用于既無光電隔離原件和其他隔離反饋技術(shù)，而又需要隔離的應(yīng)用場(chǎng)合。傳感器的外形及引腳如下圖所示： 圖31 ACS750LCA075外形圖及引腳說明不同溫度下的輸入輸出特性曲線：圖32 ACS750LCA075輸入輸出特性曲線工作電壓工作電流測(cè)量范圍工作溫度隔離電壓靜態(tài)輸出精度5V7mA100~100A40~150℃2500V（60Hz，5分鐘）Vcc/2（mV）1%表31 ACS750LCA075部分電氣參數(shù)傳感器與電網(wǎng)的硬件連接圖如下：圖33 ACS750LCA075硬件連接圖接線原理說明：Ip+，Ip分別接電網(wǎng)的一相和中線。R1為限流電阻，用于限制從電源Vcc流入的電流，使其不超出傳感器的工作電流。D13，D14為箝位二極管，當(dāng)輸出電壓超過5V時(shí)，電位被鉗制在5V；當(dāng)輸出電壓小于0V時(shí)，電位被鉗制在0V。目的是使輸出電壓在單片機(jī)端口能承受的電壓范圍——0~5V之內(nèi)，起到保護(hù)單片機(jī)的目的。參數(shù)計(jì)算：R1=5V/7mA=，選1KΩ電阻D13，D14：穩(wěn)壓值Uz=5V線性電壓傳感器選用北京森社公司的CHV100/300。其產(chǎn)品參數(shù)特性如下：額定電壓（有效值），300V；測(cè)量范圍，450～450（V）；工作電壓，DC177。12～177。15V；工作電流，10mA；工作溫度，25℃～70℃；輸出額定電壓，5V；精度，%；線性度，%。接線圖及產(chǎn)品實(shí)物圖片： 圖34 CHV100/300引腳及產(chǎn)品實(shí)物圖端子說明：IN+(+HT)：輸入正電壓；IN－(－HT)：輸入負(fù)電壓；+：電源正：－：電源負(fù)；M：輸出端：⊥：公共地傳感器與電網(wǎng)的硬件接線圖如下：圖35 CHV100/300硬件接線圖接線原理說明：In+，IN分別接電網(wǎng)的一相和中線。+、－端所接R4，R5為限流電阻，用于限制從電源流入的電流，使其在安全范圍內(nèi)。D19，D20的作用同圖33中的D13，D14。參數(shù)計(jì)算：R4=R5=12V/10mA=1200Ω，D19=D20：穩(wěn)壓值Uz=5 V 電流互感器選用的為上海涌緯自控成套設(shè)備有限公司的CT04304W型精密電流互感器。該產(chǎn)品具有線性好，精度高，線性范圍寬；耐高溫，耐腐蝕；隔離性能好，抗沖擊性強(qiáng)；體積小，安裝方便等特點(diǎn)。產(chǎn)品參數(shù)特性：額定輸入電流，30A；額定輸出，4V；非線性度，＜%；線性范圍(RL→0)，0A～15A；相移 (RL→0)，＜5′(補(bǔ)償后)。 產(chǎn)品的型號(hào)描述及參數(shù) ：表31產(chǎn)品的型號(hào)描述及參數(shù)表電壓互感器選用北京森社公司的CHG300VB型精密電壓互感器，其部分產(chǎn)品參數(shù)特性如下：額定電壓，30（RMS）；測(cè)量范圍，0～360V（RMS）；輸出額定電壓，5V；精度，%；線性度，%；絕緣電壓，3KV（RMS）/50Hz/1分鐘；工作溫度，40℃～85℃。電路連線圖及產(chǎn)品外觀圖片： 圖38 CHG300VB引腳及產(chǎn)品實(shí)物圖電度表的計(jì)量單位是千瓦時(shí)，要將監(jiān)測(cè)值與計(jì)量值比較，監(jiān)測(cè)儀也要能測(cè)出電度數(shù)，千瓦時(shí)是有功功率與時(shí)間的乘積。因此，要測(cè)出三相電網(wǎng)每相的有功功率P=iucosφ。電壓值u、電流值i可以通過電壓傳感器、電流傳感器和ADC來完成測(cè)量。要計(jì)算功率因數(shù)cosφ，則先要測(cè)出電壓與電流的相位差φ。本單元電路就是為了測(cè)量φ而設(shè)計(jì)的。單片機(jī)很難直接測(cè)量正弦信號(hào)的相角差或過零時(shí)刻，但很容易測(cè)量脈沖信號(hào)的寬度或發(fā)生時(shí)刻。因此，首先要把正弦電壓和正弦電流經(jīng)過零電壓比較器處理成與之對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)。如圖311所示。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器可以測(cè)量脈沖信號(hào)的發(fā)生時(shí)刻，為了跟蹤電網(wǎng)頻率以提高測(cè)量精度，還可以把電壓、電流兩路脈沖信號(hào)相異或，形成一路與相角差對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)作為定時(shí)計(jì)數(shù)器T的外部事件。異或的作用，一方面是產(chǎn)生相位脈沖，其高電平時(shí)間對(duì)應(yīng)于待測(cè)的兩個(gè)正弦信號(hào)的過零時(shí)間差?T；另一方面，可以利用連續(xù)兩個(gè)脈沖寬度的平均值去逼近?T，而這兩個(gè)脈沖是一個(gè)周期的正弦信號(hào)由正負(fù)兩個(gè)方向經(jīng)由過零比較器產(chǎn)生的，采用邏輯異或運(yùn)算保留了這種雙向特性，這種測(cè)量方法被稱為雙向過零鑒相法。其優(yōu)點(diǎn)是消除了波形變換中因過零比較器零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的偏移誤差。圖39相位檢測(cè)電路的原理框圖 圖310 正弦信號(hào)及其經(jīng)正相輸入的過零比較器后的調(diào)理波形 對(duì)于一般的過零電壓比較器，輸入電壓在閾值附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來源于輸入信號(hào)還是外部干擾。因此，過零比較器很靈敏，但同時(shí)抗干擾能力較也差。嚴(yán)重時(shí)不能正常工作。然而實(shí)際當(dāng)中，三相發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓波形或多或少與正弦波有些差別，因此，含有一定的諧波分量；變壓器的勵(lì)磁電流是非正弦周期波，含有高次諧波分量。所以，一般在對(duì)稱三相電路中，電壓、電流都可能含有高次諧波分量。這種情況下，若使用過零比較器對(duì)互感器輸出的信號(hào)進(jìn)行波形變換，當(dāng)正弦輸入電壓過零時(shí)，由于諧波的作用或干擾的影響，比較器的輸出會(huì)發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)，從而使脈沖信號(hào)與正弦信號(hào)不能對(duì)應(yīng)。這時(shí)單片機(jī)無論采用中斷計(jì)數(shù)還是采用查詢計(jì)數(shù)都將導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。 本設(shè)計(jì)中采用小回差的滯回比較器來代替過零比較器。其基本電路組成如下： 圖311反相輸入的滯回比較器 從集成運(yùn)放輸出端的限幅電路可以看出, 。集成運(yùn)放反相輸入端電位，同相輸入端電位 ：根據(jù)“虛短”，求出的就是閾值電壓,因此得出 當(dāng)，因而，所以=+，+，當(dāng)+，因而，所以=，，可見, 從躍變?yōu)楹蛷能S變?yōu)榈拈撝惦妷菏遣煌?。小回差將引起一個(gè)小的相位移，由于元件參數(shù)的分散性，在硬件上要保證電壓、電流兩路信號(hào)的整形相位移嚴(yán)格相等等是很困難的，可以考慮采用軟件修正的方法盡量減小這一誤差。 OP07C簡(jiǎn)介由電路組成可以看出，運(yùn)算放大器是滯回比較器的主要部件，它的性能直接影響到整個(gè)滯回比較器的性能。本設(shè)計(jì)中選用低噪聲、低失調(diào)、高精度運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器OP07C。OP07C高精度運(yùn)算放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密絕對(duì)值電路、比較器及微弱信號(hào)的精確放大，尤其適應(yīng)于宇航、軍工及要求微型化、高可靠的精密儀器儀表中。1) 低的輸入噪聲電壓幅度： ( ～ 10Hz)2) 極低的輸入失調(diào)電壓：10 μV3) 極低的輸入失調(diào)電壓溫漂： μV/℃4) 寬范圍的輸入電壓：14～+14V5) 寬的電源電壓范圍：177。3V～177。18V6) 工作溫度：40℃～80℃圖312 OPO7C引腳圖系統(tǒng)的核心部分是單片機(jī)，它起到啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，測(cè)算電壓、電流相位差，計(jì)算電壓、電流幅值、功率因數(shù)、有功功率，并保存這些數(shù)據(jù)，定時(shí)上傳數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，發(fā)出警報(bào)等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。穩(wěn)定的性能是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的最基本的要求。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，它能否穩(wěn)定工作，直接影響整個(gè)系統(tǒng)，所以單片機(jī)必須能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。又由于本設(shè)計(jì)中單片機(jī)要承擔(dān)大量的計(jì)算任務(wù)，需要消耗一定時(shí)間，同時(shí)又要保持對(duì)電能量信息采集的實(shí)時(shí)性，因此快速性也是重要指標(biāo)之一?；谝陨峡紤]，本設(shè)計(jì)中選擇Silicon Lab公司的C8051F040單片機(jī)。C8051F040是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU，具有 64 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳，片內(nèi)集成了一個(gè) 控制器。高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP51 內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS）控制器局域網(wǎng)（）控制器，具有 32 個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有其自己的標(biāo)識(shí)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）真正 12 位、100 ksps 的 ADC，帶 PGA 和8 通道模擬多路開關(guān) 允許高電壓差分放大器輸入到 12/10 位 ADC（60V 峰峰值），增益可編程 真正 8 位 500 ksps 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64KB可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器 4352（4K+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM 可尋址 64KB 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/和兩個(gè)UART 串行接口 5 個(gè)通用的16位定時(shí)器 具有6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 C8051F04x 系列器件是真正能獨(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。 每個(gè) MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（45℃到+85℃）工作，工作電壓為 ~ 。端口 I/O、/RST和 JTAG 引腳都容許 5V 的輸入信號(hào)電壓。 C8051F040單片機(jī)的引腳圖如下： 圖313 C8051F040引腳圖C8051F040的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大：集成了CAN模塊，增益可編程的片內(nèi)A/D等部件，并且具有高速的特點(diǎn)。不僅免去了片外擴(kuò)展CAN總線控制器模塊和A/D轉(zhuǎn)換器，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，也滿足了系統(tǒng)對(duì)快速性的要求。但缺點(diǎn)在于比起其它單片機(jī)（如PIC18F系列單片機(jī)），其價(jià)格要高出一倍，花費(fèi)較大。模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用C8051F040的片內(nèi)ADC。單片機(jī)內(nèi)集成有一個(gè)12位，一個(gè)10位，共兩個(gè)ADC。要求設(shè)計(jì)精度為1%，8位ADC 的精度為1/=1/2561%，滿足要求，故選用8位ADC。8位ADC為逐次逼近型，帶有一個(gè)8通道輸入多路選擇器和可編程增益放大器，可以被配置為單端或差分輸入。該ADC工作在500ksps的最大采樣速率時(shí)可提供真正的8位精度，INL為177。1LSB。有8個(gè)用于測(cè)量的輸入端，可以被配置為單端或差分輸入。ADC2完全由CIP51通過特殊功能寄存器控制。ADC2的電壓基準(zhǔn)通過引腳VREF2輸入?？删幊淘鲆娣糯笃鹘釉谀M多路選擇器之后，、2或4。轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)允許用軟件命令、定時(shí)器溢出或外部信號(hào)啟動(dòng)ADC2轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束由一個(gè)狀態(tài)位指示，或者產(chǎn)生中斷（如果中斷被使能）。在轉(zhuǎn)換完成后，8位數(shù)據(jù)字被鎖存到一個(gè)特殊功能寄存器中。圖314 C8051F040的片內(nèi)ADC原理框圖本設(shè)計(jì)中用到了許多集成芯片，這些集成芯片都要用到直流電壓。芯片以及它們各自的工作電壓如下所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)C8051F040：DC ~ CAN總線驅(qū)動(dòng)器：PCA82C250T：DC ~雙通道RS232線性驅(qū)動(dòng)接收器的MAX232：DC +5V177。10%串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1307Z：DC 5V，3V電池液晶顯示器：LCM12864ZK：DC 5V，3V電池兩輸入四異或門74LS86：DC 5V，74LS86運(yùn)算放大器OP07C：DC177。3V~177。18V電流傳感器ACS750LCA075：DC +5V電壓傳感器CHV100/300：DC 177。12～177。15V因此，系統(tǒng)有DC + 、177。5V和177。12V電源即可工作。 177。5V、177。12V直流電源177。5V、177。12V直流電源是在電子線路中經(jīng)常用到的直流電源，常用的解決方案是使用變壓器和779系列三端穩(wěn)壓器。本設(shè)計(jì)中也采用這種方案。+5V電源使用國(guó)家半導(dǎo)體公司（National Semiconducter）的集成三段穩(wěn)壓器LM78L05：Vin最大為35V，一般需在7V~20V，輸出電流100mA，最大輸出電流140mA。5V電源使用國(guó)家半導(dǎo)體公司（National Semiconducter）的集成三段穩(wěn)壓器LM79L05：Vin最大為35V，一般應(yīng)在20V~，典型值為10V。輸出電流100mA，最大輸出電流140mA。 圖315 177。5V 電源硬件接線圖接線原理說明：電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓器降壓，經(jīng)整流整成直流電壓信號(hào)。但這樣的信號(hào)有紋波，脈動(dòng)較大，不能適應(yīng)需要。圖中電解濾波電容起到濾波的作用，是脈動(dòng)的直流電壓變得平滑?！?，用以濾除頻率較高的開關(guān)轉(zhuǎn)換紋波電壓分量。+12V電源使用國(guó)家半導(dǎo)體