【正文】 的，電路如圖 21 所示： fo fo /N fi PD LP V C O N 分頻器 圖 21 倍頻鎖相同步電路 在相位比較器 PD、低通濾波器 LP、壓控振蕩器 VCO 構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入 N 分頻器，輸入被測(cè)信號(hào)的頻率 fi，作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，輸出 fo 為采樣頻率。為解決該項(xiàng)誤差，在八十年代初，清華大學(xué)戴先中教授提出了準(zhǔn)同步采樣法 [6]，即在 |Δ |不太大的情況下，當(dāng)滿足N(2π +Δ )M/2π（ M 為最高諧波次數(shù)）時(shí)，通過增加采樣數(shù)據(jù)量和增加迭代次數(shù)來提高測(cè)量準(zhǔn)確度。 同步采樣可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。 軟件同步采樣 及同步誤差分析 對(duì)周期為 T 的被測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)于 0t 、 1t 、?、 it 、?、 1?Nt 時(shí)刻采樣 N 個(gè)點(diǎn)，令 00?t ，如果有： 0????? TTNT S (21) 1,1,0 0?? ????? Ni Titt Sii ?? (22) 同時(shí)成立，則稱采樣為理想同步采樣， Ts 為采樣周期。當(dāng)存在同步采樣時(shí)間誤差時(shí)，測(cè)量精度必定會(huì)受到影響。一些文獻(xiàn)稱 Δ T 為周期誤差。 CPU 的中斷響應(yīng)時(shí)間與定時(shí)器發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)時(shí)刻 CPU 是否在執(zhí)行其它中斷服務(wù)程序；正在執(zhí)行的當(dāng)前指令是否允許 CPU 立即響應(yīng)中斷；當(dāng)前執(zhí)行指令的指令周期長(zhǎng)短及當(dāng)前指令已經(jīng)執(zhí)行到哪一個(gè)機(jī)器周期等因素有關(guān)。 可見在軟件同步測(cè)量系統(tǒng)中，周期誤差是影響測(cè)量精度的主要原因。以 H 為定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，則會(huì)產(chǎn)生0TLNT ???? 的周期誤差 （ 若以 H+1 作為計(jì)數(shù)值，則 00 TLNTNT ?????? ） 顯然， T? 是由采樣周期 Ts 的實(shí)際值與理想計(jì)算值之間的偏差引起的。 設(shè)置一單元 SUM 對(duì)偏差 L 進(jìn)行累加， 對(duì)于第 0 次采樣， SUM 的初值為 0。這種作法可使偏差 L 不產(chǎn)生累積，從而保證在一個(gè)工頻周期內(nèi) L 引起寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 的周期誤差 0TT?? 。傳統(tǒng)的直流采樣算法不能及時(shí)反映被測(cè)量的突變，精度與穩(wěn)定度受變送器的影響很大，己逐漸不能滿足系統(tǒng)的需要。由于采用的具體原理不同，在硬件軟件的配置上也不一樣，以致系統(tǒng)的精度和造價(jià)也不一樣。 ? ? ???? /22s i n2s i n2 2/02/0 r m sr m sr m s Ut d tUdttUS ???? ?? ?? （ 27） 式 （ 27） 可以用梯形法近似求出： sNk Nk TuuuS ?????? ??? ???12/1 2/0 2121 （ 28） 式（ 28）中 ku — 第 k 次采樣值； N — 一周期的采樣點(diǎn)數(shù)； 0u — k=0 時(shí)的采樣值； 2/Nu — k=N/2 時(shí)的采樣值。 在要求不高的場(chǎng)合可以采用這一算法 [1]。該算法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，算法簡(jiǎn)單，能夠計(jì)及信號(hào)中高寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 次諧波的影響，在不需要測(cè)量基波和各次諧波參數(shù)值的情況下，可以選用此算法 [2]。 設(shè)對(duì) ??tu 每周期均勻同步采樣 N 點(diǎn)，得到序列 ??nu ，對(duì)序列 ??nu 作離散傅立葉變換： ? ? ? ? ? ? ? ? knNnuNjknNnuNWnuNkU NnNnknNNn ????? ??? ?????? 2s i n12c o s11 101010 (221) 由于： ? ??? Tkn tdtktuTa 0 c o s2 ? (222) ? ??? Tkn tdtktuTb 0 s in2 ? (223) 積分離散化后得： ? ? knNnuNaNnkn?? ???2c o s2 10 (224) ? ? knNnuNbNnkn?? ???2s in2 10 (225) 比較式 (221)(224)(225)得出： ? ?? ?kUakn Re2? (226) ? ?? ?kUbkn Im2?? (227) 這樣可求出第 k 次諧波電壓的振幅、相角、有效值： 振幅 22 knknkm baU ?? (228) 相角 )/a rc ta n ( knknk ab?? (229) 有效值 )(2121 22knknkmk baUU ??? (230) 電流的計(jì)算方法類似于電壓。運(yùn)算量大，雖然可以采用 FFT 算法提高運(yùn)算速度，所需時(shí)間仍大大高于積分和法。 方案 三： 該方案 以 C8051F020 單片機(jī)為核心 ，使用單片機(jī)內(nèi)部 12 位、 100 ksps 的 8 通道 ADC進(jìn)行電壓和電流的 軟件同步 采樣測(cè)量，并采用工程上常用的數(shù)值積分算法，將連續(xù)函數(shù)離散化來計(jì)算信號(hào)的有效值 ， ， 并使用 數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描管理芯片 ZLG7289 進(jìn)行鍵盤及數(shù)碼管顯示控制，實(shí) 現(xiàn) 測(cè)量 并 顯示 變壓器的副邊電壓﹑電流 以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)﹑有功功率、 無功功率 、 視在功率 和系統(tǒng)的用電量 。 交流直接采樣方法測(cè)量交流電量的算法雖有多種，但較實(shí)用有三種，即最大值法、積分法和傅里葉變換法。積分法就是從連續(xù)周期信號(hào)有效值的定義和功率的定義出發(fā)，用數(shù)值積分近似代替連續(xù) 積分進(jìn)行計(jì)算的方法。通過電壓互感器對(duì) 變壓器副邊輸出的 28V 交流電壓 采樣 得到相應(yīng)電壓 值，采樣電壓 LRIU ?? 2 。 圖 22 隔離采樣原理圖 方案二： 電阻分壓方案 電流采樣 電路 采用在變壓器副邊串入一定數(shù)值的電阻 ，并 取樣該電阻兩端分壓 ，通過測(cè)量來反映 電流 值 ；電壓采樣 電路 采用 在變壓器副邊并入一定數(shù)值的兩個(gè)電阻，在其中一個(gè)電阻兩端進(jìn)行取樣。 頻率測(cè)量方案 方案一：記數(shù) 一秒測(cè)頻率方案 將 采樣得來的 電壓信號(hào) 經(jīng)過 過零 比較 ，然后 將 產(chǎn)生 的方波 信號(hào)送入 單片機(jī) T0 口 進(jìn) 行計(jì)數(shù)，定時(shí)一秒鐘，計(jì)數(shù)值即為電源頻率。 該方案硬件簡(jiǎn)單且頻率測(cè)量精度高。方案一測(cè)量精度不高，故放棄。就可用下式求得相位差???? 36 0t /T )(? 其中 t? 為電壓信號(hào)與電流 信號(hào) 過零 點(diǎn) 的時(shí) 間差。在該設(shè)計(jì)中，采用相位法檢測(cè)電壓電流的相位差，其指導(dǎo)思想是功率因數(shù)的定義，即 ?? cos? 。方波的上升沿和下降沿分別與振蕩正弦波信號(hào)的正負(fù)過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生的兩個(gè) TTL 信號(hào) 作為單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷源。 方案三 ：將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生 TTL 信號(hào)， 將電壓 U 支路與單片機(jī)的寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 INT0 腳相連，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 T0 在 INT0 高電平時(shí)才 允許計(jì)數(shù)，在下降沿時(shí)觸發(fā) INT0 中斷，而停止計(jì)數(shù)，讀出半個(gè)周期的計(jì)數(shù)值 N1。從系統(tǒng)組成可以看出，該電路的負(fù)載是接近線性的，利用上述方法可以比較準(zhǔn)確的測(cè)出電壓和電流的相位差。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 此系統(tǒng)是以 C8051F020 為主控制器，系統(tǒng)把取樣采集電路得來 的兩路信號(hào)分別通過 放大、 整流 , 再通過 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為 數(shù)字 量，再經(jīng)單片機(jī)分析處理， 進(jìn)行 數(shù)值積分， 可得到變壓器副邊電壓 值、電流值、電源的頻率以及該系統(tǒng)的功率因數(shù)、有功功率、無功功率 和系統(tǒng)消耗的電能 ，并送到外部顯示單元顯示。常用的 8 位單片機(jī)有很多種 ： 如 Intel 公司的 805 8031 系列 ， ATMEL 公司的 89 系列 及Cygnal 公司推出的 C8051F 系列 。 單片機(jī) 電 力 運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置是通過硬件與軟件密切配合完成的。隨著單片機(jī)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多 高速、高性能的新型單片機(jī)，基于標(biāo)準(zhǔn) 8051 內(nèi)核的單片機(jī)正面臨著退出市場(chǎng)的境地。熟悉 MCS51 系列單片機(jī)的工程技術(shù)人員可以很容易地掌握 C8051F 的應(yīng)用技術(shù)并能進(jìn)行軟件的移植。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 CIP51 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、 100 ksps 的 8 通道 ADC，帶 PGA 和模擬多路開關(guān) ? 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 ? 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 C8051F020 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。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。 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 33 C8051F020 原理框圖 鍵盤 顯示 部分 常用的按鍵接口一般分為 “獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì) ”、 “矩陣式接口設(shè)計(jì) ” 和 “專用芯片式設(shè)計(jì) ”幾種。 本系統(tǒng)主要使用數(shù)碼管來顯示當(dāng)前測(cè)得的 電壓、電流和 功率 等數(shù)據(jù)，顯示精度要求為 4 位數(shù)字。此外，還具有多種控制指令，如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。 電流取樣電路可采用串聯(lián)在電路回路中 的 電 阻 分壓來實(shí)現(xiàn) [17]。把他們送進(jìn)單片機(jī)，可以通過軟件的計(jì)算使信號(hào)有漂移時(shí)所得的兩種幅值相互補(bǔ)償，提高了測(cè)量的精度。將電壓波形變換可直接接到比較器的兩個(gè)輸入端 ， 其反相輸入端接地，作為過零電壓的參考電 壓。其相位相差計(jì)時(shí)電路 ， 利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器計(jì)數(shù)器來測(cè)量。 數(shù) /模轉(zhuǎn)換部分 C8051F020 的 ADC0 子系統(tǒng)包括一 個(gè) 9 通道的可編程模擬多路選擇器（ AMUX0），一個(gè)可編程增益放大器（ PGA0）和一個(gè) 100ksps、 12 位分辨率的逐次逼近寄存器型 ADC， ADC 中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 38 12位 ADC0功能框圖 9 通道 12 位高速 ADC， 其采樣速率最高可達(dá) 100ksps，根據(jù)香農(nóng)采樣定理：采樣頻率 fs 至少是原信號(hào)最高頻率 fc 的 2 倍以上，即 fs2fc 才能準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號(hào)。在 ADC 中選擇 2MHz 的晶振，根據(jù) C8051F020 的 AD 轉(zhuǎn)換速度，轉(zhuǎn)換一次需要 16 個(gè) SAR 時(shí)鐘，則一次 AD 需要 16*=8us，這樣，根據(jù) AD 的采樣速率，其一個(gè)工頻周期內(nèi)最高可?；谏鲜鲈颍蓸宇l率必須稍大于上述香農(nóng)采樣定理中理想的最小值，一般可取 fs=(~3)fc。 只有當(dāng) ADC0 控制寄存器中的 AD0EN 位被置“ 1” 時(shí) ADC0 子系統(tǒng)（ ADC0、跟蹤保持器和 PGA0）才被允許工作。 將電壓 U 支路與單片機(jī)的 INT0 腳相連，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 T0 在 INT0 高電平時(shí)才允許計(jì)數(shù)，在下降沿時(shí)觸發(fā) INT0 中斷，而停止計(jì)數(shù)，讀出半個(gè)周期的計(jì)數(shù)值 N1。由于電網(wǎng)中會(huì)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況，所以在過零比較前加入由兩個(gè)二極管組成的穩(wěn)壓的電路。 電壓、電流正弦波過零比較電路 從變壓器副邊采樣得到的電壓與電流信號(hào)，送到過零檢測(cè)電路 中。一般有全波整流和半波整流 兩 種方法 ， 這里用全波整流電路來實(shí)現(xiàn)幅值的翻轉(zhuǎn) [18]。利用片選信號(hào)，多 片 ZLG7289B 還可以并接在一起使用，能夠方便地實(shí)現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 只按鍵的應(yīng)用。 本系統(tǒng)采用 ZLG7289 數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描管理芯片，可直接驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管（或64 只獨(dú)立 LED），同時(shí)還可以掃描管理多達(dá) 64 只按鍵。 矩陣式接口 按鍵優(yōu)點(diǎn)是可提供的按鍵多，但軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 。每個(gè) MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（ 45℃到 +85℃）內(nèi)用 的電壓工作。 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(chǎng)更新 8051 固件。其中 C8051F020 以其功能較全面，應(yīng)用較廣泛的特點(diǎn)成為C8051F 的代表性產(chǎn)品，其性能價(jià)格比在目前應(yīng)用領(lǐng)域也極具競(jìng)爭(zhēng)力。其中美國(guó) Cygnal 公司推出的C8051F 系列單片機(jī)把 80C51 系列單片機(jī)從 MCU 時(shí)代推向 SoC 時(shí)代，使得以 8051 為內(nèi)核的單片機(jī)上了一個(gè)新的臺(tái)階。最小系統(tǒng)方框圖如 圖 32： 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 C8051F020 晶振電路 ZLG7289 數(shù)碼管 鍵盤 復(fù)位電路 8 個(gè) LED 蜂鳴器 I / O 接口 輸入輸出設(shè)備 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng)方框圖 C8051F020 在本系統(tǒng)中應(yīng)用的接口設(shè)計(jì)： ? AIN00 接全波整流后的電壓信號(hào)； ? AIN01 接全波整流后的電流信號(hào)； ? 接正弦波過零比較的電流 TTL 信號(hào)； ? 接正弦波過零比較的電壓 TTL 信號(hào)； ? 接 正弦波過零比較的電壓 TTL 信號(hào)； ? 接 ZLG7289 芯片的 CS 管