【文章內(nèi)容簡介】 公式（211） 公式（212）相位 和 為： 由此可得相位差為： 公式（213） 單相有功功率、無功功率、視在功率的測量對于正弦信號，假設電壓和電流的瞬時值分別為： 公式（214） 公式（215）則瞬時功率P為 : P=UI 公式（216）單相有功功率P為瞬時功率P在一周期內(nèi)的平均值，可以由下式計算得到： 公式（217）其中，為電壓與電流的相位差，可由FFT計算得到a非正弦的有功功率P也可以采用上式得到。由于功率的測量依賴于電壓和電流的測量，故該測量屬于間接測量。無功功率Q計算如下： 公式（218） 視在功率S為： S=UI 公式（219） 三相有功功率的測量 通過電壓電流互感器引入六路信號，分別A、B、C三相的相電流和相電壓信號，根據(jù)三相有功功率公式： 公式（220）故得： 公式（221）與單相功率的測量相似，三相功率的測量也屬于簡介測量。功率因數(shù)被定義為有功功率和視在功率的比值。即功率因數(shù)為： 公式（222）積分和法的精度與采樣點數(shù)N和采樣的同步度有關(guān)。在系統(tǒng)速度允許的情況下，可以增加采樣點數(shù)以提高運算精度，一般每周波可采樣幾百點。該算法實時性強，算法簡單，能夠計及信號中高次諧波的影響，在不需要測量基波和各次諧波參數(shù)值的情況下，可以選用此算法。 測量儀器的基本功能是完成對被測量物理參數(shù)進行實時測量，通過信號變換電路將采樣信號變換成一定的標準信號，再將這個標準信號進行顯示記錄。通常，測量儀器可分為三部分：參數(shù)測量部分、信號調(diào)理部分、顯示記錄部分。其中，參數(shù)測量部分由傳感器來完成，這一部分在測量儀器中被稱為～次測量儀表；而信號調(diào)理部分和顯示記錄部分統(tǒng)稱為測量儀器的二次儀表。對測量儀器的設計是指對儀器的機械結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)進行設計或選配，包括對一次儀表和二次儀表的設計或選配，以滿足儀器的設計要求。所謂設計思路是指提出～個設計方案，通過對該設計方案的實施可以滿足設計要求或技術(shù)指標。通常為了提出設計方案，首先要分析技術(shù)指標的要求，然后設計總體框架，再根據(jù)框架進行模塊劃分，認真研究設計中的重點問題，最終提出整個的設計方案。該儀器以89C51作為主控制器，系統(tǒng)把取樣采集電路得來的信號分別通過放大、整流,，再將其傳到A／D轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將得到的數(shù)字信號送入單片機中分析處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，進行數(shù)值積分，可得到變壓器副邊電壓值、電源的頻率，并送到外部顯示單元顯示，并通過外接按鍵控制顯示和數(shù)據(jù)保持。整個系統(tǒng)主要包括電源電路、信號采集電路、整形電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字器件接口電路、液晶顯示接口電路等等。總設計結(jié)構(gòu)框圖如圖31：圖3總設計結(jié)構(gòu)圖 使用功能要求測量儀器完成的基本功能是對相關(guān)的電氣參數(shù)進行測量，并將測量的結(jié)果進行記錄或顯示。但是，測量儀器在使用過程中應當受到使用者的控制，同時測量結(jié)果的顯示、記錄也應方便、直觀。本項目中所討論的三相多功能伏安相位儀的使用功能要求包括：l 測量儀應當能集電壓表、電流表、功率表、相位表、功率因數(shù)表于一體。l 儀器應當能夠以數(shù)字的方式實時顯示測量過程中各電氣參數(shù)變化情況，以便使用者讀取測量數(shù)據(jù)。l 測量儀的使用者應當能夠通過“按鍵”控制測量儀啟動對被測參數(shù)的測量，同時能夠通過“按鍵”人為的終止測量，當測量沒有被人為終止的情況下，測量儀器可以在測量一段時間后終止測量。 儀器設計的總體框架和各模塊的劃分根據(jù)設計要求完成對測量儀的總體框架構(gòu)思之后，應當對這個框架進一步細分，這一過程被稱作模塊的劃分。通常模塊劃分的依據(jù)是每個模塊實現(xiàn)的功能不同。由于設計過程中使用了數(shù)字信號處理器，因此模塊劃分的工作也包括將硬件完成的任務與軟件完成的任務加以區(qū)分。其中硬件多完成一些基礎性、易實現(xiàn)的功能；軟件通常完成一些發(fā)揮性、硬件難實現(xiàn)的功能。對于本論文中所討論的測量儀，硬件所完成的功能主要包括電源電路，信號采集電路，整形電路，A/D轉(zhuǎn)換電路等基礎性的功能。軟件完成的功能包括對檢測信號的數(shù)據(jù)采集、處理等功能。由于對軟件的修改調(diào)試要比對硬件電路的修改調(diào)試容易、方便，而且軟件的開發(fā)費用比硬件的開發(fā)費用低，因此這樣劃分軟／硬件模塊后，對測量儀的各項功能進行調(diào)試、修改都比較方便，且測量儀整個開發(fā)成本較低。根據(jù)電路實現(xiàn)的功能不同，測量儀的電路可劃分為如下幾個主要模塊：l 時鐘接口電路：它可以產(chǎn)生秒、分、時、星期、日、月、及年等七個時標，可以通過編程讀取和修改這些時標，也可以編程成生定時間隔中斷。采用硬時鐘／日歷，可以不占用單片機的定時器資源，減輕軟件的設計量。l 液晶顯示屏背光電源模塊：液晶顯示屏的背光電壓直接影響液晶顯示的對比度，該電壓的正常范圍是一ll～一15V。而電池的供電電壓為12V，因此要通過變換電路將電壓變換到背光電壓的正常值范圍內(nèi)，同時該電路可通過控制鍵盤接口電路輸出的調(diào)節(jié)信號，在背光電壓的正常值范圍內(nèi)調(diào)節(jié)背光電壓。l A／D轉(zhuǎn)換電路：測量儀對被測的物理參量要進行數(shù)字處理，由于電壓、電流互感器的輸出信號為模擬信號，因此測量儀應當采用A／D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便處理器進行運算處理。l 電源電壓變換電路：由于鉛酸電池額定電壓是12V，而硬件電路上各部分電壓不完全相同，有要求3．3V的，也有要求5V及一12V的，所以必須設計電源電壓變換電路將電池電壓變換成硬件電路所需要的電壓值。l 鍵盤接口電路模塊：該模塊起到單片機與鍵盤的連接橋梁作用，通過該電路模塊單片機可以判斷鍵盤中是否有按鍵按下，可以讀取操作鍵盤中按鍵的“鍵值”，進而完成人／機交互操作。l 通信接口電路；該模塊支持單片機與外部信息的交換。數(shù)據(jù)逐位傳送，適用于單片機與外設之間的遠距離通信。四． 硬件電路設計信號采集電路是電子系統(tǒng)中常用到的功能模塊。數(shù)據(jù)信號采集采用運算放大器0P07構(gòu)成電壓跟隨器對信號進行跟隨處理，再由采樣/保持器LF398對信號進行采樣/保持。高電平，采樣；低電平，保持。采樣控制信號由集成鎖相環(huán)CD4046對被測信號進行64倍頻產(chǎn)生 電壓信號采集電路電壓跟隨電路：由OP07構(gòu)成，雖然精確度不夠高，但它能提高帶負載能力，硬件電路簡單，也不需軟件控制，所以本設計采用了此方案。輸入信號是0～5V交流電壓信號，輸出信號不變，電路如圖41所示： 圖4電壓跟隨電路信號采樣/保持電路：采用保持器LF398對電壓信號進行采樣/保持。，高電平，采樣；低電平，保持。輸入的正弦波信號經(jīng)LF398后變?yōu)槌闃有盘?。電路如圖所示：失調(diào)電壓的調(diào)整是通過與V＋的分壓并調(diào)整1KΩ電位器實現(xiàn)的。保持電容CH應選用300～1000PF的高性能低漏電云母電容器?？刂七壿嬙诟唠娖綍r為采樣，在低電平時為保持。本設計采用此種連接方法。圖4信號保持電路故電壓信號采樣整體電路如下圖43：圖4電壓信號采集電路 電流信號采集電路圖4電流信號采集電路圖4整形電路由于被測信號足一些高于220V的商壓信號，所以實際測量時必須先將其變換為測量儀可用的小電流信號，即高壓信號要經(jīng)過互感器信號調(diào)整轉(zhuǎn)換電路。互感器信號調(diào)整轉(zhuǎn)換電路完成的主要功能包括：對互感器的輸出信號進行濾波、放大處理，并將處理后的信號進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，以便處理器讀取使用。調(diào)整轉(zhuǎn)換電路在處理，并將處理后的信號進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，以便處理器讀取使用。調(diào)整轉(zhuǎn)換電路在整個測量儀中起到從互感器到處理器的橋梁作用。電壓信號具有正負極性的交流信號必須把交變信號進行精密整流使其變成正極性單向脈動信號才能被ADC0809接受當然在整流以前必須要進行幅度衰減使其適合于ADC0809的電平要求。 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換電路的介紹將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電路稱作模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路(或A／D轉(zhuǎn)換電路)，模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號要經(jīng)歷采樣、保持、量化、編碼4個過程?，F(xiàn)在已存在單片集成電路能夠完成模／數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，這種模／數(shù)轉(zhuǎn)換的集成電路通常被稱作模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。根據(jù)模，數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理不同，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器可分為逐次比較型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、雙積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器等幾種。A／D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量。需要一定的時間，這就是A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間，其倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，成為轉(zhuǎn)換速率。用不同的原理實現(xiàn)的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間是大不相同的，總的來說，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率較慢，轉(zhuǎn)換時間從幾蓬秒到幾十毫秒不等，只能構(gòu)成低速的A／D轉(zhuǎn)換器一般適用于對溫度、壓力、流量等變化緩慢的參量進行檢測。逐次比較型的MD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可從幾微秒到100微秒左右，屬于中速A／D轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道單片機控制系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)換時間最短的高速A／D轉(zhuǎn)換器是那些雙極型或CMOS工藝制成的全并行型、串行型和電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)型的A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率20～lOOns。高速的轉(zhuǎn)換器適用于雷達、數(shù)字通訊、實時的光譜分析、實時瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。主要特性l 8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位l 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫薼 轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）l 單個+5V電源供電l 模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準l 工作溫度范圍為40～+85攝氏度l 低功耗，約15mW A/D轉(zhuǎn)換電路的步驟A/D轉(zhuǎn)換過程包括取樣、保持、量化和編碼4個步驟，一般，前2個步驟在取樣保持電路中1次性完成，后2個步驟在A/D轉(zhuǎn)換電路中1次性完成。取樣和取樣定理：我們知道，要確定（表示）1條曲線，理論上應當用無窮多個點，但有時卻并非如此。比如1條直線，取2個點即可。對于曲線，只是多取幾個點而已。將連續(xù)變化的模擬信號用多個時間點上的信號值來表示稱為取樣，取樣點上的信號值稱為樣點值，樣點值的全體稱為原信號的取樣信號。 取樣時間可以是等間隔的，也可以自適應非等時間間隔取樣。問題是：對于頻率為f的信號，應當取多少個點，或者更準確地說應當用多高的頻率進行取樣？取樣定理將回答這個問題： 只要取樣頻率fS大于等于模擬信號中的最高頻率fmax的2倍，利用理想濾波器即可無失真地將取樣信號恢復為原來的模擬信號。這就是說，對于1個正弦信號，每個周期只要取2個樣點值即可，條件是必須用理想濾波器復原信號。這就是著名的山農(nóng)（Shannon）取樣定理，用公式表示即為： 公式（41）在工程上，一般取。取樣保持：取樣后的樣點值必須保存下來，并在取樣脈沖結(jié)束之后到下1個取樣脈沖到來之前保持不變，以便ADC電路在此期間內(nèi)將該樣點值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這就是所謂取樣保持。常用的取樣保持電路芯片有LF198等，其保持原理主要是依賴于電容器C上的電壓不能突變而實現(xiàn)保持功能的。量化與編碼：取樣保持后的樣點值仍是連續(xù)的模擬信號，為了用數(shù)字量表示，必須將其化成某個最小數(shù)量單位△的整數(shù)倍。比如取樣保持后的電壓值為10V，如果以“1V”為最小數(shù)量單位△，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字就是10；如果以“1mV”為單位，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字就是10000；這個化模擬量為數(shù)字量的過程稱為量化。有只舍不入式量化和有舍有入式量化2種。轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字可以用10進制表示（如上述的“10”），也可以用2進制數(shù)表示（如“1010”），或用BCD碼表示（如“0001 0000”）等，這就是所謂編碼。一般多用2進制碼。 A/D轉(zhuǎn)換電路分類基本ADC電路：模數(shù)轉(zhuǎn)換方法有直接ADC和間接ADC兩種。直接ADC中有并行比較法、反饋計數(shù)法和逐次逼近法等；間接ADC中有V—F（電壓→頻率）轉(zhuǎn)換法和V—T（電壓→時間）轉(zhuǎn)換法等多種。下面重點介紹集成芯片中用得最多的逐次逼近型和雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路。逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC的工作原理很象人們量體重的過程：假如你的體重不超過200公斤，你會先加1個100公斤的秤砣試試看，如果發(fā)現(xiàn)100公斤的秤砣太大（比如實際體重是70公斤），就將此砣去掉；換1個50公斤的秤砣再試，發(fā)現(xiàn)50公斤的秤砣又偏小，故將其保留；然后再加1個25公斤的秤砣，發(fā)現(xiàn)體重不足75公斤，再將此25公斤的秤砣去掉，換1個更小一點的秤砣……如此進行，逐次逼近，直到滿足要求為止。 以4位逐次逼近型ADC如例，其電路結(jié)構(gòu)如下圖由圖可知，4位逐次逼近型ADC主要由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、控制邏輯電路和時鐘脈沖發(fā)生器5部分組成。分析其工作過程大致如下：工作過程： ①當啟動信號（即“START”信號，圖中未示出）的正邊沿到達后，電路被初始化為以下狀態(tài)：寄存器TR3～TR0清零為d3d2d1d0=0000，從而DAC的模擬輸出vO=0V；FF1～FF6組成的環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)為Q1Q2Q3Q4Q5Q6=100000，門H3～H0被Q6