【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(cè)量對(duì)于正弦信號(hào)，假設(shè)電壓和電流的瞬時(shí)值分別為： 公式（214） 公式（215）則瞬時(shí)功率P為 : P=UI 公式（216）單相有功功率P為瞬時(shí)功率P在一周期內(nèi)的平均值，可以由下式計(jì)算得到： 公式（217）其中，為電壓與電流的相位差，可由FFT計(jì)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(cè)量依賴于電壓和電流的測(cè)量，故該測(cè)量屬于間接測(cè)量。無功功率Q計(jì)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(cè)量 通過電壓電流互感器引入六路信號(hào)，分別A、B、C三相的相電流和相電壓信號(hào)，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(cè)量相似，三相功率的測(cè)量也屬于簡介測(cè)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)以提高運(yùn)算精度，一般每周波可采樣幾百點(diǎn)。該算法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，算法簡單，能夠計(jì)及信號(hào)中高次諧波的影響，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。 測(cè)量儀器的基本功能是完成對(duì)被測(cè)量物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過信號(hào)變換電路將采樣信號(hào)變換成一定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再將這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行顯示記錄。通常，測(cè)量儀器可分為三部分：參數(shù)測(cè)量部分、信號(hào)調(diào)理部分、顯示記錄部分。其中，參數(shù)測(cè)量部分由傳感器來完成，這一部分在測(cè)量儀器中被稱為～次測(cè)量儀表；而信號(hào)調(diào)理部分和顯示記錄部分統(tǒng)稱為測(cè)量儀器的二次儀表。對(duì)測(cè)量儀器的設(shè)計(jì)是指對(duì)儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)或選配，包括對(duì)一次儀表和二次儀表的設(shè)計(jì)或選配，以滿足儀器的設(shè)計(jì)要求。所謂設(shè)計(jì)思路是指提出～個(gè)設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)該設(shè)計(jì)方案的實(shí)施可以滿足設(shè)計(jì)要求或技術(shù)指標(biāo)。通常為了提出設(shè)計(jì)方案，首先要分析技術(shù)指標(biāo)的要求，然后設(shè)計(jì)總體框架，再根據(jù)框架進(jìn)行模塊劃分，認(rèn)真研究設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問題，最終提出整個(gè)的設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)送入單片機(jī)中分析處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，進(jìn)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(gè)系統(tǒng)主要包括電源電路、信號(hào)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?？傇O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖31：圖3總設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 使用功能要求測(cè)量儀器完成的基本功能是對(duì)相關(guān)的電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行記錄或顯示。但是，測(cè)量儀器在使用過程中應(yīng)當(dāng)受到使用者的控制，同時(shí)測(cè)量結(jié)果的顯示、記錄也應(yīng)方便、直觀。本項(xiàng)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(cè)量儀應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)能夠以數(shù)字的方式實(shí)時(shí)顯示測(cè)量過程中各電氣參數(shù)變化情況，以便使用者讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。l 測(cè)量儀的使用者應(yīng)當(dāng)能夠通過“按鍵”控制測(cè)量儀啟動(dòng)對(duì)被測(cè)參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)能夠通過“按鍵”人為的終止測(cè)量，當(dāng)測(cè)量沒有被人為終止的情況下，測(cè)量儀器可以在測(cè)量一段時(shí)間后終止測(cè)量。 儀器設(shè)計(jì)的總體框架和各模塊的劃分根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成對(duì)測(cè)量儀的總體框架構(gòu)思之后，應(yīng)當(dāng)對(duì)這個(gè)框架進(jìn)一步細(xì)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(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能不同。由于設(shè)計(jì)過程中使用了數(shù)字信號(hào)處理器，因此模塊劃分的工作也包括將硬件完成的任務(wù)與軟件完成的任務(wù)加以區(qū)分。其中硬件多完成一些基礎(chǔ)性、易實(shí)現(xiàn)的功能；軟件通常完成一些發(fā)揮性、硬件難實(shí)現(xiàn)的功能。對(duì)于本論文中所討論的測(cè)量儀，硬件所完成的功能主要包括電源電路，信號(hào)采集電路，整形電路，A/D轉(zhuǎn)換電路等基礎(chǔ)性的功能。軟件完成的功能包括對(duì)檢測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理等功能。由于對(duì)軟件的修改調(diào)試要比對(duì)硬件電路的修改調(diào)試容易、方便，而且軟件的開發(fā)費(fèi)用比硬件的開發(fā)費(fèi)用低，因此這樣劃分軟／硬件模塊后，對(duì)測(cè)量儀的各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)試、修改都比較方便，且測(cè)量儀整個(gè)開發(fā)成本較低。根據(jù)電路實(shí)現(xiàn)的功能不同，測(cè)量儀的電路可劃分為如下幾個(gè)主要模塊：l 時(shí)鐘接口電路：它可以產(chǎn)生秒、分、時(shí)、星期、日、月、及年等七個(gè)時(shí)標(biāo)，可以通過編程讀取和修改這些時(shí)標(biāo)，也可以編程成生定時(shí)間隔中斷。采用硬時(shí)鐘／日歷，可以不占用單片機(jī)的定時(shí)器資源，減輕軟件的設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)該電路可通過控制鍵盤接口電路輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)，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(cè)量儀對(duì)被測(cè)的物理參量要進(jìn)行數(shù)字處理，由于電壓、電流互感器的輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，因此測(cè)量儀應(yīng)當(dāng)采用A／D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便處理器進(jìn)行運(yùn)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(shè)計(jì)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(jī)與鍵盤的連接橋梁作用，通過該電路模塊單片機(jī)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(jìn)而完成人／機(jī)交互操作。l 通信接口電路；該模塊支持單片機(jī)與外部信息的交換。數(shù)據(jù)逐位傳送，適用于單片機(jī)與外設(shè)之間的遠(yuǎn)距離通信。四． 硬件電路設(shè)計(jì)信號(hào)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(hào)采集采用運(yùn)算放大器0P07構(gòu)成電壓跟隨器對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟隨處理，再由采樣/保持器LF398對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣/保持。高電平，采樣；低電平，保持。采樣控制信號(hào)由集成鎖相環(huán)CD4046對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行64倍頻產(chǎn)生 電壓信號(hào)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(fù)載能力，硬件電路簡單，也不需軟件控制，所以本設(shè)計(jì)采用了此方案。輸入信號(hào)是0～5V交流電壓信號(hào)，輸出信號(hào)不變，電路如圖41所示： 圖4電壓跟隨電路信號(hào)采樣/保持電路：采用保持器LF398對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣/保持。，高電平，采樣；低電平，保持。輸入的正弦波信號(hào)經(jīng)LF398后變?yōu)槌闃有盘?hào)。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(shí)現(xiàn)的。保持電容CH應(yīng)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(shí)為采樣，在低電平時(shí)為保持。本設(shè)計(jì)采用此種連接方法。圖4信號(hào)保持電路故電壓信號(hào)采樣整體電路如下圖43：圖4電壓信號(hào)采集電路 電流信號(hào)采集電路圖4電流信號(hào)采集電路圖4整形電路由于被測(cè)信號(hào)足一些高于220V的商壓信號(hào)，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)必須先將其變換為測(cè)量儀可用的小電流信號(hào)，即高壓信號(hào)要經(jīng)過互感器信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)換電路。互感器信號(hào)調(diào)整轉(zhuǎn)換電路完成的主要功能包括：對(duì)互感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理，并將處理后的信號(hào)進(jìn)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(hào)進(jìn)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(gè)測(cè)量儀中起到從互感器到處理器的橋梁作用。電壓信號(hào)具有正負(fù)極性的交流信號(hào)必須把交變信號(hào)進(jìn)行精密整流使其變成正極性單向脈動(dòng)信號(hào)才能被ADC0809接受當(dāng)然在整流以前必須要進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)要經(jīng)歷采樣、保持、量化、編碼4個(gè)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(dòng)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(shí)間，這就是A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)現(xiàn)的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)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(duì)溫度、壓力、流量等變化緩慢的參量進(jìn)行檢測(cè)。逐次比較型的MD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)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(jī)控制系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)換時(shí)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(dá)、數(shù)字通訊、實(shí)時(shí)的光譜分析、實(shí)時(shí)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(dǎo)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(gè)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(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)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(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）l 單個(gè)+5V電源供電l 模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)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(gè)步驟，一般，前2個(gè)步驟在取樣保持電路中1次性完成，后2個(gè)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(yīng)當(dāng)用無窮多個(gè)點(diǎn)，但有時(shí)卻并非如此。比如1條直線，取2個(gè)點(diǎn)即可。對(duì)于曲線，只是多取幾個(gè)點(diǎn)而已。將連續(xù)變化的模擬信號(hào)用多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的信號(hào)值來表示稱為取樣，取樣點(diǎn)上的信號(hào)值稱為樣點(diǎn)值，樣點(diǎn)值的全體稱為原信號(hào)的取樣信號(hào)。 取樣時(shí)間可以是等間隔的，也可以自適應(yīng)非等時(shí)間間隔取樣。問題是：對(duì)于頻率為f的信號(hào)，應(yīng)當(dāng)取多少個(gè)點(diǎn)，或者更準(zhǔn)確地說應(yīng)當(dāng)用多高的頻率進(jìn)行取樣？取樣定理將回答這個(gè)問題： 只要取樣頻率fS大于等于模擬信號(hào)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(hào)恢復(fù)為原來的模擬信號(hào)。這就是說，對(duì)于1個(gè)正弦信號(hào)，每個(gè)周期只要取2個(gè)樣點(diǎn)值即可，條件是必須用理想濾波器復(fù)原信號(hào)。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(diǎn)值必須保存下來，并在取樣脈沖結(jié)束之后到下1個(gè)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)保持功能的。量化與編碼：取樣保持后的樣點(diǎn)值仍是連續(xù)的模擬信號(hào)，為了用數(shù)字量表示，必須將其化成某個(gè)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(gè)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(jìn)制表示（如上述的“10”），也可以用2進(jìn)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(jìn)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(jì)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(shí)間）轉(zhuǎn)換法等多種。下面重點(diǎn)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(huì)先加1個(gè)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(shí)際體重是70公斤），就將此砣去掉；換1個(gè)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(gè)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(gè)更小一點(diǎn)的秤砣……如此進(jìn)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(shí)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(dāng)啟動(dòng)信號(hào)（即“START”信號(hào)，圖中未示出）的正邊沿到達(dá)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(jì)數(shù)器的狀態(tài)為Q1Q2Q3Q4Q5Q6=100000，門H3～H0被Q6