【文章內容簡介】 (210)則有：Y=(x—y)／F+Q (211)整理得：Y=Xf／(F+1)+QF／(F+1) (212)由式(212)可以看出當頻率F接近于0時，輸出y接近于x并且沒有噪聲分量。當頻率增加時，X項的值減小而噪聲分量增加。對于高頻輸入，輸出主要是量化噪聲。實際上模擬濾波器對輸入信號具有低通濾波作用，對噪聲分量具有高通濾波作用，因此可以將調制器的模擬濾波器的作用看成是一種噪聲整形濾波器。 和一般的濾波器一樣，濾波器的階數(shù)越高其濾波性能越好。因此高階的Σ一調制器得到廣泛應用，原理圖如圖23所示：圖23 二階Σ一調制器原理框圖167。 數(shù)字濾波Σ一△調制器對量化噪聲整形后，將量化噪聲移到所關心的頻帶以外，然后對整形的量化噪聲進行數(shù)字濾波，數(shù)字濾波的作用有兩個：一是對于最終采樣速率Fs，它必須起到抗混疊的作用，二是它必須清除Σ一△調制器在噪聲整形的過程中產(chǎn)生的高頻噪聲。因為數(shù)字濾波器降低了帶寬，所以輸出數(shù)據(jù)速率要低于原始采樣速率，直到滿足奈奎斯特定理。降低輸出數(shù)據(jù)速率的方法是通過對每輸出M個數(shù)據(jù)抽取1個數(shù)字的數(shù)字重采樣辦法，這種方法叫做輸出速率降為1／M的采樣抽取。這種采樣抽取的辦法不會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生任何損失，它實際上是去除過采樣過程中產(chǎn)生多余信號的一種方法。數(shù)字濾波器既可以用有限脈沖響應濾波器，也可以用無限脈沖響應濾波器或者兩個的組合。有限脈沖響應濾波器容易設計，能與采樣抽取過程合并計算，具有線性相位特性等優(yōu)點，但是它需要計算大量的系數(shù)，無限脈沖響應濾波器具有非線性特性，不能與采用抽取過程合并，而且需要考慮穩(wěn)定性和溢出等問題，所以應用起來比較復雜，交流采樣場合比較多采用有限脈沖響應濾波器。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的一個重要組成部分，數(shù)字濾波器實際上是一種運算過程。它是指完成頻率選擇或頻率分辨任務的線性時不變系統(tǒng)的通用名稱。因此離散時間LTI系統(tǒng)也稱為數(shù)字濾波器。其功能是將一組輸入的數(shù)字序列通過一定的運算后轉變?yōu)榱硪唤M輸出的數(shù)字序列。因此它本身就是一臺數(shù)字式的處理設備。與模擬濾波器類似，數(shù)字濾波器按照頻率特性劃分也有低通，高通，帶通，帶阻，全通等類型。由于頻率響應的周期性，頻率變量以數(shù)字頻率來表示，==／fs，fs為模擬角頻率，T為抽樣時間間隔，為抽樣頻率。數(shù)字濾波器一般可以用兩種方法實現(xiàn)：一種是設計專用的數(shù)字硬件，專用的數(shù)字信號處理器或采用通用的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)；另一種是直接用計算機，將所需要的運算編成程序，即用軟件的方式來實現(xiàn)數(shù)字濾波。FIR濾波器的頻率采樣型結構的優(yōu)點:首先,它的系數(shù)H(k)直接是濾波器在=（／N）k處的響應值，因此可以直接控制濾波器的響應。此外，只要濾波器的N階數(shù)相同，對于任何頻率響應形狀，其梳狀濾波器部分的結構完全相同，只是各支路的增益H(k)不同，因此頻率采樣型結構便于標準化和模塊化。35第3章 硬件設計167。 數(shù)字電能表的工作原理采用乘法器實現(xiàn)對電功率的測量，其工作原理框圖如圖31所示。被測量的高電壓u、大電流i經(jīng)電壓變換器和電流變換器轉換后送至乘法器M，乘法器M完成電壓和電流瞬時值相乘，輸出一個與一段時間內的平均功率成正比的直流電壓U，然后再利用電壓／頻率轉換器，U被轉換成相應的脈沖頻率f，將該頻率分頻，并通過一段時間內計數(shù)器的計數(shù)，顯示出相應的電能。 圖31 數(shù)字電能表工作原理框圖167。 數(shù)字電度表總體設計方案框圖 數(shù)字電能表的總體設計方案如圖32所示。各種硬件模塊構成了整個數(shù)字電能表，每個硬件模塊都有著不同的功能，在整個電表硬件系統(tǒng)中都承擔著一定的作用。模塊與模塊之間又通過MCU[7]統(tǒng)一地聯(lián)系在一起，共同地形成了功能強大的智能電表系統(tǒng)。各個硬件模塊具體如下：1. STC89C52RC單片機是整個電子式電能表硬件的核心部分，它是電能表的“大腦”，外圍所有的硬件模塊都是在它的控制協(xié)調下進行工作的。單片機通過燒制在其中的各種程序[8]，控制著其它硬件模塊的工作狀態(tài)。2. ADC0832是雙通道A/D轉換芯片，在整個硬件電路中發(fā)揮著重要作用。主要完成將模擬電能信息轉化為單片機可以讀取并且操作的數(shù)字電能信息。3. 電能采樣模塊是將電能表硬件系統(tǒng)與主電網(wǎng)進行隔離，使強電和弱電分開。將主網(wǎng)中的大電壓，大電流轉化為小電壓，小電流，以便提供給計量芯片進行信號處理。4. 電源模塊為整個電能表硬件系統(tǒng)正常工作供電，它通過電能變換將主電網(wǎng)中的220V交流降壓、整流為5V的直流。在掉電情況下，為了保證時鐘的連續(xù)性和準確性，還有專用的電池供電。5. 實時時鐘為復費率電能表提供準確的時間信息，以便于實現(xiàn)不同費率下電能的計量。6. 按鍵模塊采用獨立是鍵盤模塊。本設計只需要按鍵來調時間，通過設計只需要三個按鍵來完成。7. 顯示模塊目前常見的電子式電能表顯示器件有三種：液晶（LCD）、發(fā)光二極管（LED）、熒光管（FIP）。從成本和優(yōu)缺點方面考慮我們選用液晶顯示器（LCD），達到節(jié)約用電和安全用電的效果。L電流采樣電壓采樣雙通道AD單片機顯示鍵盤時鐘電源N 圖32 硬件系統(tǒng)框圖167。 控制芯片STC89C52RC本課程設計單片機采用STC89C52RC單片機，STC89C51RC/RD+ 系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機[9]，12 時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，最新的D版本內部集成MAX810專用復位電路。其特點有：1. 增強型6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期8051CPU；2. 工作電壓：（5V單片機）/（3V單片機）；3. 工作頻率范圍：040MHz，相當于普通8051[10]的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz；4. 用戶應用程序空間4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字節(jié)；5. 片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)RAM；6. 通用I/O口（32/36個），復位后為： P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），P0口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻；7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器/仿真器，可通過串口（）直接下載用戶程序，8K程序3秒即可完成一片；8. EEPROM 功能；9. 看門狗；10. 內部集成MAX810專用復位電路（D版本才有），外部晶體20M以下時，可省外部復位電路；11. 共3個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用；12. 外部中斷4路，下降沿中斷或低電平出發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；13. 通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART；14. 工作溫度范圍：075℃/40 +85℃；15. 封裝：LQFP44，PDIP40，PLCC44，PQFP44。STC89C52RC單片機[11]包含中央處理器、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。芯片如圖33所示。圖33 STC89C52RC芯片圖引腳的功能：1. 主電源引腳　　 Vss(20腳)：地線　 　Vcc(40腳)：+5V電源2. 外接晶振或外部振蕩器引腳XTAL1(19腳)：當采用芯片內部時鐘信號時，接外部晶振的一個引腳；當采用外部時鐘信號時，此腳應接地。XTAL1(18腳)：當采用芯片內部時鐘信號時，接外部晶振的一個引腳；當采用外部時鐘信號時，外部信號由此腳輸入。3. 控制、選通或電源復用引腳RST/Vp0(9腳)：復位信號輸入；Vcc掉電后，此腳可接上備用電源，在低功耗條件下保持內部RAM中的數(shù)據(jù)。ALE/PROG(30腳)：ALE即允許地址鎖存信號輸出，當單片機訪問外部存儲器時該腳的輸出信號用于鎖存P0的低8位地址，其輸出的頻率為時鐘振蕩頻率的1/6。PROG為編程脈沖輸入端，當選用8751單片機時，由此腳輸入編程脈沖。(29腳)：訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效，用于實現(xiàn)外部程序存儲器的讀操作。/Vpp(31腳)：EA為訪問內部或外部程序存儲器選擇信號，EA=0，單片機只訪問外部程序存儲器，故對8031此腳只能接地；EA＝1，單片機訪問內部程序存儲器，固對8051和8751此腳應接高電平，但若程序指針PC值超過4KB(OFFFH)范圍，單片機將自動訪問外部程序存儲器。 P0口(32～39腳)：P0數(shù)據(jù)/地址復用總線端口。P1口(1～8腳)：P1靜態(tài)通用端口。P2口(21～28腳)：P2動態(tài)端口。P3口(10～17腳)：P3雙功能靜態(tài)端口。除作I/O端口外，它還提供特殊的第二功能，其具體含義為：(10腳)RXD：串行數(shù)據(jù)接收端。(11腳)TXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。(12腳)INT0：外部中斷0請求端，低電平有效。(13腳)INT1：外部中斷1請求端，低電平有效。(14腳)T0：定時器/計數(shù)器0計數(shù)輸入端。(15腳)T1：定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入端。(16腳)WR：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通，低電平有效。(17腳)RD：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通，低電平有效167。 ADC0832芯片ADC0832（芯片如圖34）[12]是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學習并使用ADC0832可是使我們了解A/D轉換器的原理，有助于我們單片機技術水平的提高。ADC0832具有以下特點： 8位分辨率； 雙通道A/D轉換； 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容； 5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間； 工作頻率為250KHZ，轉換時間為32μS； 一般功耗僅為15mW； 8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC多種封裝； 商用級芯片溫寬為0176。C～+70176。C，工業(yè)級芯片溫寬為40176。C～+85176。C；圖34 ADC0832芯片接口說明： CS—片選使能，低電平芯片使能。 CH0—模擬輸入通道0，或作為IN+/使用。 CH1—模擬輸入通道1，或作為IN+/使用。 GND—芯片參考0電位（地）。 DI—數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 DO—數(shù)據(jù)信號輸出，轉換數(shù)據(jù)輸出。 CLK—芯片時鐘輸入。 Vcc/REF—電源輸入及參考電壓輸入（復用）。ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 正常情況下ADC0832與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。 作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是05V且8位分辨率時 。如果作為由IN+與IN輸入的輸入時，可是將電壓值設定在某一個較大范圍之內，從而提高轉換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與IN的輸入時，如果IN的電壓大于IN+的電壓則轉換后的數(shù)據(jù)結果始終為00H。167。 電壓電流采樣模塊一方面為了將數(shù)字電能表的計量芯片與電力線隔離，另一方面又要完成電壓電流的采樣．前置模擬電壓和電流取樣電路一般有兩種，一種是通過電阻分壓和分流的方法獲得的，另一種是通過電壓互感器和電流互感器的方法獲得?？紤]成本等因素，本設計中電壓采樣選用電阻分壓的接法，電流取樣選用電流互感器。表31電流通道增益選擇表1. 電流通道線路電流傳感器的輸出電壓接到AD0832的通道V1，該通道采用完全差動輸入，VIP為正輸入端，VIN為負輸入端。通道1的最大差動峰值電壓應小于470mV(有效值為330mV)。通道1有一個PGA，其增益可選擇為1，2，8或16。如表31所示。這使傳感器接口的設計大為簡單。VIP和VIN引腳上的最大差動電壓為470mV，在這兩個引腳上的差動信號必須以一個共模端作為參考點，如AGND。最大共模信號為100mV。本設計選擇電流互感器(CT)作為電流傳感器。如圖35所示通道l的共模電壓是AGND，它是通過負載電阻的中間抽頭接至UAGND上的，對VIP和VIN上的模擬電壓起到互補作用。CT的變比和負載電阻Rb的大小根據(jù)差動峰值電壓而定。圖35 電流采樣模塊原理圖2. 電壓通道電壓通道采用電阻分壓網(wǎng)絡獲得采樣電壓。167。 電源模塊直流穩(wěn)壓電源[13]分為三種： 1. 固定電壓輸出電路：這種電路是最長用的直流穩(wěn)壓電源電路，設計制作簡單，成本比較低，應用十分方便。 2. 可調輸出電壓電路：這種電路可根據(jù)自身的需要調節(jié)輸出電壓，可調范圍也比較大。 3. 多路輸出電壓電路：這種電路可同時滿足不同芯片對于不同電壓的