数字工频有效值多用测试表

数字工频有效值多用测试表

摘要

本设计用于测量电压有效值，电流有效值，有功功率，无功功率，功率因数，电压基波分量及总谐波有效值等一系列工频参数。采用MSP430F149为核心控制单元，用12位高精度AD采样，前端通过由TLC7528（D/A）构成的可编程放大器实现小信号放大，提高采样精度，中间加入两路采样保持，实现小误差高速采样，将采样点送入MSP430，采用FFT算法分析工频信号频谱，经过一定的数据处理得出各参数值。

关键词：可编程放大器 采样保持 FFT

1. 引言

工频参数的测量在电力电子技术应用中占有重要地位，是一项重要而基本的测量内容。

本课题要求设计并制作一基于智能控制器（单片机/DSP）的数字式工频有效值多用表，要求该系统能完成同时对一路工频交流电的电压有效值、电流有效值，有功功率、无功功率、功率因数等工频参数的测量。该课题涉及的技术包括：单片机/DSP控制技术、AC/DC（交流/直流）转换技术、A/D（模拟/数字）转换技术、LED/LCD显示技术、量程自动转换技术、键盘技术、EEPROM技术、接口技术等。另外，还具有良好的可扩展性。

本系统以智能微控制处理器（单片机/DSP）为控制核心，可实现对多项工频参数的测量，其结果可在LCD上显示，也可通过扩展的打印接口输出纸质结果。在本课题研究的基础上，可进一步展开对智能电力系统其它部分的研究。通过该项目的设计制作，有利于学生理论知识和实践能力的结合，培养提高学生的科学思维、实践能力和创新能力。

2. 系统方案

2.1 总体系统框图：

2.2 整体设计思路：

首先采用通过AC-AC将实际电压（电流）较高的工频信号转化成幅值在一定范围内（便于采集）的两路小信号，通过可编程放大器（采用DAC实现）将信号放大到2.5~4V范围内。再由单片机控制ADC进行等间隔采样（Fs=1600Hz），前端加入采样保持，提高精度。采集两个周期，共64个点，用单片机实现FFT算法，分析信号频谱，通过数据分析得到各工频参数值，再送入液晶显示。

3. 系统硬件设计

3.1电压电流信号放大：

（1） 采用运放对电压电流放大，选择不同的阻值就可以得到不同的放大

倍数，但是这种放大处理不能同时满足对大小信号的放大要求。 （2） 考虑到要满足对大小信号进行处理，采用电压跟随器和多档程控同

向放大器（由放大器uA741与模拟开关CD4051组成），对电压、电流信号进行程控放大。这种方案需要外部连接多路电阻，比较繁琐。 （3） 直接利用集成芯片TLC7528，其内部集成双D/A，利用 T型电阻网络，

方便同时实现两路信号的可编程增益控制，完成前端设计。

综上考虑选择方案3 。

3.2数据采集保持：

（1） 对电压、电流信号进行分开测量，先在一个周期测电压值，再在下

一个周期测电压值。方案电路简单，全部通过软件实现。由于所测电压、电流不是同时采样，所以功率值会有误差。

（2） 由于测量功率时要对电压、电流信号进行同时测量，可采用保持器

LF398对两路信号分别进行保持，MCU对保持器LF398进行控制。进行测量时，先对电压信号进行转换，而此时电流信号被送到保持器进行保持，等待电压信号处理完毕。LF398的宽带噪声小于20uV，采样时间小于10us且输入阻抗非常大，因此可以保证系统的测量精度和加强本系统抗干扰能力。 综上考虑选择方案2 。

3.3信号采集过程

（1） 采用锁相环电路直接实现。用锁相环把信号的频率通过计数器进128

倍频，从而在需采集的信号的一个周期中产生128个脉冲，利用此脉冲信号作为MCU的外部中断信号,启动ADC进行转换。但锁相倍频过程不稳定，难以调试。

（2） 由单片机控制ADC进行等间隔采样（Fs=1600Hz），采集两个周期，共

64个点，用单片机实现FFT算法，分析信号频谱，通过数据分析得到各工频参数值。这样对信号的分析既精确又全面，同时减少了硬件的设计，降低复杂度。 综上考虑选择方案2 。

4. 系统软件设计

4.1软件设计框图 （如下图3-1示）

图3-1软件设计框图

4.3程序列表：

详见附录四：部分程序。

5. 系统创新

1.现在不论教学还是生活中都缺乏工频参数类的数字智能仪表，所以本设计将成为科研、教学实验、仪器仪表测量、家用电器维修的理想仪器。 2.解决传统仪器复杂的大量程切换所带来的操作及安全问题，测量功能强大，测量面广，能准确实时地测量各种波形的有效值。 3.FFT算法的运用，以及可编程放大器的设计。 4.显示信号频谱，可简单分析信号特征。

6. 评测与结论

6.1调试方法和过程

调试方法和过程我们采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，以提高调试效率。各单元模块的调试如下： （1） 数据采集、放大模块调试：

单独编写可编程放大器模块的调试程序。用单片机设定放大倍数，再可编程放大器加入信号，观察输出信号是否符合放大要求。

调试结果显示模块可以正常工作。 （2） A/D转换模块调试：

因系统软件较大，不适合用来调试A/D转换模块，故编制了一简单程序进行调试，并用示波器监视几个控制信号（如片选、启动）是否正确。同时用液晶显示A/D对正弦交流信号的采样结果，并用Matlab模拟出曲线，对比观察，通过这种方法使A/D转换电路很快便能正常工作了。 （3） 显示模块调试：

将显示模块与仿真机相连，编制一简单程序进行调试，通过不断操作按键，观察显示液晶显示是否正确。通过这种方法可以看出显示模块能够正常工作。

各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下：

将调好的各模块连接在一起，用函数信号发生器模拟交流电压和交流电流两路输入，观察并记录液晶上显示的测量数据，同时记录下函数发生器给定数据，进行比较分析，计算测量误差。 6.2部分测试数据

注：由于实验室所提供的函数发生器只具备一路输出信号，未能模拟两路工频信号的相位差，所以实验所记录的数据中无功率基本为零，而功率因数基本接近1。另外，实验数据中的两路电压电流的幅值的差异是在可编程放大器模块中，通过独立改变两路信号的放大倍数而实现的，所以实验数据具有一定的参考价值。