0705034223測控電路設計

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1、測控電路設計專業(yè)：測控技術與儀器班級：07050342姓名：王志波學號：07050342237數(shù)字式工頻有效值多用表1.設計思路設計分為三個模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)采集信號采用程控放大器PGA103，采樣控制信號由集成鎖相環(huán)CD4046對被測信號進行64倍頻產生；數(shù)據(jù)處理以單片機AT89C52為核心，對采集信號進行精確控制和嚴格計算；顯示部分由六位數(shù)碼管構成。我們設計制作的數(shù)字式工頻有效值多用表可同時對工頻交流電的電壓有效值、電流有效值、有功功率、功率因數(shù)、電壓基波及總諧波的有效值等電量進行測量。該儀表以單片機最小系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)了測量的控制

2、、數(shù)據(jù)分析處理、顯示和量程自動轉換等功能2.方案設計2.1總體方案設計與比較如果對測量信號采用模擬控制方式，其硬件電路實現(xiàn)復雜，功率因數(shù)難以測量，而且不能實現(xiàn)復雜的控制和運算。但是如果采用以單片機為核心來實現(xiàn)的話，單片機軟件編程靈活性大，可以用程序實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。對于電壓電流信號采樣可用程控放大器進行處理。利用鎖相環(huán)對信號倍頻，所得脈沖控制單片機和AD轉換芯片，對電壓、電流的相位測量。測量功率時，采用雙路保持器對信號采樣保持，做到電壓，電流信號同時采集。因此，采用單片機系統(tǒng)使整體結構簡單容易實現(xiàn)。其整體框圖為：單片機電壓信號程控放大器采樣保持AD轉換

3、模擬開關鍵盤4位顯示管電流信號程控放大器采樣保持外部RAM圖一整體框圖73.模塊電路3.1數(shù)據(jù)采集模塊3.1.1電流、電壓信號的放大電路通過單片機AT89C52對程控放大器PGA103的管腳1和管腳2進行控制，滿足對大小不同信號的放大，硬件電路簡單，容易實現(xiàn)。如圖1。圖2放大電路3.1.2數(shù)據(jù)保持部分由于測量功率時要對電壓、電流信號進行測量，可采用保持器LF398對兩路信號分別進行保持，用單片機P1.4口對保持器LF398進行控制。進行測量時單片機先對電壓信號進行轉換，而此時電流信號被送到保持器進行保持，等待電壓信號處理完畢。這種方案可以對電壓電流信號進行同

4、時測量，并且減小了系統(tǒng)帶來的誤差。見圖2。圖3數(shù)據(jù)保持圖3數(shù)據(jù)保持73.2單片機數(shù)據(jù)處理模塊3.2.1信號頻率倍頻處理部分采用鎖相環(huán)電路直接實現(xiàn)。用鎖相環(huán)把信號的頻率通過計數(shù)器進行64倍頻，從而在需采集信號的一個周期中產生64個脈沖，利用此脈沖信號作為單片機的外部中斷信號，快速啟動AD574進行轉換，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。實施簡單，而且可靠性高，簡化了軟件的設計。如圖3。圖4信號頻率處理3.2.2數(shù)據(jù)處理轉換部分采用89C52單片機，片外RAM和鎖存器74LS373一起構成數(shù)據(jù)處理轉換部分。如圖4.圖5數(shù)據(jù)處理轉換部分73.3數(shù)據(jù)顯示部分3.3.1鍵盤按鍵共設定

5、6個按鍵，用2X3的鍵盤，一個復位鍵，一個有效電壓，一個有效電流，一個有功功率，一個無功功率，一個功率因數(shù)。通過單片機的P1口來輸入控制信號。3.3.2數(shù)碼顯示采用4位數(shù)碼管顯示，通過74LS138和單片機的P0口將數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示。如圖5。3.4.算法計算3.4.1交流電壓電流有效值計算工頻信號有效值的計算公式為：U=其中T為信號周期。故令F=T，（t）=（t），則F=由于在計算機系統(tǒng)中U（t）和（t）都是一些離散點的數(shù)值，故采用數(shù)值積分的方法，將函數(shù)分解為離散值之和，即F=（h/3）[]其中余項，0<

6、電壓為正弦信號，但當電壓發(fā)生波動時，以三次諧波影響最大，因此可以認為電壓波形為基波和三次諧波之和，即設在最嚴重的情況下，令=，則，AD574采用V滿量程，因此可認為U=5V，則=V，因此在每周期采集64點時，其余項部分為23uV，遠小于AD574的最低分辨率2.4mV，采集精度完全滿足要求。3.4.2功率和功率因數(shù)的計算視在功率：S=UI7有功功率：P=(1/T)無功功率：Q=功率因數(shù)：3.4.3測量電壓基波有效值的算法采用傅里葉算法來實現(xiàn)。所測信號是一個周期的時間函數(shù)，除基波外還含有直流分量和各次諧波，可表示為：式中和分別為各次諧波的正弦項和余弦項的振幅。

7、、分別為基波分量的正、余弦項的振幅；為直流分量的值。根據(jù)傅里葉級數(shù)的原理，可以求出、分別為則中的基波分量為：將上式化簡可以得到：式中為基波的有效值，為t=0時的基波分量的相角。用單片機處理時，，的積分可以用梯形法則求得，即式中N為一個周期采樣點數(shù)，N=64，為第k次采樣值，、分別為k=0和n時的采樣值。諧波總有效值根據(jù)基波有效值可以算出為：（U為電壓總有效值，為基波有效值，為諧波總有效值）73.5軟件設計及軟件流程系統(tǒng)初始化接受外部中斷等待外部中斷開中斷開始啟動AD數(shù)據(jù)計算接受按鍵信息按功能顯示返回圖6軟件流程圖7圖7數(shù)據(jù)處理模塊總圖7