数字式工频有效值多用表制作.doc

大学生“综合性、设计性、研究性、自主开放型实验项目”完成报告书项目名称：数字式工频有效值多用表的设计项目负责人：苑金龙所在学院：输变电技术学院联系电话子信箱：78666501指导教师：孙和茹指导教师所在学院：输变电技术学院指导教师联系电话：5535988完成日期：2009年11月08一、题目 数字式工频有效值多用表 二、任务 设计并制作一个能同时对一路工频交流电（频率波动范围为50 1Hz、有失真的正弦波）的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数进行测量的数字式多用表三、要求 1 基本要求 （1）测量功能及量程范围 a、 交流电压：0300V； c、 有功功率：025kW； d、 无功功率：025kvar； e、 功率因数（有功功率/视在功率）：01 。 为便于本试题的设计与制作，设定待测0250V的交流电压、05A的交流电流均已经相应的变换器转换为05V的交流电压。 （2）准确度 a、 显示为 位（0.0004.999），有过量程指示； b、 交流电压和交流电流：（0.8读数5个字），例：当被测电压为300V时，读数误差应小于（0.8300V0.5V）2.9V ； c、 有功功率和无功功率：（1.5读数8个字）； d、 功率因数：0.01 。 （3）功能选择：用按键选择交流电压、交流电流、有功功率、无功功率和功率因数的测量与显示。 四 设计的的意义在日常的生产、生活和科研中，工频电无处不在，所谓工频就是电力供电系统交流电的频率，我国国家标准规定工频为50赫兹，即周期为0.02秒，英、美等国规定的工频为60赫兹。因此，对工频电的测量也是一个应用广泛的实际问题。传统的测量仪器在使用时需预先估计待测值的测量范围，多数情况下都要从较大量程档位足次向小量程档位切换，增加了操作的复杂性，且易发生误操作损坏仪器。本论文设计的数字式工频有效值多用表克服了传统仪器的缺点，可以测量工频交流电的电压、电流有效值，以及有功功率、无功功率和功率因数等功能，可以实现测量中的量程自动转换、测试结果的显示及测量总谐波的有效值功能。数字式工频有效值多用表 摘要我们设计制作的数字式工频有效值多用表可同时对工频交流电的电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数、电压基波及总谐波的有效值等电量进行测量。该仪表以单片机最小系统为核心，实现了测量的控制、数据分析处理、显示和量程自动转换等功能。设计原理图如下关键字：电量测量 FFT算法 积分算法一方案论证1 设计要点 （1）、作为数字化仪表，尽量做到高精度、智能化、自动化。 （2）、设计时既充分考虑工频交流电特征，同时也能适用于一般非工频电参量测量。尽量将传统数字化测量方法和现代数字化测量方法有机结合起来。 （3）、在硬件设计时，尽量采用大规模新器件，如高密度可编程器件，在设计过程中使用现代EDA工具。2 系统构成 一种传统的方案是完全由信号的整形变换处理电路和多种测量仪表组合而成，其中包括测电压、电流的表头、功率表头等等。这种方案不仅电路复杂，也不方便显示观察。另一种是包括具有运算功能的单元的系统，比如以单片机为核心的数据采集、变换、运算处理、显示为一体的系统电路，显然有软件算法的支持不仅电路简单，而且方便修改，也易数字显示，使得人机界面简洁、友好。我们采用的系统原理框图如下：可控放大器A/D移相A/D8051单片机显示键盘整形锁相倍频控制电路VvViI/O接口可控放大器 考虑到运算的需要，同时也是适应被测信号的频率变化。二测量算法的理论分析 1采样点数和A/D位数的设计论证（工频信号周波内） （1）采样点数N的选取 根据奈奎斯特采样定理，在信号频率变化时若都能保证对信号周波内等间隔、均匀采样60点，这样采用FFT算法不仅能满足工频交流电测量的要求，而且也可以对普通信号的30次以下谐波进行分析。同时考虑到采样点数较少时，积分法进行运算的误差就难以达到系统的精度要求。所以选择N=60。 （2）A/D位数的选择依据由于信号经过A/D转换后会产生量化噪声，即经过A/D转换后的信号为原始信号加量化噪声，量化噪声幅度为原始信号幅度的倍（其中N为A/D位数）。因此在设计电路时，要考虑A/D位数对系统精度的影响。 基于60点FFT算法对A/D位数的影响进行分析（量化噪声迭加于振幅），结果列于下表中。表一： 基于60点FFT算法分析相同信号(含1、2、3次谐波)条件下A/D位数对电量参数的影响表：有功功率无功功率视在功率功率因数最大误差(%)标准信号0.6293-0.11090.63900.9848000.008bit-A/D0.6310-0.10970.64020.9856051.089bit-A/D0.6307-0.11010.64030.9850730.7210bit-A/D0.6297-0.11050.63940.9849260.3611bit-A/D0.6292-0.11070.63890.9848520.1812bit-A/D0.6289-0.11080.63860.9848150.09 表二： 基于积分法分析相同信号(含1、2、3次谐波)条件下A/D位数对电量参数的影响表：有功功率无功功率视在功率功率因数最大误差(%)标准信号0.6293-0.11090.63900.9848000.008bit-A/D0.6312-0.10960.64020.9856081.099bit-A/D0.6309-0.11020.64040.9850740.7310bit-A/D0.6297-0.11050.63940.9849260.3611bit-A/D0.6292-0.11070.63890.9848520.1812bit-A/D0.6289-0.11080.63860.9848150.09 由上面表格结果，经分析得出采用8bit-A/D即可满足精度要求。因此我们采用8bit-A/D芯片。2 基于时域分析的积分法 输入的交流信号经A/D采样后，在基波周期内等间隔取出采样点，根据有效值、有功功率、无功功率的定义，采用积分法计算。 即 电压有效值 U= （1）电流有效值 I= （2）平均有功功率 P= （3）无功功率 Q= （4） （5）以上各式中的，分别表示电压及电流的第n点采样值。这种方法比较直接，当谐波分量较小时精度比较高，但是不能分析谐波，而且当输入交流信号畸变严重时，或者包含较高的谐波分量时，会有较大的误差。要想减小由离散化引入的误差，就必须提高采样频率，即增加工频周波内的采样点数，这样大大地增加了运算量，降低了处理速度。3 基于频域分析的傅里叶变换（1）傅立叶变换 假设输入信号的基波信号为频率为的正弦波电压 （6） 2， 式中 初相位； 幅值。u(t)可用矢量的虚部表示。 = + （7） 若将看作的复数振幅 （8） 对信号每周采样次产生采样序列 = 式中 采样间隔。对进行离散傅里叶变换得到基波分量的频谱系数。 = = （9） （10） （11） 对正弦输入信号可证明 （12）是输入信号的基波频谱系数，由式(7)(8)和(12)可得出与的关系。 = （13）可见和都是表示输入信号基波分量的复数振幅，和分别为复数振幅的实部和虚部。 对于二次和三次谐波，同样可得其复数振幅的实部和虚部： （14） （15） （16） （17） 对另一路输入的交流电流信号可同样应用上述公式求出各次谐波分量的复数振幅的实部和虚部。 （2）交流电压电流有功功率和无功功率有效值的计算。 已知输入信号基波电压（电流）复数振幅的实部和虚部，不难求得：基波交流电压和交流电流有功功率和无功功率的有效值。 设、为基波电压的实部和虚部，、为基波电流的实部和虚部，、分别为基波的交流电压、电流、有功功率、无功功率，则有： （18） （19） （20） （21） （22） 对于二次谐波，同样可由傅立叶变换得： （23） （24） （25） （26） （27）对于三次谐波，同样应用得 总的输入信号的有效值，有功、无功功率，功率因数为： （28） （29） （30） （31） 其他高次谐波，计算公式可仿此类推。 上两式中求有效值时要求平方根，占用太多的计算时间，采用近似计算公式 （32） 其相对误差为。4对称方波基波特性的理论分析 周期为T的信号可分解为 其中，角频率，为n次谐波的系数 ， ，n次谐波的幅度 假设标准对称交流方波（正负幅度均为0.5A）0.5A-0.5At 由上述公式，可以求出此方波的傅立叶级数展开式为 由此得出，此对称方波的基波幅度为 基波有效值为 (33)此方波的有效值 (34)总谐波的有效值为 (35)失真度 (36)四电路的分析与设计1.电压信号采集电路2.电流信号采集电路3.电路元件参数R1=1K C1=102 R2=1M R3=1M C2=102 VDD=5V R4=1MR5=1M 电压互感器SP7504F4-280/0.7 电流互感器TA23M-5A/0.5MA运算放大器采用LM324 显示采用液晶显示YM 12832C五 系统调试及测试分析1. 系统调试过程 调试设备： 586 PC机 一台 HONGHUA/502型双踪示波器 一台 MG1043 函数信号发生器 一台 ICE/EXPLOREOR/G6E仿真器 一台 UT2003数字式万用电表 一只 测试条件: 220V市电,室温25-28C （）对单片机系统的调试，包括LED显示部分，键盘部分，RAM的读写，I/O扩展口。（）对高速A/D采集部分的调试 先在MAX+PLUSII软件中进行波形仿真，输入输出波形时序正确后下载器件编程，可试加方波和正弦波，使用仿真器，在汇编集成调试环境MCS51中调试使采样点数和采样值正确无误。 （3）同步跟踪锁相电路的调试，使其能够对50HZ10HZ的信号进行120倍频，尤其注意保持了锁相倍频信号的稳定不抖动，调试初期倍频信号的频率抖动是因为4046的中心频率偏移超出跟踪带的缘故。 （4） 程控增益放大电路测试,当电压值0.5V时能够自动转换量程。2测试结果及分析（1） 交流电压电流有效值测试 输入为对称方波信号 测量次数123456交流电压 表头值0.6560.7921.532.1833.724.850实测值61.6080.61154.1219.7370.1484.1交流电流 Vi表头值0.9541.6722.1032.9203.6824.502实测值9.29317.0321.5229.2736.7845.10有功功率实测值486.1122424905029996415.63k无功功率实测值310.4620.721904008927415.22k功率因数实测值0.8400.8920.7510.7820.7320.710 输入为正弦信号 测量次数123456交流电压 表头值0.7211.2162.1183.2064.0264.541实测值71.67120.6209.7320.1399.5450.3交流电流 Vi表头值0.7211.2162.1183.2064.0264.521实测值7.15511.9920.9631.9539.9144.88有功功率实测值417.011673448816112.51k15.72k无功功率实测值291.2852.926986105972612.49k功率因数实测值0.8240.8060.7840.7970.7900.783交流电压有效值最大误差：0.88%交流电流有效值最大误差：0.88%有功功率最大误差：0.56%无功功率最大误差：1.01%（2）电压基波及总谐波有效值测试：（输入对称方波信号）输入方波幅度0.5v1v1.5v2v基波有效值理论值0.2500.5000.7501.000显示值0.2490.4950.7360.984总谐波有效值理论值0.10860.21720.32580.4342显示值0.10980.21870.32700.4351实测总谐波有效值与基波有效值之比为：50.3%六结束语 经过这几月的努力，我们基本达到了系统的预定设计目标，这其中得力于系统框图和算法的精心设计，尤其是采用FFT算法精度较高，且对谐波分析的有力支持使得功能扩展比较容易。同时由于EDA工具软件和可编程器件的支持，十分方便设计和修改，硬件仿真的结果大大的减少了电路实现时的弯路。另外的一个收获是深深体会到工程设计中来不得半点马虎，一丝不苟、严谨仔细的作风和团队协作的精神十分重要。二、立项背景在日常的生产、生活和科研中，工频电无处不在，所谓工频就是电力供电系统交流电的频率，我国国家标准规定工频为50赫兹，即周期为0.02秒，英、美等国规定的工频为60赫兹。因此，对工频电的测量也是一个应用广泛的实际问题。传统的测量仪器在使用时需预先估计待测值的测量范围，多数情况下都要从较大量程档位足次向小量程档位切换，增加了操作的复杂性，且易发生误操作损坏仪器。本论文设计的数字式工频有效值多用表克服了传统仪器的缺点，可以测量工频交流电的电压、电流有效值，以及有功功率、无功功率和功率因数等功能，可以实现测量中的量程自动转换、测试结果的显示及测量总谐波的有效值功能。一、方案设计与论证 1、总体方案设计与比较 方案一 系统采用对电压、电流信号分别测量，测量功率时则将电压、电流信号取出，送到功率测量模块进行测量，原理框图如图1-1所示。整个系统是采用模拟控制方式，硬件电路实现复杂，功率因数测量难以实现，系统还不能实现复杂的控制算法。图1-1 方案二 方案采用89C52单片机来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示测量值。对于电压、电流信号采样用可用程控放大器进行预处理。在测量工频交流电压、电流信号时，利用锁相环对信号倍频所得脉冲控制89C52对电压、电流信号同步取点测量。另外测量功率时，采用双路保持器对信号采样保持，缩小采样时间。由于采用了单片机，使系统整体结构更为简单。图1-2 系统总体框图 比较以上两种方案，方案一是模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制和计算，控制方案的改善也较麻烦。方案二是采用以89C52为控制核心的单片机控制系统，可以实现显示、打印、与微机通讯等功能，大大提高了系统的智能化，并且系统所测结果的精度有很大提高。故经过对两种方案的比较，本设计及制作采用了方案二。三、项目的特色与创新之处设计的智能化数字式工频有效值多用表,准确度高、响应速度快、测量面广,能准确、实时地测量各种波形的有效值。数字式工频有效值多用表的成功设计将给人们带来许多的便利。由于该表性能优越，使用方便，且性能价格比传统的指针式万用表有明显的提高。所以是科研、教学实验、仪器仪表测量、家用电器维修的必备工具，是“数字式”取代“指针式”的理想仪器本设计主要实现了一个多功能的工频表，能够对交流电压值、交流电流值、有功功率、无功功率以及功率因数进行测量。设计共分三个模块电路：数据信号采集模块,单片机系统数据处理模块，工频表显示模块。数据信号采集模块采用可编程放大器件PGA103对信号进行分别放大，满足对大、小信号的不同处理；数据信号频率采用集成锁相环CD4046进行64倍倍频处理；单片机系统数