数字工频有效值多用表.doc

数字式工频有效值多用表摘要：引言为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，我们分析决定以FPGA为核心产生两路已知相位差的正弦波，采用D类触发器制作一个测相位电路，用软件来计算并显示出有功功率、无功功率、功率因数，而电压、电流的有效值通过整形电路可求得。一、 方案论证与选择1.1 有功功率的测量有功功率的测量是本题的一个重点，只要测出它，无功功率和功率因数的测量都会迎刃而解。方案一：积分法。根据有功功率的定义：瞬时功率在一个周期内的平均值即为有功功率，我们可以采用MSP430的内置12位AD对电流和电压多次采样，并且每次都将他们相乘，一个周期后求得的所有乘积的平均值即为有功功率。该方案的优点是电路设计简单，方便调试。但是用该种方法测得的有功功率精确度取决于单片机的读取速度以及AD的采样速率，可见其精度很难有很大的提高空间。方案二：求相位差法。根据有功功率的计算公式：P=U*I*COS，电流、电压的有效值通过整流电路可以求出，只要求出相位差就可以轻松算出。这种方法的优点是只要测相位的电路设计测量精度高以及整流电路的效果好，就能提高整个系统的精确度。当然，这种方法对电路设计的要求较高。基于上述分析，鉴于题目要求做的是仪表，为了能尽可能提高精度，我们最终采用的是方案二。1.2 选用的液晶屏 方案一：采用LCD5110。这是我们最常用的显示屏，具有画图，写汉字，写英文等多种功能，驱动方便，价格优惠，界面友好。 方案二，采用段式液晶屏。这种显示屏最大的优点就是超低功耗，很符合本系统节能的设计理念。同时其性价比也不错。 鉴于本设计对显示屏的要求是只要可以显示数字就可以，从功耗方面考虑我们选用了方案二。1.3 最小系统的选择 系统以单片机为核心，采用哪种单片机才能既能很方便地完成设计，又能做到最大限度地节省资源，对整个作品的完成质量来说至关重要。 方案一：采用STM32最小系统。STM32系列的芯片功能相比于很多同价位的芯片来说是很强大的了，可见其性价比之高。 方案二：采用MP430F449最小系统。TI公司生产的MPS430系列的芯片都是超低功耗的，这是它最大的优点，同时它能直接驱动段式液晶。 两种芯片相比，同管脚的STM32芯片的价格比MP430F449低，并且性能也比MPS430F449好很多，功能强大得多。但是，我们选用的是段式液晶屏，若采用STM32的芯片，需要配置专门的驱动芯片，相比之下比较麻烦。另一方面，本设计对芯片的性能要求不高，用STM32系列的未免有些大材小用了。而且考虑到其能大幅度降低功耗，基于这三方面原因，我们最终采用了MSP430F449最小系统来完成本次设计。1.3 测相位电路 该部分是整个设计的核心，这个电路的精确程度决定了整个系统的精确度，采用何种方案显得尤为重要。 方案一：电压跟随器加D触发器。这种方案是先用LM311做一个电压跟随器，将正弦波转换成方波后，再接两个74HC74通过定时器测出相位差。这种方法无论是从硬件还是软件来说都是比较容易实现的。 方案二：波形分析法：原理很简单，就是让两个正弦信号输入AD口，软件分别检测两个正弦信号的峰峰值，然后用定时器求得峰峰值的时间差即可。但是真正要实现这种方案需要解决很多问题。首当其冲的是AD的采样速率，这直接关系到所得结果的精确度，同时两个正弦信号的风风值都是通过采样得到的，需要正确辨别并且确定何时开启定时器。这些因素都会影响其精度，另外软件的工作量也会很大。方案三：过零检测电路加D触发器。与方案一相比，两者的区别在于对正弦波的处理部分不同。过零检测电路在硬件设计方面比电压跟随器复杂，当然也就更容易产生误差，而硬件部分并不是我们的强项，方案一更可取。 基于上述分析，我们决定采用方案一。1.4 产生两路已知相位差的幅度频率都相同的正弦波该部分的设计是为了模拟交流电源供电下负载的电压跟电流，因为我们在调试的时候发现现有的信号发生器测相位，无法产生两路已知相位差的正弦波，因此只好设计一个电路来尽可能精确地实现这个目的。方案一：采用RC移相电路。该种方法的电路设计简单，只要用一个电阻跟一个电容串联在交流电源下，电容两端的输出电压就是移相后的信号。而该信号与原信号的相位差可通过公式= arctan(2*f*R*C)计算得到。但是这种方法有一个明显的缺点，由于电阻分压的作用，要改变相位差，电容与电阻的乘积必然要改变，这导致了电容两端的电压会发生改变，也就是说处理好的信号与原信号不是只有相位不同，幅度也会有较大的不同。方案二：在FPGA系统里建查找表实现的DDS模块，在相位字的基础上频率字自累加作为ROM表地址，查表输出数字到DA.相比之下，方案二比方案一的误差要小得多，更适合作为系统调试结果的参考，并且已经手头已经有做好的模块了。因此我们选择的是方案二。二、 理论分析与计算2.1 整流电路求电流、电压的有效值为求电流、电压的有效值，我们讨论决定先把交流经过整流电路整成直流再通过设置单片机内部的两路AD进行采样，这样所得到的电压分别是交流电压和交流电流的有效值。本设计采用的是最经典的精密全波整流电路。所谓精密全波整流电路是将运算放大器与二极管结合起来，这样可以消除二极管压降的影响。该电路的优点是可以直接在R5两端并联滤波电阻。电阻的匹配关系是R1=R2,R4=R5=2R3,具体原理图见图2.1-1精密全波整流电路（电流与电压的整流电路相同）图2.1-1精密全波整流电路2.2 测相位电路 在处理该部分时，我们分成两个模块：（1）整形电路（2）门控电路。即先把表示交流电流或交流电压的正弦波通过电压比较器LM311整形成方波，然后再选用D型触发器并通过软件控制来测相位。（1） 整形电路 LM311是常用的电压比较器，可以把它看做是一个放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能是比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”输入端电压