单相电源谐波测量检测作业

单相电源谐波测量单相电源谐波测量 一 应用需求一 应用需求 1 功能 1 能够选择查看某一谐波幅值 2 最高谐波次数为 20 次 3 被显示的谐波幅值用相对值表示 谐波幅值 基波幅值 2 指标 测量精度 0 1 二 测量原理及其算法二 测量原理及其算法 算法原理 算法原理 利用加窗插值 FFT 理论 加窗算法可以很好地解决由于采样频 率不是信号频率的整数倍而产生的频谱泄漏现象 从而改进计算信号 参数准确性 基本满足准确的谐波测量要求 一般电网信号主要含有 整数次谐波 所以在实际应用中选取基于余弦窗的组合窗 1 余弦窗函数 余弦窗的表达式为 n 0 1 N 1 1 式 k i i i i in N bnw 0 2 cos 1 中 k 为窗函数的项数 当 k 3 时 称为加 4 项 Blackman harris 窗插值 2 加窗插值算法原理 设被检测的电源信号可表示为 2 p i iii tfAtx 0 2cos 式中 分别 i 次谐波的频率 幅值和相位 p 为最高谐波 i f i A i 次数 以采样频率将式 2 离散化得序列 x n s f 3 p i iiis nAnTxnx 0 cos 其中 Ts 1 fs 为采样周期 Tsfi i 2 x n 的频谱 DTFT 为 4 2 2 0 i ji p i i jij ii e A e A eX 若有离散窗 w n 其频谱 可表示为 j eW 5 j eW jc eW 0 式中 为一实函数 C 为一实数 0 W 用长度为 N 的窗序列 w n 对 x n 加权截断 得离散加窗信号 nxw x n w n n 0 1 2 N 1 6 nxw 的频谱为 nxw 2 2 0 0 0 ii Cj ii eW A eW A eWeXeX i iCj i p i ijjj w 7 用 DFT 可求出的离散频谱 Xw k nxw Xw k k 0 1 2 N 1 8 j w eX k 其中 对应 N 2 Nff s 考虑采样不同步 即时间窗不为信号周期的整数倍 不妨 sw NTT 1 T 设 9 11 k T NTs 其中为接近的整数 为取整后的余数 一般 0 5 1 k T NTS 1 1 所以 对于第 i 次谐波 i 1 2 p 10 ii ssi kiik T iNT N Tif 11 1 1 2 2 由 10 容易得到 对于 i 1 2 p 11 i ii k 12 fk NT k T k T f ii s i s i s i i ii 2 2 2 由 7 8 11 具体对于第 i 次谐波 l 13 0 0 2 2 ll lllCj l l kCj ll l lw eW A ekW A lX 14 2 0 l l lw W A kX 15 lllw CkX arg 用插值法求 再用 DFT 求的 Xw kl 由式 l 12 14 15 16 fkf lll 17 2 0 llwl WkXA 18 llwl CkX arg 测量方法法 测量方法法 以单片机为核心 配以适当的硬件电路和软件的设计 实现对单 相谐波的测量 1 通过互感器将输入信号线性变换为 5v 5v 电压信号 2 由于传感器 放大电路本身的影响 造成在信号进入采样保持器 之前 所采信号中混有各种频率的信号 为保证谐波分析的精确 性 采用 MAX293 进行抗混叠滤波 滤去谐波中的高频成分 使输入 到模数转换器的信号为有限带宽 防止信号的频谱发生混叠及高 频干扰 3 将滤波后的信号输入到芯片 MAX125 进行 A D 转换 4 利用核心芯片 AT89C55WD 用 C 语言编程 对经 A D 转换后的信 号进行采集 采集的信号先存储到外接数据存储器 当达到所要 求的点数时 进行 FFT 算法 计算出电参数 将数据存入存储器 5 将计算的出的电参数进行显示 电流互感器 电压互感器 MAX293信号 预处理电路 MAX125 A D转换电 路 核心处理器 AT89C55WD 键盘 CM12864 液晶显示 外扩的数 据存储器 62256和 程序存储 器27C256 通讯接口 硬件电路原理图 三 三 硬件设计方案硬件设计方案 1 采集电流电路如图所示 次级并联一个滑动变阻器 可调节 输出电压大小 电流互感器采集电路 2 采集电压电路如下图所示 其中 R 是限流作用 无用电压多 大 可通过调节它来调节输入电流 副边电路是电压电流变化电路 反馈电阻 r 和 R 的的值可得到所需的电压输出 两个反并联二级管 起保护放大器的作用 电压互感器采集电路 3 信号预处理模块如下图所示 为保证谐波分析的精确性 用 输入时钟频率控制输出转角频率的方式来实现对信号的滤波 滤去 谐波中的高频成分 使输入到模数转换器的信号为有限带宽 防止 信号的频谱发生混叠及高频干扰 这里芯片的 CLK 采用外接一个 小电容的方式产生内部时钟信号 CLK OUT V IN OPOUT OPIN V CLK 1 1A 5 8 IA1 GND 27 3 4 5V 6 R1R2 C1 C2 MAX293 接线原理图 4 A D 转换模块如下图所示 A D 选用了 MAXIM 公司生产 的同步采样数据采集芯片 MAXl25 是一种高速多通道的数据采集芯 片 14 位字长 16MHz 外部时钟 每个通道的转换时间为 3us 参 考电压可选用器件内部提供的 2 5V 也可选用外部参考电压 片 上带有 4 个采样 保持电路 每个采样 保持电路可同时用于 2 路 输入 此处用输入通道 CHI 来实现 A D 转换 处于低电平有效 也处于低电平有效 数据在或上CSWRCSWR 升沿被读入器件内锁存 之后等待转换 的一个地脉冲到来 CONVST 则可进行一次数模转换 每进行一次 A D 转换 则检测一次信INT 号 若出现低电平 则转换结束 D13 9 D12 10 D11 11 D10 12 D9 13 D8 14 D7 15 D6 16 D4 20 D3 21 D5 19 D2 22 D1 23 D0 24 P17 26 ALE 25 P16 27 P15 28 P14 29 INT0 30 5 17 18 C10 0 1uf 2 3 V 32 4 I 34 1 6 35 33 7 5V 5V 5 31 36 8 C13 0 1uf C14 0 1uf C11 0 1uf C12 4 7uf CLK CS WR RD CONVST INT DVDD DGND CH3A CH1A CH2A CH4A CH3B CH1B CH2B CH4B REFIN REFOUT AGND AVDD AVSS AGND D0 A0 D2 A2 D3 A3 D1 A1 A D 转换电路 4 转换后的的信号输出到单片机进行分析 电路如下图 MAX125 器件的数字量输出位 D0 D7 分别接在 8051 P0 的 P0 0 P0 7 实现并行不接 而输出数字量端口 D8 D13 则与 8051 的 P1 口中的 P1 0 P1 5 相连接 CLK 接 8051 的 ALE 端 使用 8051 的 P2 口中的 P2 0 P2 4 对 MAX125 器件进行控制操作 A D 转换与单片机连接图 6 显示模块如下图所示 数据总线 D0 D7 与外部数据总线的低 8 位相连 显示模块 四 谐波分析软件流程图如下图所示四 谐波分析软件流程图如下图所示 MAX125初 始化