关于测试电源PF数值方案设计同实践设计

1、关于测试电源PF数值的方案设计同实践设计硬件：熊威 软件：彭灵设计指导：刘刚2014.10.10摘要 本次设计的功率测试仪是基于仿远方PF9800智能电量测试仪制作，基于ATMEGA12的单片机测量电流、电压、功率和功率因数的仪器。通过与电能计量芯片CS5460A之间的SPI通信，可读取显示电流有效值、电压有效值、功率有效值及功率因数等功能。 本设计电压采样电路经分压电路，电流采样电路采用霍尔电流传感器将电流信号转化为电压信号，然后将电压、电流采样信号进行程控放大后送入电能计量芯片。 模块简单，性价比高，移植性强。目录u第一章 绪论u第二章 系统总体方案设计u第三章 硬件系统设计u第四章 软件

2、系统设计u第五章 改进和后期跟进关于测试电源PF数值的方案设计同实践设计n第一章 绪论1.1 设计需求 随着公司部分项目产品生产过程中，某些客户要求测试电流、电压、功率和功率因数等电气参数。例如：EDIE ADVANCED 客户之前要求测试EDIE的动态电流、静态电流等参数，随着产品生产，又提出希望能增加显示测试电压、功率、功率因数等参数，因此考虑增加功率因数测试模块。 鉴于以往SCJ项目测试的一些经验，该测试仪要求能一板多台测试、可与PC通信显示、可在线仿真烧录，并且测试板价格要合理。所以设计时考虑做成模块化，具有成本较低，易维修，易普及和易移植等特点。1.2 系统功能和参数说明： 四窗口同

3、时显示:电压,电流,功率,功率因数/频率。 电压:75V/150V/300V/600V 电流:0.5A/2A/8A/20A 功率因数:-1.0001.000 基频:45Hz65Hz 自动量程切换： 量程增大：测量值超过110%额定量程 量程减小：测量值低于20%额定量程 精度:(0.4%读数+0.1%量程+1个字) 配有标准的RS-232接口，便于仪器与外界设备（PC）联接。可在线仿真烧录程序。 可用于交流信号的测量,还可以用于直流信号以及交直流信号的测量,同时还可扩展到具备电流、功率的上下限设定及超限声光报警功能 校准和设计过程中使用的仪器： 交流功率源：EXTECH 6700 SERIES

4、 PROGRAMMABLE AC POWER SOURCE 示波器：Tektronix TDS2014B 电压表：Fluke 15B Digital Multmeter关于测试电源PF数值的方案设计同实践设计n第二章 系统总体方案设计2.1 系统结构框图2.2 原理框图 仪器主要由输入（电压输入和电流输入电路）、微型计算机、显示和接口部分组成 在电压输入电路中，输入电压经分压器后进行程控放大，再送入A/D转换器 在电流输入电路中，取样电流传感器将电流信号转换为电压信号进行程控放大后，再送入A/D转换器 电压和电流输入信号经A/D变换后送入微型计算机，进行数据处理。自动量程切换、数据运算、显示及

5、输出控制也都是由微型计算机完成2.3 理论公式说明 功率因子表征着电路输出有功功率的能力。功率是能量的传输率的度量，在直流电路中它是电压V和电流A的乘积。在交流系统里则要复杂些：即有部分交流电流在负载里循环不传输电能，它称为电抗电流或谐波电流，它使视在功率大于实际功率。视在功率和实际功率的不等引出了功率因数，功率因数等于实际功率与视在功率的比值。所以交流系统里实际功率等于视在功率乘以功率因数。 即：功率因数=实际功率/视在功率。 功率因数的取值范围为-1到+1区间，大小与电路的负载性质有关，负载通常分为三种：阻性、感性、容性。纯阻性的负载功率因数为1，如白炽灯、电热丝等电阻负载的功率因数为1。

6、感性负载通常指电磁设备，如交流电机、变压器、电感器等、容性负载是指电容负载，电感或电容性负载的电路功率因数都小于1 定义：电压真有效值（URMS）、电压瞬时值（Ui）、电流真有效值（IRMS）、电流瞬时值（Ii）、有功（平均）功率（P）和功率因数（PF）、视在功率(PA) 视在功率2=有功功率2 + 无功功率2 视在功率(PA) = URMS * IRMS 功率因数=有功功率/视在功率2.4 总体方案介绍 本测试仪基于ATMEGA128为核心MCU，通过电流和电压采样电路分别采样，以及运算放大电路和HCF4053自动量程电路进行信号的缩放，通过电能计量芯片CS5460A读取电流和电压采样A/D

7、，然后MCU通过SPI通信，读取瞬时电流、瞬时电压、有效电流、有效电压和有功功率等参数，并通过MCU进行数据运算得出功率因数，通过LCD1602显示电流有效值、电压有效值、有功功率及功率因数等参数。 可通过按键切换实现CS5460A的系统偏置校准和系统增益校准（可校准直流电压、交流电压、直流电流和交流电流）等不同的校准功能，并可实现上下限设定、报警等功能。关于测试电源PF数值的方案设计同实践设计n第三章 硬件系统设计采样电路和自动量程切换电路电源电路、单片机外围电路、电能计量电路实物图片3.1 各电路模块说明 电源模块： 测试板由DC +12V火牛供电，以LM2676为+5V降压稳压IC，最大

8、可输出3A电流，以LT1931将+5V电源转换为-5V负压源，最大可输出300mA电流。 RS-232模块： 采用隔离IC ADM3251E作为RS-232通信，与传统MAX232比较，该IC价格较贵，但是可大大减少在生产测试过程中MAX23芯片在高、低压或者PC或产线公共地接地错误等问题造成的测试板MAX232烧毁问题。 显示模块 将原来的4个7位数码管显示改为LCD-1602A显示，大大减小模块面积，降低模块成本。 采样模块： 电压采样经分压器（400:1）后进行程控放大。 电流采样利用霍尔传感器（2000:1）后进行程控放大 采样输入端需要加入二极管箝位电压保护电路 程控放大模块： 利用

9、OP07、NE5532和LF353运算放大器做跟随、放大、缩小等 利用HCF4053作为程控IC，根据MCU获得的A/D大小自动判断切换放大比例做到自动量程切换 电能计量模块： 使用电能计量IC CS5460A，减少A/D芯片和真有效值芯片的只用，减少生产成本和设计复杂度 可以从串行EEPROM X5045智能“自引导”存储 可通过系统偏置和增益校准提高采样精度 单片机系统模块： 之前因考虑功能扩展等问题，选择引脚较多的ATM128，实际生产测试板可选择更加便宜的AT89C52等MCU 预留部分I/O口，可扩展功能，以防客户增加测试功能 可增加LED指示电路，显示屏幕刷新和采样间隔指示3.2

10、Layout中需要注意的问题和要点 1.电流与电压采样模块部分因为有高、低电压和大、小电流，所以在Layout时一定要合理布局布线，注意可能出现高、低压和大、小电流部位的元器件和走线间隔，以避免安全问题。 2.因为测试的信号范围大，有些时候会有极低的信号。所以在信号的经过运放缩放部位，信号走线尽量短以避免干扰影响精度。 3.布局时要充分考虑以后在生产过程中的一些问题，考虑到生产效率问题，往往一块测试板可能需要测试6到10台产品，所以布局要尽量紧凑，减小整个拼板的面积，方面生产时测试板的摆放和调试等问题。考虑到维修问题，布局要注意元件位置，并尽量模块化，并避免出现一个模块损坏影响整块测试板的测试

11、等情况。 4.铺铜过程中设置好栅格间距等，避免孤立铜以及部分元件与铺铜间距。关于测试电源PF数值的方案设计同实践设计n第四章 软件系统的设计4.1 软件系统需求 1.显示程序：四窗口同时显示:电压,电流,功率,功率因数/频率 2.按键校准等程序：可切换实现CS5406A的系统偏置校准和系统增益校准（可校准直流电压、交流电压、直流电流和交流电流）等不同的校准功能，并可实现上下限设定、报警等功能。 3.与PC通信模块程序：将MCU获取与运算后的最终信息传递显示到PC上显示。4.2 软件调试中的问题 1.经过系统偏置校准和系统增益校准后，测量结果与实际结果值仍有偏差，且偏差不成线性关系，解决方案：采

12、用分段做软件补偿校准，提高测试精度。 2.计算测量结果时，浮点运算很占CPU资源，导致按键扫描有时INT，解决方案：采用分时采样计算，分时显示结果。 3.系统偏置校准和系统增益校准中直流电压、交流电压、直流电流和交流电流校准问题。关于测试电源PF数值的方案设计同实践设计n第五章 改进和后期跟进 需要改进的地方： 彻底删除板上7段数码管显示模块，减小模块面积 调整LCD和蜂鸣器的布局位置，使其更合理 实际测试板可将ATM128更改为更便宜的ATM89C52等MCU 需要注意和增加的地方 当测量大电流或是电压或电流包含高频成分，接线时应特别注意可能会相互产生干扰和噪音问题 导接线应尽可能短 测量电

13、流时尽可能使用粗导线 为减少对地的分布电容，导线及接地线应尽可能远离一起外壳 ATM128的复位信号与X5045的复位信号电平相反，所以如果使用ATM128时可选择X5043作为EEPROM芯片，否则需要增加电平转换电路 设计体会： 增加对于常用采用电路设计方案的了解，知道了很多对于交直流信号采用电路方案，以及在采样过程中需要规避和注意的知识，加深了对于高、低电压电路布局和Layout的知识 加深了对于基本运算放大器组成的各种应用电路的理解，对于运算放大器做跟随、同相放大电路、反相放大电路等应用的作用和原理有了更好的理解 对于制作生产自动测试机架的考虑，有了一个很好的总结。在以后的测试板制作过程中，一定要充分考虑易于移植、易于维修和测试数据更稳定等问题 后期根据本次单板的设计制作会考虑如果满足EDIE等其他MODE一次测试6到10台负载的大测试板 电子技术的发展日新月异，一些新型电子器件和集成芯片功能越来越强、精度越来越高，很多