摘要：工頻表采用具有集成度高,、數(shù)字處理速度快、功能強(qiáng),、低功耗等優(yōu)點(diǎn)的凌陽(yáng)16位單片機(jī)以數(shù)字形式對(duì)電壓有效值,、電流有效值、相位角進(jìn)行顯示,。設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊。數(shù)據(jù)信號(hào)采集用CMOS系列產(chǎn)品CC4051和運(yùn)算放大器LM348,，對(duì)大,、小信號(hào)分別進(jìn)行放大處理，采用74LS00和LM324產(chǎn)生相位角,；數(shù)據(jù)處理以凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061為核心,，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行精確控制和嚴(yán)格計(jì)算；顯示部分由CC4056驅(qū)動(dòng)和74LS138移位選擇與數(shù)碼管構(gòu)成,。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集,；數(shù)據(jù)處理；顯示模塊
1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
凌陽(yáng)16位單片機(jī)集成度高,、體積小,、可靠性好，內(nèi)部含有10位A／D轉(zhuǎn)換器,，簡(jiǎn)化了電路,，16位的性能有較高的數(shù)字信號(hào)處理速度，提高了精度,。凌陽(yáng)16位單片機(jī)是基于SOC的新型的數(shù)／?；旌系南到y(tǒng)級(jí)芯片。在一個(gè)芯片內(nèi)集成了單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件,。另外,，凌陽(yáng)單片機(jī)還增加了適合于DSP的某些特殊指令；有些系列的單片機(jī)還嵌入了LCD控制／驅(qū)動(dòng)和雙音多頻發(fā)生器功能,。這些都進(jìn)一步擴(kuò)大了單片機(jī)的應(yīng)用范圍,。
2 峰-峰值保持?jǐn)?shù)據(jù)采集電路
2．1 電流、電壓信號(hào)的放大電路
考慮到要滿足對(duì)大小信號(hào)的處理,，采用CC4051來(lái)選擇,，對(duì)電壓、電流信號(hào)的放大，通過(guò)單片機(jī)對(duì)CC4051進(jìn)行控制,，使放大倍數(shù)可以為1／2,、X10兩種不同的值。如圖2所示,。這樣能滿足對(duì)大小不同信號(hào)的放大要求,，硬件電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn),。
2．2 數(shù)據(jù)保持部分
對(duì)電壓,、電流信號(hào)進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，可用由集成運(yùn)算放大器LM348組成的峰-峰值信號(hào)保持電路(如圖3所示),，被測(cè)信號(hào)從IN腳輸入,，OUT腳是對(duì)電壓、電流進(jìn)行峰值保持功能,，用凌陽(yáng)單片機(jī)的一個(gè)I／O接口就可以對(duì)保持器進(jìn)行控制,。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，用單片機(jī)同時(shí)鎖定被測(cè)電壓和電流信號(hào)的峰-峰值信號(hào)后,，即可以分別測(cè)量電壓和電流量,，且不需要考慮時(shí)差問(wèn)題。采用這種方案可減小系統(tǒng)帶來(lái)的誤差,。
3 單片機(jī)系統(tǒng)相位角處理模塊
相位角測(cè)量方法為先對(duì)電流信號(hào)和電壓信號(hào)分別測(cè)量,。測(cè)量時(shí)，單片機(jī)先對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，而此時(shí)電流信號(hào)被送到保持器進(jìn)行保持,，等待電壓信號(hào)處理完畢。電壓與電流相位差φ及功率因數(shù)cosφ的測(cè)量,。電路得到的各點(diǎn)波形如圖4所示,。其中Uv為正弦交流電壓,，Ui為同一相正弦電流變換而成的電壓波,。
由于同一相內(nèi)Uv和Ui之間有超前滯后兩種情況，且相位差均小于90°時(shí),，相功率P=0屬極少情況,，故圖4分析了Ui滯后Uv的情況，對(duì)于Ui超前Uv,，分析結(jié)論亦相同,。由波形圖可見，U-I的相位差φ所允許時(shí)間Tφ=10ms-T,。
因此只要測(cè)出T的時(shí)間,，求出Tφ，再按上式計(jì)算出φ，cosφ亦可隨之求出,。SPCE061A內(nèi)部的十六位定時(shí)器在49．152MHz的晶振時(shí)每1μs加1,，故可以用來(lái)測(cè)定T的時(shí)間。若定時(shí)器1LSB角度φ’,，則φ’／0．02=180°／10ms,，即φ’=1．44°。所以只要求出Tφ=1388H-T(T定時(shí)器讀出的計(jì)數(shù)值),，再乘以1．44°即為φ的實(shí)際相位角,。
4 電路調(diào)試方法和過(guò)程
采用先分別調(diào)試各單元模塊，調(diào)通后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試的方法,，提高調(diào)試效率,。
4．1 數(shù)據(jù)采集、放大模塊調(diào)試
利用P3．4和P3．5控制模擬開關(guān)CC4051,，使輸入信號(hào)與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出相聯(lián),，通過(guò)改變P3．4和P3．5管腳的電平來(lái)改變放大倍數(shù)，用萬(wàn)用表測(cè)試輸入輸出電壓,，再調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出,，用萬(wàn)用表測(cè)試輸入輸出電壓是否正確；數(shù)據(jù)保持器則用單片機(jī)P1．4來(lái)控制,，并用示波器觀察波形,。調(diào)試結(jié)果顯示，模塊可以正常工作,。
4．2 數(shù)據(jù)信號(hào)頻率相位角模塊調(diào)試
將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出與相位角處理模塊輸入相聯(lián)接,，調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，用示波器觀察該模塊的輸出波形,，并與單片機(jī)P3．3口相連接,。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，相位角模塊電路能正常工作,。
4．3 A／D轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試
由于凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061內(nèi)部有2個(gè)10位的A／D轉(zhuǎn)換器,，因此不用接外部A／D轉(zhuǎn)換電路，只需要編寫程序?qū)ζ溥M(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試即可正常工作,。
當(dāng)每個(gè)獨(dú)立模塊能正常工作了,，再把各模塊線路連接好進(jìn)行系統(tǒng)程序調(diào)試，被測(cè)的兩路輸入信號(hào)電壓,、電流波型可先采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行模擬,，接上凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061仿真器進(jìn)行調(diào)試程序，對(duì)數(shù)據(jù)采集,、放大模塊的各輸入,、輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算,，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)頻率相位角模塊的相位角進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)程序調(diào)試成功后,，再把程序下載到凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061中進(jìn)行整機(jī)調(diào)試,。最后把調(diào)試結(jié)果顯示出來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)能正常工作,。
5 誤差分析及改善措施
(1)采用SPCE061A的10位A／D轉(zhuǎn)換器測(cè)量零電壓時(shí),，顯示在0．0048828125～0．009765625v之間跳動(dòng)，原因是SPCE061A的10位A／D轉(zhuǎn)換時(shí),，有1～2個(gè)步長(zhǎng)的誤差,，即4．8828125～9．765625mV之間。由于誤差恒定,，采用軟件對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償,。
(2)由于電路信號(hào)處理部分的元器件以及模擬開關(guān)CC4051上有一定的壓降(約20mV)，雖經(jīng)軟件,、硬件修正,，在小幅值的情況下仍會(huì)有一定誤差。
(3)整個(gè)系統(tǒng)板由手工焊接完成,，布線無(wú)法避免線路之間以及外界的電磁干擾,，從而會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。
(4)功率的測(cè)量由電壓,、電流的測(cè)量值間接得到,，由于誤差的累計(jì)效應(yīng)也會(huì)使有用功率、無(wú)用功率測(cè)量值與理論值存在差異,。
6 結(jié)束語(yǔ)
數(shù)字式工頻有效值多用表以數(shù)字方式對(duì)電壓有效值,、電流有效值、功率角進(jìn)行顯示,，功率的測(cè)量由間接得到,。本系統(tǒng)以SPCE061為核心部件，利用軟件編程,，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓值,、交流電流值、功率角的測(cè)量,。盡量做到線路簡(jiǎn)單,，減小電磁干擾，充分利用軟件編程,，彌補(bǔ)元器件的精度不足。
數(shù)字式工頻有效值多用表以數(shù)字的方式對(duì)電壓有效值,、電流有效值,、功率角進(jìn)行顯示,，從而可以得到有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù),，方便實(shí)用,。在設(shè)計(jì)中采用凌陽(yáng)單片機(jī)具有速度快、價(jià)格低,、可靠性高,、體積小、實(shí)用,、功耗低等特點(diǎn),。