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1、数字式工频有效值多用表（B题）作者：谢玉伸谭伊许永彬指导老师：陈松摘要本系统采用STM32F407作为系统控制器，通过采用数字电位器X9241组成移相网络，程控放大器PGA2310对输入信号幅度进行调整，最终通过高精度ADC芯片ADS1271采集后经STM32F407进行测频、FFT等算法进行处理后，计算出电压有效值，电流有效值，有功功率,无功功率,功率因数，谐波分析等值，结果分析，数据误差控制在1%以内，全部达到或超过题目要求。关键字：STM32、PGA2310、X9241、ADS12171。AbstractThesystemuse
2、sstm32f407asasystemcontroller,voltagebyphaseshiftingnetworkcomposedofdigitalpotentiometerX9241generatealsoacurrentsignal,thentwosignalsthroughprogram-controlledamplifierPGA2310ofsignalamplitudeadjustment,eventuallythroughhighprecisionADCchipads1271miningsetsignalafterpr
3、ocessingstm32f407,FFTalgorithmisusedtogetvoltageeffectivevalue,effectivevalueofcurrent,activepower,nopower,powerfactor,harmonicanalysis.Aftertesting,theindicatorshavereachedorexceededtherequirementsofthesubject.Keywords:STM32,PGA2310,X9241,ADS121711方案设计与论证1.1方案比较与选择1、电压
4、、电流信号放大部分方案一：采用PGA202+PGA203程控芯片。PGA202步进为10倍增益分别为：1、10、100、1000档。PGA203的增益分别为：1、2、4、8，二者串联使用可达到足够精度的增益。但二通道需4块高成本程控增益芯片，线路复杂，成本也不合算。方案二：采用PGA2310音量控制芯片。该芯片有独立双通道，每通道的增益在-91dB~31.5dB范围内0.5dB步进可调。两通道串联起来便完全满足所有信号在采集精度最高的范围内。本设计采用方案二。2、移相网络方案一：采用固定电阻+变容二极管。由于变容二极管一般小于1000
5、pF，因信号频率为47HZ~53HZ，这要求固定电阻较大，对信号衰减较严重，故舍弃。方案二：固定电容+数字电位器X9241。能够实现180度相移，但需做好防自激措施。1.2系统方案描述本系统采用STM32F407作为系统控制器，电压通过由数字电位器X9241组成的移相网络生成另外一路电流信号，然后两路信号通过程控放大器PGA2310对信号幅度进行调整，最终通过高精度ADC芯片ADS1271采集信号经STM32F407处理计算与显示。系统框图如图1所示。图1系统框图1理论分析与计算2.1、数据采集部分由于电压、电流信号有效值为0~5V，
6、最大峰峰值为14.14V，超过AD采集范围（0V~3.3V），所以在程控放大后面加上偏置电路以及限幅电路。保护AD不被击穿。2.2、数据处理部分（1）交流电压、电流有效值计算分析对交流工频信号的采集，一般是以其有效值进行计量，计算公式为;U=U2(t)dtT(1.1)其中T为信号周期,所以(1.2)由于在计算机采集系统中U（t）和f（t）都是些离散点的数值，故采用数值积分的方法，将函数分解为离散数值之和。理论上电压为正弦信号，但是当电压发生波动时，以三次谐波影响最大，因此可以认为电压波形为基波和三次谐波之和。（2）功率和功率因数的计算
7、在上一步中已经测出了电压、电流的有效值U、I，根据以下公式可以计算出视在功率、有功功率、无功功率、功率因数。视在功率:S=UI（2.1）有功功率：（2.2）无功功率：（2.3）功率因数：（2.4）3.3、移相模块1、全通滤波器：图20~180o超前移相图30~180o滞后移相由于图2电路的传递方程推导都比较麻烦，我们仅对图1进行了推导，并将推导的主要结果列出如下：f0=1/2πCR，tanφ/2=2πf0CR如果取R1=R2，则k=0.5，这样在角频率为1/(RC)时，图1和图2电路就分别为+90°移相和-90°移相。电路中调节滑动变
8、阻器R可以实现0°～180°移相。例如，f0=1kHz、CO=0.01μF时，根据f0=1/2πCR的关系可以得知RO=15.92kΩ，所以取R=20kΩ。图1是相位超前的电路，图2是相位滞后的电路。这两个电路的不同之处
