数字式工频有效值多用表.doc

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1、数字式工频有效值多用表摘要我们设计制作的数字式工频有效值多用表可同时对工频交流电的电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数、电压基波及总谐波的有效值等电量进行测量。该仪表以单片机最小系统为核心，实现了测量的控制、数据分析处理、显示和量程自动转换等功能。用Altera公司的CPLD7128和高速A/D芯片TLC5510组成双通道高速同步、均匀等间隔数据采集电路。特别是采用锁相倍频电路，保证频率变化时每周波均匀采样，提高了测量精度。我们设计并制作了移相电路，可用于调试时校正测量有功功率、无功功率和功率因数。本仪表主

2、要采用积分法和改进的DFT(FFT)算法进行各种电参量计算，在波形失真较小的情况下，测量结果表明用FFT算法计算出的各种电量值的精度更高，并且很容易实现电压基波和总谐波的有效值测量。该仪表还可以对已经测量出的电压基波和总谐波的有效值进行比值计算、显示而成为具有失真度测量的多功能数字仪表。关键字：电量测量FFT算法积分算法锁相倍频技术CPLD高速同步采集EDA一．方案论证1．设计要点（1）、作为数字化仪表，尽量做到高精度、智能化、自动化。（2）、设计时既充分考虑工频交流电特征，同时也能适用于一般非工频电参量测量。尽

3、量将传统数字化测量方法和现代数字化测量方法有机结合起来。（3）、在硬件设计时，尽量采用大规模新器件，如高密度可编程器件，在设计过程中使用现代EDA工具。2．系统构成一种传统的方案是完全由信号的整形变换处理电路和多种测量仪表组合而成，其中包括测电压、电流的表头、功率表头等等。这种方案不仅电路复杂，也不方便显示观察。另一种是包括具有运算功能的单元的系统，比如以单片机为核心的数据采集、变换、运算处理、显示为一体的系统电路，显然有软件算法的支持不仅电路简单，而且方便修改，也易数字显示，使得人机界面简洁、友好。我们采用的系

4、统原理框图如下：可控放大器A/D移相A/D8051单片机显示键盘整形锁相倍频控制电路VvViI/O接口可控放大器考虑到运算的需要，同时也是适应被测信号的频率变化，保持均匀等间隔采样，必须控制采样时钟，我们采用锁相倍频的办法实现。其中整形电路将被测信号变换为方波后，再经锁相倍频电路得到2N倍频信号，此信号作为A/D转换控制电路的时钟，用来将电压通道和电流通道采集的数据锁存并存入RAM，每路采集N点，然后由89C52的扩展I/O口8255的PB总线将数据读进89C52并作运算处理、显示等。二．测量算法的理论分析1．采

5、样点数和A/D位数的设计论证（工频信号周波内）（1）．采样点数N的选取根据奈奎斯特采样定理，在信号频率变化时若都能保证对信号周波内等间隔、均匀采样60点，这样采用FFT算法不仅能满足工频交流电测量的要求，而且也可以对普通信号的30次以下谐波进行分析。同时考虑到采样点数较少时，积分法进行运算的误差就难以达到系统的精度要求。所以选择N=60。（2）．A/D位数的选择依据由于信号经过A/D转换后会产生量化噪声，即经过A/D转换后的信号为原始信号加量化噪声，量化噪声幅度为原始信号幅度的倍（其中N为A/D位数）。因此在设计

6、电路时，要考虑A/D位数对系统精度的影响。基于60点FFT算法对A/D位数的影响进行分析（量化噪声迭加于振幅），结果列于下表中。表一：基于60点FFT算法分析相同信号(含1、2、3次谐波)条件下A/D位数对电量参数的影响表：有功功率无功功率视在功率功率因数最大误差(%)标准信号0.6293-0.11090.63900.9848000.008bit-A/D0.6310-0.10970.64020.9856051.089bit-A/D0.6307-0.11010.64030.9850730.7210bit-A/D0.

7、6297-0.11050.63940.9849260.3611bit-A/D0.6292-0.11070.63890.9848520.1812bit-A/D0.6289-0.11080.63860.9848150.09表二：基于积分法分析相同信号(含1、2、3次谐波)条件下A/D位数对电量参数的影响表：有功功率无功功率视在功率功率因数最大误差(%)标准信号0.6293-0.11090.63900.9848000.008bit-A/D0.6312-0.10960.64020.9856081.099bit-A/D0.

8、6309-0.11020.64040.9850740.7310bit-A/D0.6297-0.11050.63940.9849260.3611bit-A/D0.6292-0.11070.63890.9848520.1812bit-A/D0.6289-0.11080.63860.9848150.09由上面表格结果，经分析得出采用8bit-A/D即可满足精度要求。因此我们采用