| 多用表利用單片機的控制、運算功能，根據離散積分公式及離散傅立葉變換，基於對電力系統參數進行交流採樣的思想，實現了同時對一路工頻交流電的頻率、電壓有效值、電流有效值的測量。用軟體計算分析出有功功率、無功功率、功率因數、電壓基波有效值、電壓總諧波有效值等參數，利用數字電位器，使系統具有自校準、自動量程轉換功能。系統充分發掘了單片機的運算能力，以軟體代替硬體電路，使硬體電路大大簡化。
2 系統結構
多用表的組成框圖如圖1所示。交流信號放大后，一方面由過零比較電路轉為方波信號，由單片機計數器測量出信號周期和測量出電壓、電流之間的相位差；同時電壓、電流信號經A/D採樣轉換後送入單片機。單片機系統在每個信號周期內分別採樣N個電壓、電流值，根據離散積分公式計算出電壓、電流的有效值以及有功功率、無功功率、功率因數，再根據離散傅立葉變換計算出電壓基波有效值、電壓總諧波有效值等參數。在測量過程中，單片機系統根據不同的信號有效值，自動改變數字電位器的參數,以改變信號放大倍數,使系統對信號採樣保持在最佳線性狀態，保證了測量的精度。
3 工作原理
3.1 電壓、電流有效值測量
電壓、電流有效值公式根據離散積分公式推導得出。
電壓有效值計算公式
（1）
式（1）中，N為每周期採樣次數，vm為第m次採樣的電壓瞬時值。
電流有效值計算公式
圖1 多用表組成框圖
（2）
式（2）中，N為每周期採樣次數，im為第m次採樣的電流瞬時值。
3.2 功率、功率因數的測量
若電壓超前或滯后電流時間為ΔT，電壓周期為T，則電壓、電流間的相位差為
φ=360°*ΔT/T
（3）
功率因數和功率分別為
λ=cosφ
（4）
有功功率Ｐ=VIλ
（5）
視在功率Ｓ=VI
（6）
無功功率
（7）
3.3 電壓基波、總諧波有效值的測量
根據原理分析及傅立葉變換公式，可以得到電壓基波有效值V1、總諧波有效值Vh分別為式(8)、式(9)。
（8）
（9）
4 單元電路設計
4.1 信號放大電路
電路如圖2所示，以數字電位器X9241作為運算放大器OP-07的反饋電阻，這樣可根據輸入信號的幅度大小，選擇不同的放大倍數，實現量程的自動轉換。晶元X9241具有四個非易失性數控電位器單元，每個單元有63個可以被滑動單元訪問的抽頭點，單片機可通過X9241的串列介面（SCL，SDA）改變任意一個電位器的輸出阻值。在本系統中，通過對不同信號幅度的判斷，來調整X9241的電阻值,使運算放大器的放大倍數改變,保證系統工作於最佳線性狀態,並實現了量程的自動轉換。
4.2 採樣/保持電路
電路如圖3所示，通過模擬開關MC14051選擇輸入信號，同時為了減小採樣的孔徑時間引
圖2 信號放大電路
圖3 採樣/保持電路
起的孔徑，在A/D轉換器之前加一採樣/保持電路LF398，該晶元具有採樣速率高，保持電壓下降慢和精度高等特點，電壓信號送至A/D轉換器AD574，其間以跟隨器隔離，這樣整個電路系統避免了採樣的孔徑時間以及器件間影響引起的誤差，保證了系統測量精度。
4.3 相角測量電路
相角測量電路由過零比較器、反相器及與非門組成，電路如圖4所示。電壓、電流信號通過比較器后形成方波,分別送至單片機
，
引腳，由單片機計數測出其波形寬度，即可計算出周期及相位差，從而實現測量交流電頻率和功率因數之目的。
5 軟體設計
6 結束語
該儀錶在測試過程中，利用低頻信號源輸出兩路0~5V的50Hz正弦波，用阻容移相網路將信號進行移相，作為被測交流電信號源，測試結果表明儀錶的穩定性好，精度可達4位半數字錶標準。
由於所研製的測量交流電參數的數字多用表它直接對交流信號波形進行採樣運算，因此其精度及響應速度比目前使用的電壓、電流及功率變送器高。工頻數字多用表採用快速付立葉運算對信號的基波及諧波信號進行分析計算，它不僅能測出基波值，也能測出諧波值，因此也可作為電源諧波分析儀錶使用。
參 考 文 獻
1 楊吉祥, 成松林. 微處理機實用30例. 南京: 江蘇科學出版社, 1987
2 何立民. 單片機應用技術選編. 北京: 北京航空航天大學出版社, 1997
圖4 相角測量電路
圖5 主程序框圖 |
