四川省电子设计大赛交流电网测量分析仪报告Word文档下载推荐.docx
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同时根据电路设计情况，我们取用±
12V供电。
如电路图如下所示：
2.2.2.直流偏置电路：
由于单片机内的ADC只能采集直流信号，且其输入范围为0~2.5V,所以必须要加一个直流偏置电路将电压整体调高到ADC的输入范围。
根据设计要求，我们采用TI公司的可编程增益差动放大器INA145，其具有差分输入,片内集成
高精度电阻,很高的共模输入。
在电路设计中，我们取用INA145的A1组成的调高电路,取得了很好的效果,不但可以消除来自上一级放大电路的噪声,使波形的失真度低，而由A2组成的电压跟随电路,使其具有很低的输出阻抗。
而且由于INA145内部集成电阻和采用贴片封装,使得电路简单和减小占用PCB板的面积.电路图如下所示：
2.2.3低通滤波器电路：
在经过信号调整电路后，信号仍会存在被干扰的可能，使信号叠加上了高频噪声，为了最低限度地保持原信号的性质，必须在单片机取样前，使用低通滤波器滤掉高频噪声。
本电路由Max275组成的2阶截止频率为3.1KHz的Butterworth滤波器，其幅频响应在通带中具有最平幅度特性。
电路图如下所示：
2.2.4周期测试电路:
在电路中，输入前端是用放大器OPA2132构成的电压跟随器，其可以提高输入阻抗。
然后输出的信号经过零比较器LM393输出，由于比较器输出端上拉电阻的作用，输出TTL电平,再经过由NE555组成的施密特触发器整形。
电路输出信号直接与单片机连接，从而构成十分理想的周期测量器。
该电路具有结构简单、精确度高及抗干扰能力强等优点。
考虑用硬件电路实现对电压、电流信号相位的测试，这样可以简化编程，但是要两路信号经过检波后，要得到完全相同的占空比和幅度，难度非常大，对电子元气件的要求非常高，而且电路的偏移不定使得即使调整好原器件的数值，经过一段时间后又会改变，所以我们最后不得不舍弃这种方案。
而取用软件实现，通过FFT得到频域测量数据，然后由这些数据计算分析得到相位差。
2.2.5电量隔离传感器和电源
当输入电压为峰峰值小于10V任意波形时，采用直接输入。
当输入为工频电压10V~250V和电流0~5A的交流信号或者电网电压时，采用电量隔离传感器对电压电流信号进行转换。
电量隔离传感器的优点是电路简单，且不需要单独的电源过载能力强，寿命长。
缺点是其只能测量正弦交流。
本设计采用西南自动化研究所研究的WBCPT41E9010.1级电量隔离传感器做电气隔离和电量变换。
此传感器线性度好，精度高。
其主要技术参数如下：
●输入电压:
250V
●输入电流:
10A
●输出电压:
3.5V
●线性误差：
0.06%
●频率响应：
40~60Hz
●工频相差：
5'
电源部分
（1）．UPS电源
本设计主要采用220V交流供电，并设有UPS电源电路和备用电池，以便在没有220V交流电源时使用，以及在220V电源突然断开时实现UPS不间断供电，保护测量数据，为使用者提供方便。
主电源电路原理如图1所示：
主电源电路图
220V交流电经变压器，再经整流后得到大约11V的直流，然后通过D1、集成稳压管7805然后滤波得到+5V的电源。
BT1为UPS断电保护备用电池，此电源为12V可充电电池，当用220V交流供电时，三极管TIP122截止，电池不为7805供电，此时电池只为运放供电，静态电流约为10mA左右，当未接220V交流电时，运放U3B的负端电压小于正端电压，运放输出高电压，此时TIP122导通，电池为7805供电。
当电池电量过低是，运放U3B输出高电压，LED1点亮，提醒用户电量过低需要充电。
（2）．负5V和正负12V电源
由于本设计中的部分元器件都需要负5V和正负12V电源。
本设计采用MAX768来产生-5V电压，此电源芯片带负载的能力比较强，输出电流可达到100mA。
其应用连接图如右图。
正负12V电源用HUAPU的SR5D12/05，其特点是体积小，可靠性高，性价比高，输出稳压，精度可达±
3%，全六面金属屏蔽。
（3）．3.3V电源
单片机MSP430F1611、SE555和LM393都是3.3V系统，所以需要设计3.3V电源。
本设计采用1117芯片来产生3.3V电源，
2方案论证与比较
2.1电压电流输入预处理方案的比较与选择
电压电流输入预处理方案：
当输入为峰峰值小于10V的任意波形的电压时，采用直接输入。
当输入为工频电压10V~250V和电流0~5A的交流信号或者电网电压时，先对电压和电流信号作适当的转换。
高压到低压及电流的转换方案有：
直接用电位器分压测电流、线性光藕隔离电路或电量互感器。
a.第一种方案的优点是电路简单，但精度极低，而且没有高低压隔离，高压电路的噪音极易耦合到测量电路；
b.线性光耦隔离电路的频率响应较响宽，抗电磁干扰能力强，电磁隔离，但此方案的致命缺点是电路复杂，而且需要单独的隔离电源，而且，在测量高电压和大电流时采样和分压电阻会引入较大误差；
c.电量隔离传感器的优点是电路简单，且不需要单独的电源，过载能力强，线性度好，寿命长。
缺点是只能测量正弦交流。
综上所述，考虑到成本和精度，本设计采用电量隔离变换器。
2.2信号调整电路的方案论证
信号调整电路由可编程增益放大电路、直流偏置电路和低通滤波电路组成。
方案一：
可编程放大电路取用运算放大器和数字电位器组成，直流偏置电路采用由普通运放和电阻组成的加法器实现,低通滤波电路由运算放大器、电阻和电容构成。
方案二：
可编程放大电路取用TI公司的低噪声可编程增益放大器THS7002，直流偏置电路采用TI公司的可编程增益差动放大器INA145来实现。
由本设计要求在信号进入单片机前，信号本身的失真度影响应该降到最低。
a.方案一，由运算放大器和数字电位器组成的可编程放大电路，受到运算放大器带宽、数字电位器抽头允许通过的电流以及其内部的充电汞引起的高频噪声影响，其实现效果不符合我们的设计要求，而方案二中，我们取用TI公司的可编程增益放大器THS7002，此器件具有非常宽的供电范围为±
16V和非常低的噪声电平1.7nV/√Hz的特点非常优异，完全满足我们电路的设计要求。
b.方案一中，直流偏置电路由普通运放和电阻组成的加法器实现，该电路引入噪声比较大,对信号的失真度有很大的影响，不符合电路设计的要求。
而方案二中，
采用TI公司的可编程增益差动放大器INA145来实现，不但可以消除来自上一级放大电路的噪声,使波形的失真度极低。
鉴于以上分析，我们取用方案二来实现信号调整。
2.3测量方案的比较与选择
测量方案主要有两个：
一是基于离散化采样点的后向积分求测量值、另一种是基于FFT算法的谱分析运算。
根据我们实际测量的结果，发现后向积分的准确度和精度低于谱分析算法，而且我们谐波分析的功能实现也是基于FFT算法，因此我们决定采用谱分析来作为确定测量数据的方法。
2.4软件设计方案的方案论证
软件设计方案的抉择主要在于是否使用操作系统，经过权衡，虽然引入操作系统会对进程调度和系统稳定性有要大的好处，但这样做一方面会引入性能损耗、另一方面会增大设计的复杂度。
最终我们没有使用操作系统，使用传统前后台架构，但引入操作系统进程调度中的一些概念，详见软件设计部份。
3 软件设计
3.1软件框架设计
3.1.1后台程序设计
为尽量维持系统的实时性以及最大化CPU的效率使用，系统采用前后台结构设计以避免CPU软延时带来的性能空耗。
后头设计过程中引进操作系统中“任务”的概念，通过声明一个Task枚举为每一个任务编号，并使用一个enumTask型的数组mainTask存储任务的LIFO序列。
后台程序为一个循环，顺序从mainTask数组中将任务依次弹出并调用相应函数执行，当mainTask为空时默认将CPU转入低功耗状态，mainTask数组的数据压入则由前台中断程序进行。
Fig4.2前台程序入口及功能表
3.1.2前台程序设计
中断向量
向量别名
功能
0xFFEA
TIMERA1_VECTOR
周期、相位差测量及ADC触发信号的生成
0xFFE2
PORT2_VECTOR
触摸屏的用户输入指令判断和响应
0xFFEE
ADC_VECTOR
将ADC转换完成的数据导入数组
0xFFFA
TIMERB0_VECTOR
根据用户需求向DAC更新自校验信号波表
由于前台程序不涉及过于复杂的函数调用和优先级判断，这里省去了消息及对应响应（MESSAGE）的设计，直接按状态转换表由相应的中断做简单判断将任务压入数组。
枚举ID
任务名称
0x00
IDLE
CPU空闲（空）
默认转入低功耗模式
0x01
DATAPROCESS
数据离散化处理
0x02
REFRESHDATA
数据显示刷新
0x03
GAINADJUST
增益判断及调整
0x04
USERRESPONSE
用户输入的响应
3.1.3任务设计
Fig4.2任务枚举声明表
所有涉及的任务在Task枚举中集中体现，依序表示为：
初始化状态下mainTask数组全为0，即空（IDLE）状态。
如后台设计中所述，任务间的衔接由前台中断控制，理想情况下的任务衔接如图所示，我们用这样的方式分离IO操作和CPU运算操作，实现CPU和IO的同步工作，提高CPU的时间片使用率。
在本系统中，TIMERA中断前台为任务衔接的核心。
3.2信号处理程序设计
3.2.1信号量程自适应
MSP430单片机电源为3.3V供电，因此为保障单片机正常工作，我们ADC参考源采用片内2.5V基准，这限制了在单片机ADC信号源端收到的信号幅值必须控制在0~2.5V范围，为解决这一问题，我们采用了TI公司的可编程运放THS7002（对该PGA芯片的介绍详见硬件部份），并在ADC输入端加过压保护。
量程的自动适配与采样互为反馈，即每次采样完成会对各信号幅值采样点做逐点比较，发现满量程点会反馈增益弱化信号到PGA上，并再重复采样分析动作直到量程合适（无满量程点和0点），向后台任务堆压入DataProcess。
3.2.2离散化点采样（时域测量）及频率测量
首先作为仪表的一个功能，频率测量的精度是对该仪器性能考量的重要指标。
更重要的是，为避免DFT傅立叶算法中频率混迭影响，采样过程中的等间隔就尤为重要。
经实测，当频率测量漂移0.1%，频谱分析（不加窗）及失真度分析结果误差就会增大1%以上，并且误差随频率测量结果漂移呈正比上升。
为保证频率的准确测量，我们采用多周期同步测量法：
以8MHZ晶振的四分频（2MHZ）作为参考信号、555定时器整形输出的交流过0方波作为被测信号，通过片内计数器测量信号频率。
基于上面已经叙述的原因，为保证信号频率测量尽可能的精准，我们还采用平均测量法，即连续测量10次取平均值来消除随机分布的粗大误差。
在准确测量频率的基础上，同样，我们以2MHZ方波作为参考源，对测得的信号频率再作256分频，并以分频信号作为片内ADC的准同步采样触发信号精确的在一个周期内对两路信号各信号采样128个点。
这样处理会有一个缺点，即由于是准同步采样，两路信号的采样值间会有一个值为
的相位差，好在它是一个常数，我们可以在最后相位差的处理时将它软件修正。
3.2.3快速傅立叶变换（频域测量）及时域窗函数
实际应用中，由于单片机工作频率有限，应用蝶形运算对DFT的运算进行减化得到FFT快速傅立叶算法，由于蝶形运算在2n运算时有最高效率，我们在权衡精度与速度后决定采用128点，即7次蝶形运算。
在不加窗的情况下可以做到63次谐波分析。
由于不可避免的微弱频率测量误差仍会对傅立叶变换结果产生相当的影响，我们在傅立叶变换前会对被测信号做时域窗函数处理（实质是一个FIR滤波），抑制信号的频谱泄漏，经过比较，我们在众多的窗函数中选出汉宁窗和哈明窗两种效果比较好的窗作为可选窗函数，用户可以通过触摸屏选择不加窗，但这样会削弱谱频分析的精准度。
仪器默认选择加时域哈明窗函数，在加窗的情况下，仪器可以分析到最高31次谐波。
4.系统校正
在硬件电路和软件程序编程基本完成后，我们发现电压、电流两通道测出的有效值与理论值相关较大。
经过思考和研究，我们发现误差主要来源于：
1、可编程放大器，其增益倍数并不完全等于其标称值，在器件资料上我们其在室温下最大误差为±
5.5%。
2、虽然我们取用的Butterworth滤波器，其幅频响在通带中具有最平幅度特性，但仍不可避免在通带入纹波，引起误差。
3，电量隔离传感器其输入电压和经过电流与转换出来的电压的比例系数跟其标称值并完全一致。
所以我们必须对系统进行校正，降低误差，以满足各项指标。
首先，我们分别对小信号模式的CH1、CH2两个通道的有效值，然后再校正大信号模式的电压、电流有效值。
我们对小信号模式下的电压校正方法是：
利用DF1440数字合成信号发生器产生标准正弦波作为输入信号，用FLUKE数字式万用表作为校正仪表。
然后每100mV地递增，每次分别记录FLUKE数字式万用表的测量值和我们仪表的测量值，再软件Excel进行参数分析和处理，得到理合度非常高的校正方程，再通过软件修正。
事实证明，通过校正我们分析仪的精度得到了提高，满足了各项指标。
（校正数据记录表以及Excel软件相关文件，请见附件）
5.系统测试
5.1测试设备：
（测试条件:
220V市电,室温18
C。
）
GH4181型数字相位计一台
DF4120失真度测量仪一台
GCDT2-2调压器一个
BX4-滑线式变阻器一个
KTDG-4可调电感箱一个
KTDR-1可调电容箱一个
FLUKE数字式万用表一个
LH1060手持式单相功率仪一台
DF1945四位半数字万用表一台
DF1440数字合成信号发生器一台
5.2测试结果及分析
5.2.1小信号模式（±
10V）
参考仪表：
DF1440数字合成信号发生器、台式数字多用表DF1945
参考仪表值/V
CH1电流有效值/V
0次谐波值
2次谐波值
6次谐波值
CH2电压有效值/V
4次谐波值
0.3658
0.36633
1.23110
0.43558
0.00034
0.36568
1.23138
0.43717
0.00047
0.7310
0.73290
1.23536
043607
0.00041
0.73255
1.23727
0.43633
1.0521
105344
1.23650
0.62734
0.00051
1.05240
1.05324
0.46523
0.00054
1.4037
1.40465
1.23540
0.83747
0.00020
1.40401
1.23495
0.83931
0.00048
2.141
2.13951
1.23839
0.64847
0.00045
2.14110
1.23849
0.64739
0.00065
2.850
2.85811
1.24036
0.44578
0.00031
2.85094
1.24073
0.44530
0.00027
3.559
3.56415
1.24178
0.55787
0.00042
3.56648
1.24065
0.55686
0.00077
4.271
4.28415
1.24182
0.66902
4.27734
1.24084
0.66906
0.00071
4.981
4.88439
1.24175
0.77865
0.00093
4.98211
1.24113
0.77885
5.703
5.69715
1.244241
045061
0.00018
5.69712
1.24110
0.45949
0.00033
6.416
6.40960
1.24063
0.50734
0.00109
0.52949
7.115
7.12866
0.56471
0.00137
7.11988
1.24155
0.56456
0.00114
CH1有效值平均误差：
0.3216%
CH2有效值平均误差：
0.3054%
5.2.2大信号模式测试（电压范围：
0~5A）。
.参考仪表：
电压参考仪表为FLUKE，电流参考仪表为LH1060）
（阻性负载时）
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
8
交流电压
25.30
49.9
74.6
97.7
119.9
144.2
191.8
214.6
实测值/V
25.0037
49.9991
74.6420
97.8350
119.846
114.219
191.833
215.384
交流电流Vi
参考仪表值/A
0.495
1.015
1.535
2.05
2.52
3.05
4.095
5.00
实测值/A
0.48797
1.01011
1.53950
2.04900
2.52271
3.05995
4.10376
4.99893
功率
参考仪表值/W
11.5
50.5
115
200
304
444
787
1075
实测值/W
12.0998
50.477
115.325
199.746
302.890
443.25
785.770
1072.4
功率因数
理论值
实测值
0.99901
0.99908
0.99925
0.99933
0.99949
0.99948
0.99959
0.99953
由上表可知：
阻性负载时，
交流电压有效值平均误差：
0.379%
交流电流有效值平均误差：
0.5188%
功率平均误差：
0.7824%
功率因数平均误差：
0.0655%
（容性负载时）
80.55
131.7
203.7
80.5814
81.0
203.402
0.60
0.98
1.54
0.56185
0.94544
1.50183
16.5
48.5
118
16.7141
46.1145
112.145
0.333
0.342
0.34066
0.32874
容性负载时（R=45.4Ohm、C=24.7uF）
0.462%
2.52%
3.5%
2%
5.2.3频率测试结果
由DF1440数字合成信号发生器发出频率范围为48Hz~52Hz的信号，再由我们测的信号频率与函数发生器显示值相比较，求出误差。
测量频率与函数发生器显示结果的对比：
测量次数
自制失真度测量仪器
48.488
49.200
50.000
51.352
51.800
51.926
函数发生器测量仪
48.500
51.350
51.925
由上表可知，我们的频率测
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