数字式工频有效值多用表2.docx
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数字式工频有效值多用表2
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。
Abstract
Thesystemusesstm32f407asasystemcontroller,voltagebyphaseshiftingnetworkcomposedofdigitalpotentiometerX9241generatealsoacurrentsignal,thentwosignalsthroughprogram-controlledamplifierPGA2310ofsignalamplitudeadjustment,eventuallythroughhighprecisionADCchipads1271miningsetsignalafterprocessingstm32f407,FFTalgorithmisusedtogetvoltageeffectivevalue,effectivevalueofcurrent,activepower,nopower,powerfactor,harmonicanalysis.Aftertesting,theindicatorshavereachedorexceededtherequirementsofthesubject.
Keywords:
STM32,PGA2310,X9241,ADS12171
1方案设计与论证
1.1方案比较与选择
1、电压、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1000pF，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
2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，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=
（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
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在于将电容C和电阻R的所在位置做了对调。
因此，相位移动的方向也正好相反。
相移的角度中与f0、C、R之间存在有tanφ/2=2πf0CR的关系，相移的最大范围为0°～180。
如果移相角度滑动变阻器R在向下调节的过程中逐渐接近要求，但将R的滑动臂调到最下方仍然达不到理想结果时，我们就可以再在超前或滞后移相加一个同样超前或滞后的电路。
3系统电路与程序设计
3.1电路设计
1、程控放大
我们选择PGA2310芯片，该芯片有独立双通道，每通道的-91dB~31.5dB范围内0.5dB步进可调。
两通道串联起来便完全可以满足所有信号能在采集精度最高的范围内。
电路原理图如图4所示。
图4程控放大
1、移相电路
因为X9241内部有4个2K的电位器，由公式可得，电容取474时电阻应在10K以内，故数字电位器采用级联方式，又应为其最小值大概在200欧姆左右，为使移相达到0°需在后一级加补偿。
为达到360°可移，还需加一个90°相移和一个180°相移并通过继电器跟0°~90°组合。
电路原理图如图5、6、7、8。
图50°~90°程控相移
图690°固定相移
图7180°固定移相
图8继电器切换电路
3.2程序设计
根据题目要求，软件部分主要功能由三：
一是控制两路输入信号的幅度，和相位；二是根据ADC转换后的数字信号，计算待测信号的有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波分析等;三是显示各测量值。
对应软件流程图如图6所示。
图9（软件流程图）
4、电路调试与结果
1、调试方法和过程
（一）调试准备——检查电路
任何组装奸的电子电路，在通电调试之前，必须认真检查电路连接是否有错误。
检查的方法是对照电路图，按一定的顺序逐级对应检查。
特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管方向和电解容的极性是否接反，集成电路和晶体管的引脚是否接错，轻轻拔一拔元器件，观察焊点是否牢固等等。
（二）通电观察。
—定要调试好所需要的电源电压数值，然后才能给电路接通电源。
电源一经接通，不要急于用仪器观测波形和数据，而是要观察是否有异常现象，如冒烟、异常气味、放电的声光、元器件发烫等。
如果有，不要惊慌失措，而应立即关断电源，待排除故障后方可重新接通电源。
然后再测量每个集成块的电源引脚电压是否正常，以确信集成电路是否已通电工作。
（三）静态调试。
先不加输入信号，测量此时电路有关点的电位是否正常。
把偏置电位调位调为在1.6V.测试一级跟随电路时，发现OPA228的反相端和输出端有-10V的电压，后在同反相端添加共模电阻问题得以解决。
检测PGA2310静态工作点，电源供电正常的情况下，所有控制引脚均为-4V，将数字地与模拟地用0欧姆电阻隔开得以解决。
对于模拟电路为测量静态工作点；对于数字电路则测量输入与输出的高、低电平值及逻辑关系。
若有不正常现象，则应找出故障点和故障原因，以及解决故障的措施。
一般应特别注意管子与集成电路是否正常工作，其次是所使用的电路元件参数是否有错，以及电路连线是否有错等。
（四）动态调试。
加上输入信号，观测电路输出信号是否符合要求。
若输入信号为周期性的变化信号，可用示波器观测输出信号。
对于模拟电路，则观测输出波形是否符合要求。
对于数字电路，则观测输出信号波形，幅值、脉冲宽度、相位及动态逻辑关系是否符合要求。
在测试PGA2310时，首先断开与单片机的连接，测试输出。
输出为跟随状态，在数字电路调试中，常常希望让电路状态发生一次性变化，而不是周期性的变化。
因此，输入信号应为单阶跃信号（又称开关信号），用以观察电路状态变化的逻辑关系。
当采用分块调试时，除输入级采用外加输入信号外，其他各级的输入信号应采用前—级的输出信号。
（五）指标测试。
电路经静态和动态调试正常之后，即可对题目要求的电压电流有效值，视在功率，有功功率，无功功率，功率因数，谐波分析等技术指标进行测试。
应认真测量和记录测试数据，并对测试数据进行分析，最后作出测试结论，确定电路的技术指标是否符合设计要求。
如有不符，则应仔细检查问题所在，—般是对某些元件参数加以调整和改变，若仍达不到要求，则应对某部分电路进行修改，甚至要对整个电路加以修改，或推倒重来。
当然，我们并不希望大返工，因此，要求在设计的全过程中，要认真、细致，考虑问题要更周全。
尽管如此，但出现局部小返工是难免的。
2、测试仪器
STM32单片机、DM3058数字万用表、DG4162函数发生器、YB1732B3A只留稳压电源、MOS2002A示波器。
3、数据测试
（一）电压数据测量
1、放大倍数测试：
供电（±3v~±15v）
测试条件：
输入信号50mvpp1khz正弦波（电源±14v）L通道
测试结果分析：
放大倍数比较大，输出幅度比较大时，误差比较大。
表1放大倍数测试
输入增益DB
程控增益（倍数）
输出幅度（mv）
实际增益
误差
0
1
50.4
1.008
0.008
0.5
1.059
52
1.04
0.017941
3
1.4125
69
1.38
0.023009
6
1.995
96
1.92
0.037594
10
3.162
150
3
0.051233
16
6.309
300
6
0.048978
20
10
472
9.4
0.06
25
17.78
880
17.6
0.010124
30
31.62
1500
30
0.051233
30.5
33.49
1580
31.6
0.056435
31
35.48
1680
33.6
0.052988
31.5
37.58
1760
35.2
0.063332
（二）电流数据测量
输入增益DB
程控增益（倍数）
输出幅度（mv）
实际增益
误差
0
1
50.4
1.008
0.008
0.5
1.059
52
1.04
0.017941
3
1.4125
69
1.38
0.023009
6
1.995
96
1.92
0.037594
10
3.162
150
3
0.051233
16
6.309
300
6
0.048978
20
10
472
9.4
0.06
25
17.78
880
17.6
0.010124
30
31.62
1500
30
0.051233
30.5
33.49
1580
31.6
0.056435
31
35.48
1680
33.6
0.052988
31.5
37.58
1760
35.2
0.063332
（三）功率因数数据
表2功率因数测量
功率因数实际值
功率因数实际值
0.9346
0.9298
0.9328
0.9314
0.9259
0.9241
0.9209
0.9200
0.9227
0.9217
0.9170
0.9187
0.9150
0.9168
0.9120
0.9124
0.9153
0.9134
（四）功率测量数据
表3功率测量
电压变换器
电流变换器
有功功率
无功功率
有功功率误差
0.248
0.220
50.38
19.17
-0.61
0.503
0.445
205.10
79.27
-3.7
1.001
1.879
801.82
327.3
-12.6
1.497
1.304
1771.00
749.6
26
2.006
1.743
3162.01
1392
38
2.508
2.175
4934
2146
31
3.009
2.609
7090
3126
36
3.500
3.026
9572
4258
35
4.007
3.467
12590
5538
40
5、误差分析及改善措施
（1）整个系统全部由洞洞板分模块焊接，再整合成一个系统，布线、焊接、级联。
这些过程中无法避免的外界干扰，布线干扰。
（2）功率的测量由电压、电流的测量值间接得到，由于误差的累积效应也会使有功功率、无功功率测量值与实际值存在差异。
（3）由于没有在A/D采集前面加滤波电容，导致存在少许噪声误差。
6、结论
本系统以STM32芯片为核心，利用软件编程，实现了对交流电压值、交流电流值、有功功率、无功功率、以及功率因数的测量。
尽量做到线路简单，减小电子干扰，充分利用软件编程，弥补器件不足。
利用辅助电路提高测量精度。
由于水品有限，还有需要改进的地方。
参考文献
[1]张肃文．高频电子线路[M]．北京:
高等教育出版社,2004.
[2]谢自美．电子线路设计·实验·测试[M]．武汉:
华中科技大学出版社,2006.
[3]高吉祥．高频电子线路设计[M]．北京:
电子工业出版社,2007.
[4]黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京:
北京航天航空大学出版社,2006.
[5]樊昌信,曹丽娜.通信原理（第6版）[M].北京:
国防工业出版社,2006.
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