工频信号参数测试
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1
（1）
方案一将两路输入的正弦信号A和B分别通过电压比较器整形为方波，然后送数字鉴相器（二输入异或门）鉴相或用乘法器构成的鉴相器，再经过RC电路积分后进行A/D转换。根据相位差与电平成正比的关系，由单片机计算得到相位差值。
方案二将两路输入的正弦信号电压和电流信号分别通过过零电压比较器整形为方波，通过单片机分别捕获两方波信号的周期和超前时间，从而计算得出相位差，并判断所带负载为感性、容性还是纯阻性。
Vrms（V）
7.64
7.56
7.5
1.0%
系统元件固有的误差；选择运放是尽量选择精密运放，运放失调电压、温漂、偏置电流小，没有对运放调零；峰值检波电路没能保持峰峰值。
Irms(mA）
886
814
850
8.9%
相位（度）
22.90
23.08
23.4
0.7%
功率因数
0.92
0.92
0.92
视在功率(W)
Irms(mA）
629
615
629
2.3%
相位（度）
-31.50
-32.33
-35.88
2.6%
功率因数
0.85
0.81
0.844
2.6%
视在功率(W)
5.84
5.61
5.84
4%
有功功率(W)
4.95
4.54
4.92
频率(Hz)
50.00
50.00
50.00
3.
本次设计缺少相关经验及应用洞洞板焊接，布局布线没有处理好，峰值检波电流电压信号没加低通滤波器，在对信号进行测量时原本要进行对电容充电放大处理，但后来没有很好的处理充放电与AD采样的关系使数据测量误差加大。在选择运放和制作电路初期因为没考虑到个环节带来的误差信号，基本达到要求。
图1.5截止频率为50Hz带通滤波器
（3）
为了电路设计方便峰值检波电路采用经典整流电路加电容保持，后级经过缓冲器，原本需要加一级低通滤波器时信号更加平坦，减少AD采样的误差。峰值检波的设计在于对电容C2大小选择在此我们选择为0.1µF和0.001µF电容并联，再加上三极管控制对电容的充放电，从而精确测量信号峰值。
简易工频交流电参数测试仪
1.
1．1
题目要求设计并制作一台简易工频交流电参数测试仪，使之能测量工频交流电的频率、电压有效值、电流有效值、功率因数、有功功率，其系统框图如图1所示。负载为容性负载、感性负载或纯电阻负载，复阻抗介于5Ω和10Ω之间。
图1.1系统框图
题目要求在负载为10Ω纯电阻的情况下，测量误差不低于10 %；能判断是负载的种类（容性或感性或纯电阻性）；在负载为10mH电感与5~10Ω电阻串联的情况下，测量误差不低于5%；可实时显示数据，任意改变负载，读数稳定时间不超过5s。由功率因数为cosΦ（Φ为工频交流电压电流之间的相位差）、 、正弦波信号波峰因子为 。根据题目要求及分析我们需要设计信号处理电路包括交流电压电流的提取、信号的滤波及放大、相位角的测量电路。
715
681
5.0%
相位（度）
0
-0.009
功率因数
1
1
视在功率(W)
5.66
5.46
4.0%
有功功率(W)
5.66
5.46
4.0%
频率(Hz)
50.00
50.00
表2.2感性负载测试数据
测试条件：变压器二次侧电压Vrms=10V负载7.25Ω功率电阻与10mH电感并联
示波器测量值
测量值
理论计算
误差及其分析
图1.6峰值检波电路
信号处理
图1.7系统总方框图
2.
测试仪器与使用设备如表4.1.1所示
表2.1测试仪器与设备
序号
名称、型号、规格
数量
1
VC890C+万用表
1
2
F20A数字合成函数信号发生器/计数器
1
3
TDS1012数字存储示波器
1
泰克科技（中国）有限公司
测试分为纯阻性、感性、容性负载，分别测量用示波器测量输入端的电压电流和液晶显示值比较。
上述方案，方案一通过RC积分电路将相位角转换为电压值，再通过AD转换，该方案RC积分电路及AD采样电路会带来一定的误差，且电路并不能判断所带的负载类别。方案二电路实现简单，频率相位的测量都通过单片机的编程实现，电路带来的误差小，电路性价比高。
图1.2 电压方波信号电路
图1.3电流方波电路
（2）
电路分析可知，为了减少电路线路对电压电流信号带来的相位误差，我们必须将电压电流信号所通过的路径尽量的做的对称。系统要求对负载为容性负载、感性负载或纯电阻负载，复阻抗介于5Ω和10Ω之间。变压器二次侧的电压有效值为10V电流的有效值在1A-2A之间。在此我们用0.1Ω电阻对电流信号采集，分压电阻为80:1,即总的电阻为80k。电压有效值在100mV-125mV,电流有效值约为100mV。
6.76
6.15
6.38
有功功率(W)
6.23
5.66
5.87
频率(Hz)
50.00
50.00
50.00
表2.2容性负载测试数据
测试条件：变压器二次侧电压Vrms= 10V负载10Ω功率电阻与440µF电容并联
示波器测量值
测量值
理论计算
误差及其分析
Vrms（V）
8.74
8.76
8.74
0.2%
系统元件固有的误差；选择运放是尽量选择精密运放，运放失调电压、温漂、偏置电流小，没有对运放调零；峰值检波电路没能保持峰峰值。
表2.2纯电阻负载测试数据
测试条件：变压器二次侧电压Vrms= 10V负载10Ω功率电阻
示波器测量值
测量值
理论计算
误差及其分析
Vrms（V）
7.92
8.02
1.2%Baidu Nhomakorabea
系统元件固有的误差；选择运放是尽量选择精密运放，运放失调电压、温漂、偏置电流小，没有对运放调零；峰值检波电路没能保持峰峰值。
Irms(mA）
图1.4电压电流采集电路
在进行电路设计之初对工频信号通过变压器后的电压电流信用示波器新型傅立叶分析可知信号的频率成分基波（50Hz）和三次谐波（150Hz）比重为7:4。需要采用滤波电路，带通滤波器在对中心频率处的信号基本没有相位的移动，所以考虑到对相位的测量我们在此选择带通滤波中心频率为50Hz，信号放大2倍。
（1）
方案一将两路输入的正弦信号A和B分别通过电压比较器整形为方波，然后送数字鉴相器（二输入异或门）鉴相或用乘法器构成的鉴相器，再经过RC电路积分后进行A/D转换。根据相位差与电平成正比的关系，由单片机计算得到相位差值。
方案二将两路输入的正弦信号电压和电流信号分别通过过零电压比较器整形为方波，通过单片机分别捕获两方波信号的周期和超前时间，从而计算得出相位差，并判断所带负载为感性、容性还是纯阻性。
Vrms（V）
7.64
7.56
7.5
1.0%
系统元件固有的误差；选择运放是尽量选择精密运放，运放失调电压、温漂、偏置电流小，没有对运放调零；峰值检波电路没能保持峰峰值。
Irms(mA）
886
814
850
8.9%
相位（度）
22.90
23.08
23.4
0.7%
功率因数
0.92
0.92
0.92
视在功率(W)
Irms(mA）
629
615
629
2.3%
相位（度）
-31.50
-32.33
-35.88
2.6%
功率因数
0.85
0.81
0.844
2.6%
视在功率(W)
5.84
5.61
5.84
4%
有功功率(W)
4.95
4.54
4.92
频率(Hz)
50.00
50.00
50.00
3.
本次设计缺少相关经验及应用洞洞板焊接，布局布线没有处理好，峰值检波电流电压信号没加低通滤波器，在对信号进行测量时原本要进行对电容充电放大处理，但后来没有很好的处理充放电与AD采样的关系使数据测量误差加大。在选择运放和制作电路初期因为没考虑到个环节带来的误差信号，基本达到要求。
图1.5截止频率为50Hz带通滤波器
（3）
为了电路设计方便峰值检波电路采用经典整流电路加电容保持，后级经过缓冲器，原本需要加一级低通滤波器时信号更加平坦，减少AD采样的误差。峰值检波的设计在于对电容C2大小选择在此我们选择为0.1µF和0.001µF电容并联，再加上三极管控制对电容的充放电，从而精确测量信号峰值。
简易工频交流电参数测试仪
1.
1．1
题目要求设计并制作一台简易工频交流电参数测试仪，使之能测量工频交流电的频率、电压有效值、电流有效值、功率因数、有功功率，其系统框图如图1所示。负载为容性负载、感性负载或纯电阻负载，复阻抗介于5Ω和10Ω之间。
图1.1系统框图
题目要求在负载为10Ω纯电阻的情况下，测量误差不低于10 %；能判断是负载的种类（容性或感性或纯电阻性）；在负载为10mH电感与5~10Ω电阻串联的情况下，测量误差不低于5%；可实时显示数据，任意改变负载，读数稳定时间不超过5s。由功率因数为cosΦ（Φ为工频交流电压电流之间的相位差）、 、正弦波信号波峰因子为 。根据题目要求及分析我们需要设计信号处理电路包括交流电压电流的提取、信号的滤波及放大、相位角的测量电路。
715
681
5.0%
相位（度）
0
-0.009
功率因数
1
1
视在功率(W)
5.66
5.46
4.0%
有功功率(W)
5.66
5.46
4.0%
频率(Hz)
50.00
50.00
表2.2感性负载测试数据
测试条件：变压器二次侧电压Vrms=10V负载7.25Ω功率电阻与10mH电感并联
示波器测量值
测量值
理论计算
误差及其分析
图1.6峰值检波电路
信号处理
图1.7系统总方框图
2.
测试仪器与使用设备如表4.1.1所示
表2.1测试仪器与设备
序号
名称、型号、规格
数量
1
VC890C+万用表
1
2
F20A数字合成函数信号发生器/计数器
1
3
TDS1012数字存储示波器
1
泰克科技（中国）有限公司
测试分为纯阻性、感性、容性负载，分别测量用示波器测量输入端的电压电流和液晶显示值比较。
上述方案，方案一通过RC积分电路将相位角转换为电压值，再通过AD转换，该方案RC积分电路及AD采样电路会带来一定的误差，且电路并不能判断所带的负载类别。方案二电路实现简单，频率相位的测量都通过单片机的编程实现，电路带来的误差小，电路性价比高。
图1.2 电压方波信号电路
图1.3电流方波电路
（2）
电路分析可知，为了减少电路线路对电压电流信号带来的相位误差，我们必须将电压电流信号所通过的路径尽量的做的对称。系统要求对负载为容性负载、感性负载或纯电阻负载，复阻抗介于5Ω和10Ω之间。变压器二次侧的电压有效值为10V电流的有效值在1A-2A之间。在此我们用0.1Ω电阻对电流信号采集，分压电阻为80:1,即总的电阻为80k。电压有效值在100mV-125mV,电流有效值约为100mV。
6.76
6.15
6.38
有功功率(W)
6.23
5.66
5.87
频率(Hz)
50.00
50.00
50.00
表2.2容性负载测试数据
测试条件：变压器二次侧电压Vrms= 10V负载10Ω功率电阻与440µF电容并联
示波器测量值
测量值
理论计算
误差及其分析
Vrms（V）
8.74
8.76
8.74
0.2%
系统元件固有的误差；选择运放是尽量选择精密运放，运放失调电压、温漂、偏置电流小，没有对运放调零；峰值检波电路没能保持峰峰值。
表2.2纯电阻负载测试数据
测试条件：变压器二次侧电压Vrms= 10V负载10Ω功率电阻
示波器测量值
测量值
理论计算
误差及其分析
Vrms（V）
7.92
8.02
1.2%Baidu Nhomakorabea
系统元件固有的误差；选择运放是尽量选择精密运放，运放失调电压、温漂、偏置电流小，没有对运放调零；峰值检波电路没能保持峰峰值。
Irms(mA）
图1.4电压电流采集电路
在进行电路设计之初对工频信号通过变压器后的电压电流信用示波器新型傅立叶分析可知信号的频率成分基波（50Hz）和三次谐波（150Hz）比重为7:4。需要采用滤波电路，带通滤波器在对中心频率处的信号基本没有相位的移动，所以考虑到对相位的测量我们在此选择带通滤波中心频率为50Hz，信号放大2倍。