数字式工频有效值多用表

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛

项目报告

题目：数字式工频有效值多用表

学校：西南交通大学

组别：专业组

应用类别：仪器仪表类

平台：MSP430F169

题目：数字式工频有效值多用表

摘要（中英文）

本设计用于测量电压有效值，电流有效值，有功功率，无功功率，功率因数，电压基波分量及总谐波有效值等一系列工频参数。采用MSP430F149为核心控制单元，用12位高精度AD采样，前端通过由TLC7528（D/A）构成的可编程放大器实现小信号放大，提高采样精度，中间加入两路采样保持，实现小误差高速采样，将采样点送入MSP430，采用FFT算法分析工频信号频谱，经过一定的数据处理得出各参数值。

关键词：可编程放大器采样保持FFT

Abstract:

This design is used to measure the voltage rms, current rms, active p ower, reactive power, power factor, voltage fundamental component and t he total harmonic RMS series of power frequency parameters. MSP430F 149 control unit as the core sampling precision AD 12, the front end by the TLC7528 (D / A) constitutes a programmable amplifier signal amplific ation to increase the sampling accuracy, the middle two sample and hol d to achieve a small error of high-speed sampling the sampling points in

to the MSP430, the FFT algorithm to the frequency signal spectrum obta ined the parameter values of certain data processing.

Key Word：

Programmable amplifier sample and hold FFT

1.引言

工频参数的测量在电力电子技术应用中占有重要地位，是一项重要而基本的测量内容。

本课题要求设计并制作一基于智能控制器（单片机/DSP）的数字式工频有效值多用表，要求该系统能完成同时对一路工频交流电的电压有效值、电流有效值，有功功率、无功功率、功率因数等工频参数的测量。该课题涉及的技术包括：单片机/DSP控制技术、AC/DC（交流/直流）转换技术、A/D（模拟/数字）转换技术、LED/LCD显示技术、量程自动转换技术、键盘技术、EEPROM技术、接口技术等。另外，还具有良好的可扩展性。

本系统以智能微控制处理器（单片机/DSP）为控制核心，可实现对多项工频参数的测量，其结果可在LCD上显示，也可通过扩展的打印接口输出纸质结果。在本课题研究的基础上，可进一步展开对智能电力系统其它部分的研究。通过该项目的设计制作，有利于学生理论知识和实践能力的结合，培养提高学生的科学思维、实践能力和创新能力。

2.系统方案

2.1 总体系统框图：

2.2 整体设计思路：

首先采用通过AC-AC将实际电压（电流）较高的工频信号转化成幅值在一定范围内（便于采集）的两路小信号，通过可编程放大器（采用DAC 实现）将信号放大到2.5~4V范围内。再由单片机控制ADC进行等间隔采样（Fs=1600Hz），前端加入采样保持，提高精度。采集两个周期，共64个点，用单片机实现FFT算法，分析信号频谱，通过数据分析得到各工频参数值，再送入液晶显示。

3.系统硬件设计

3.1电压电流信号放大：

（1）采用运放对电压电流放大，选择不同的阻值就可以得到不同的放大倍数，但是这种放大处理不能同时满足对大小信号的放大要求。

（2）考虑到要满足对大小信号进行处理，采用电压跟随器和多档程控同向放大器（由放大器uA741与模拟开关CD4051组成），对电压、电

流信号进行程控放大。这种方案需要外部连接多路电阻，比较繁琐。

（3）直接利用集成芯片TLC7528，其内部集成双D/A，利用 T型电阻网络，方便同时实现两路信号的可编程增益控制，完成前端设计。

综上考虑选择方案3 。

3.2数据采集保持：

（1）对电压、电流信号进行分开测量，先在一个周期测电压值，再在下一个周期测电压值。方案电路简单，全部通过软件实现。由于所测电压、电流不是同时采样，所以功率值会有误差。

（2）由于测量功率时要对电压、电流信号进行同时测量，可采用保持器LF398对两路信号分别进行保持，MCU对保持器LF398进行控制。进行测量时，先对电压信号进行转换，而此时电流信号被送到保持器进行保持，等待电压信号处理完毕。LF398的宽带噪声小于20uV，采样时间小于10us且输入阻抗非常大，因此可以保证系统的测量精度和加强本系统抗干扰能力。

综上考虑选择方案2 。

3.3信号采集过程

（1）采用锁相环电路直接实现。用锁相环把信号的频率通过计数器进128倍频，从而在需采集的信号的一个周期中产生128个脉冲，利用此脉冲信号作为MCU的外部中断信号,启动ADC进行转换。但锁相倍频过程不稳定，难以调试。

（2）由单片机控制ADC进行等间隔采样（Fs=1600Hz），采集两个周期，共64个点，用单片机实现FFT算法，分析信号频谱，通过数据分析得到各工频参数值。这样对信号的分析既精确又全面，同时减少了硬件的设计，降低复杂度。

综上考虑选择方案2 。