摘要：工頻表采用具有集成度高、數(shù)字處理速度快、功能強(qiáng)、低功耗等優(yōu)點的凌陽16位單片機(jī)以數(shù)字形式對電壓有效值、電流有效值、相位角進(jìn)行顯示。設(shè)計分為三個模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊。數(shù)據(jù)信號采集用CMOS系列產(chǎn)品CC4051和運算放大器LM348，對大、小信號分別進(jìn)行放大處理，采用74LS00和LM324產(chǎn)生相位角；數(shù)據(jù)處理以凌陽單片機(jī)SPCE061為核心，對采集信號進(jìn)行精確控制和嚴(yán)格計算；顯示部分由CC4056驅(qū)動和74LS138移位選擇與數(shù)碼管構(gòu)成。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理；顯示模塊
1 系統(tǒng)的設(shè)計
凌陽16位單片機(jī)集成度高、體積小、可靠性好，內(nèi)部含有10位A／D轉(zhuǎn)換器，簡化了電路，16位的性能有較高的數(shù)字信號處理速度，提高了精度。凌陽16位單片機(jī)是基于SOC的新型的數(shù)／?；旌系南到y(tǒng)級芯片。在一個芯片內(nèi)集成了單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件。另外，凌陽單片機(jī)還增加了適合于DSP的某些特殊指令；有些系列的單片機(jī)還嵌入了LCD控制／驅(qū)動和雙音多頻發(fā)生器功能。這些都進(jìn)一步擴(kuò)大了單片機(jī)的應(yīng)用范圍。
2 峰-峰值保持?jǐn)?shù)據(jù)采集電路
2．1 電流、電壓信號的放大電路
考慮到要滿足對大小信號的處理，采用CC4051來選擇，對電壓、電流信號的放大，通過單片機(jī)對CC4051進(jìn)行控制，使放大倍數(shù)可以為1／2、X10兩種不同的值。如圖2所示。這樣能滿足對大小不同信號的放大要求，硬件電路簡單，容易實現(xiàn)。
2．2 數(shù)據(jù)保持部分
對電壓、電流信號進(jìn)行同時測量，可用由集成運算放大器LM348組成的峰-峰值信號保持電路(如圖3所示)，被測信號從IN腳輸入，OUT腳是對電壓、電流進(jìn)行峰值保持功能，用凌陽單片機(jī)的一個I／O接口就可以對保持器進(jìn)行控制。進(jìn)行測量時，用單片機(jī)同時鎖定被測電壓和電流信號的峰-峰值信號后，即可以分別測量電壓和電流量，且不需要考慮時差問題。采用這種方案可減小系統(tǒng)帶來的誤差。
3 單片機(jī)系統(tǒng)相位角處理模塊
相位角測量方法為先對電流信號和電壓信號分別測量。測量時，單片機(jī)先對電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而此時電流信號被送到保持器進(jìn)行保持，等待電壓信號處理完畢。電壓與電流相位差φ及功率因數(shù)cosφ的測量。電路得到的各點波形如圖4所示。其中Uv為正弦交流電壓，Ui為同一相正弦電流變換而成的電壓波。
由于同一相內(nèi)Uv和Ui之間有超前滯后兩種情況，且相位差均小于90°時，相功率P=0屬極少情況，故圖4分析了Ui滯后Uv的情況，對于Ui超前Uv，分析結(jié)論亦相同。由波形圖可見，U-I的相位差φ所允許時間Tφ=10ms-T。
因此只要測出T的時間，求出Tφ，再按上式計算出φ，cosφ亦可隨之求出。SPCE061A內(nèi)部的十六位定時器在49．152MHz的晶振時每1μs加1，故可以用來測定T的時間。若定時器1LSB角度φ’，則φ’／0．02=180°／10ms，即φ’=1．44°。所以只要求出Tφ=1388H-T(T定時器讀出的計數(shù)值)，再乘以1．44°即為φ的實際相位角。
4 電路調(diào)試方法和過程
采用先分別調(diào)試各單元模塊，調(diào)通后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試的方法，提高調(diào)試效率。
4．1 數(shù)據(jù)采集、放大模塊調(diào)試
利用P3．4和P3．5控制模擬開關(guān)CC4051，使輸入信號與函數(shù)信號發(fā)生器輸出相聯(lián)，通過改變P3．4和P3．5管腳的電平來改變放大倍數(shù)，用萬用表測試輸入輸出電壓，再調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器的輸出，用萬用表測試輸入輸出電壓是否正確；數(shù)據(jù)保持器則用單片機(jī)P1．4來控制，并用示波器觀察波形。調(diào)試結(jié)果顯示，模塊可以正常工作。
4．2 數(shù)據(jù)信號頻率相位角模塊調(diào)試
將函數(shù)信號發(fā)生器的輸出與相位角處理模塊輸入相聯(lián)接，調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率，用示波器觀察該模塊的輸出波形，并與單片機(jī)P3．3口相連接。經(jīng)過檢驗，相位角模塊電路能正常工作。
4．3 A／D轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試
由于凌陽單片機(jī)SPCE061內(nèi)部有2個10位的A／D轉(zhuǎn)換器，因此不用接外部A／D轉(zhuǎn)換電路，只需要編寫程序?qū)ζ溥M(jìn)行簡單測試即可正常工作。
當(dāng)每個獨立模塊能正常工作了，再把各模塊線路連接好進(jìn)行系統(tǒng)程序調(diào)試，被測的兩路輸入信號電壓、電流波型可先采用函數(shù)信號發(fā)生器進(jìn)行模擬，接上凌陽單片機(jī)SPCE061仿真器進(jìn)行調(diào)試程序，對數(shù)據(jù)采集、放大模塊的各輸入、輸出信號進(jìn)行測量計算，對數(shù)據(jù)信號頻率相位角模塊的相位角進(jìn)行計算，當(dāng)系統(tǒng)程序調(diào)試成功后，再把程序下載到凌陽單片機(jī)SPCE061中進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。最后把調(diào)試結(jié)果顯示出來，整個系統(tǒng)能正常工作。
5 誤差分析及改善措施
(1)采用SPCE061A的10位A／D轉(zhuǎn)換器測量零電壓時，顯示在0．0048828125～0．009765625v之間跳動，原因是SPCE061A的10位A／D轉(zhuǎn)換時，有1～2個步長的誤差，即4．8828125～9．765625mV之間。由于誤差恒定，采用軟件對誤差進(jìn)行補償。
(2)由于電路信號處理部分的元器件以及模擬開關(guān)CC4051上有一定的壓降(約20mV)，雖經(jīng)軟件、硬件修正，在小幅值的情況下仍會有一定誤差。
(3)整個系統(tǒng)板由手工焊接完成，布線無法避免線路之間以及外界的電磁干擾，從而會導(dǎo)致一定的誤差。
(4)功率的測量由電壓、電流的測量值間接得到，由于誤差的累計效應(yīng)也會使有用功率、無用功率測量值與理論值存在差異。
6 結(jié)束語
數(shù)字式工頻有效值多用表以數(shù)字方式對電壓有效值、電流有效值、功率角進(jìn)行顯示，功率的測量由間接得到。本系統(tǒng)以SPCE061為核心部件，利用軟件編程，實現(xiàn)對交流電壓值、交流電流值、功率角的測量。盡量做到線路簡單，減小電磁干擾，充分利用軟件編程，彌補元器件的精度不足。
數(shù)字式工頻有效值多用表以數(shù)字的方式對電壓有效值、電流有效值、功率角進(jìn)行顯示，從而可以得到有功功率、無功功率和功率因數(shù)，方便實用。在設(shè)計中采用凌陽單片機(jī)具有速度快、價格低、可靠性高、體積小、實用、功耗低等特點。