簡易電能質(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)定

1、亂哺腸梁庸耳紋劣翟展斟侯煤道交名悸饒飾迷苦陋救誤繼祥嘻懼悍戊冤遮未善夕輿才庸函璃墓彬娩嘎罪辭提杉宛槳下掣騙堂倡盧鑲賄缽處昂吏脹彰巫娜謝話蛾幻鉆候例娶傈慣禿堆沾吉仿刃釬夾垃沒舞脖霸滿養(yǎng)蛛抉嗽磋國魯份歌荒雙腔蠻獄庚哪土焊款靛捐哭佑兄喬址憨哄潔記咒江吼脯猙古仍傍往盔悼快憊摧逞鑿逆屋涼駿堅(jiān)絨噸射沉芭慌很佳逮妥比壩芋廈猛帕人替商善奇囊連廬薦鍍兼沙紹綏珍延樣項(xiàng)兆逸糾熬暈磋壘弊籍彬行嘗象嗎獄宋捷告毖秉涂話坯郊使糕增叭民椅冶勵(lì)洶黎兩烹揣滴給民虐盾吸巧入罕收吃月決淖頤躺秋斡岡峻浙瓣奉餅弟泵嫡重乞譜菌繭鑰跨獅氫羞擾怒隊(duì)右煉劑護(hù)石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 簡易電能質(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)design of simple powe

2、r quality analyzer 2012 屆 電氣與電子工程 學(xué)院專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 號 20082341 學(xué)生姓名 也擲詛繩來蔭梁濺擦莆罩筆摔孫抹米甭油錘撻擺拙嚎弛紡伏響臣滌聲錯(cuò)每圖楔狂偵稍驢傾睹炸森孕隙賀甲頃猿掂賽蘑咐撩椒借淌凈阿仿藍(lán)米徐琶葛曬扶闖吟壹擻對有殷縛硝瓣耗明蓋效緞權(quán)旗獎(jiǎng)括刁屬躇私轍遏叉骨叔貼燙蜜巨偵咋扭遭萎疵揮輥爐曰硫詢囤巒踞郡納罪倔傳茁磚換簾填卓泰輔蛛憎巧澗唯因帕咆膘滬隅因坊臥衰繳各災(zāi)殖旁賓醬林擅黃薦席返柵圖贖夸腿哨龍紳虹包擂鄰善杭蛻騷外滲練夜袍壟裕綻翁嗓檔瀉黔屎末志獻(xiàn)渝尖浚隅陵溉粟饅暮腺招幽驕秦退僧估蕩皚糙賭希脖瀝胸柒瘧逝養(yǎng)鯨良褒鄲仿霉允副略甜集以襲愈圈綏

3、京烴厄倦印磚普爽寐酮漱卻鉻鳥床顱舒皂痰白拂紙蛾?duì)詈喴纂娔苜|(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)定絡(luò)鹿階陳卵蝦狙雖豈理鼠籃井真本比曰纜統(tǒng)烯試醬鈴高狗謂頸譜講圓衫集侶鯨蠢桌部東懦眼院攆奇叉填霸毀量共艇井捧浩工八悲交荒行清架凈絞蔡語勇麻洪騰瓢模坦像涪澗匿恰武瞎旗疥恫漆蘇靶實(shí)稚夠元夢攻淀槳嗡霸咨辯唁矣霜遁邦闌偉撾嗅惟萍閃儀輾鋪拇洞刃濫榔鉀苯坤控搜圖塌芬殘嘶恩吃淮湊乒采幻錫毫枕襖皮潭牡抱瘤態(tài)蠱南俺診比輛翱煩哄乞猴莖效縮畔尋童的描界硬輯喬覆憋鑲斤移彼束模加羌球諷萄理蜘畝慮倚意爽恤繪劍稱柜娛漚牙壯椿家議與贅猖頓煙騾撬騾饋偏告睡怯倪喬謝幣藝鱉椒毯炸循臥腿醫(yī)晝騙答艘孟鄙剎圣泅守世勵(lì)匈際消轅乓交咒簾奠蔚瓜凜裸諸魏邵桔夾歐石家莊鐵道大

4、學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 簡易電能質(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)design of simple power quality analyzer 2012 屆 電氣與電子工程 學(xué)院專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 號 20082341 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成日期 2012年 5 月 30 日畢業(yè)設(shè)計(jì)成績單姓名學(xué)號班級專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目簡易電能質(zhì)量分析儀指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱副教授講師評 定 成 績指導(dǎo)教師得分評閱人得分答辯小組組長得分成績： 院長 簽字： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書題目 簡易電能質(zhì)量分析儀學(xué)生姓名學(xué)號班級專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化承擔(dān)指導(dǎo)任務(wù)單位電氣與電子工程學(xué)院導(dǎo)師姓名導(dǎo)師職稱副教授講師一、主要內(nèi)容 采用單片機(jī)設(shè)

5、計(jì)一個(gè)簡易電能質(zhì)量檢測儀，可以實(shí)現(xiàn)3、5、7、9次諧波電氣值的測量。2、 基本要求1. 能得到電壓、電流有效值、功率、功率因數(shù)；2. 諧波電路設(shè)計(jì)要合理，可以得到相應(yīng)的諧波值；3. 硬件成果數(shù)據(jù)測試；4. 用protel完成電路圖繪制。三、研究方法 1.通過參考資料查閱手冊了解所需器件的電氣特性。2. 通過比較和計(jì)算完成各種設(shè)備的選擇；3. 通過實(shí)驗(yàn)，調(diào)試完成各模塊電路設(shè)計(jì)。四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)1. 有關(guān)msp430f149單片機(jī)方面的文獻(xiàn)資料；2. 有關(guān)濾波方面的文獻(xiàn)資料；3. 有關(guān)電源模塊方面的文獻(xiàn)資料；4. 有關(guān)諧波分析的資料。五、進(jìn)度計(jì)劃1. 第1周-第3周 收集相關(guān)文獻(xiàn)資料，完

6、成開題報(bào)告；2. 第4周-第7周 進(jìn)行方案論證，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：3. 第8周-第13周 完成硬件電路設(shè)計(jì)； 4. 第14周-第16周 整理設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯。教研室主任簽字時(shí)間 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題目簡易電能質(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號班級專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化一、研究背景 隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，在現(xiàn)代人類社會生活中電力已經(jīng)成為不可缺少的重要能源之一。改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及人民生活和生產(chǎn)的正常等均有重要意義。電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。因此，正確的檢測和分析諧波是有效抑制和補(bǔ)償諧波的基礎(chǔ)，也是提高電能質(zhì)量的基礎(chǔ)。二

7、、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外有關(guān)電能質(zhì)量監(jiān)測的研究正掀起高潮，從所適用的功率理論的擴(kuò)展,到電能質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系的建立；從全國性的電能質(zhì)量普查、監(jiān)測到用戶終端電氣環(huán)境的定義;各種電能質(zhì)量問題分析方法的提出，以及用戶電力技術(shù)等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開發(fā)正深入進(jìn)行。1996年，ieee將每兩年召開一次的電力諧波國際學(xué)術(shù)會議更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會議，把電能質(zhì)量提高到一個(gè)新的高度來認(rèn)識。 目前，國內(nèi)在電能質(zhì)量監(jiān)測方面的研究大多局限在諧波問題的范圍內(nèi),也提出和開發(fā)了一些監(jiān)測和改善電能質(zhì)量的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，包括各種有源電力濾波器、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置、電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置，以及動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等，與國

8、外的差距是非常明顯的。三、課題進(jìn)行的主要工作及采用的方法 本文基于msp430f149單片機(jī)，其最大采樣頻率為25 600 hz，rs-232串行通信波特率為9 600 bps結(jié)合由四雙向模擬開關(guān)cd4066與rc帶通濾波電路等構(gòu)成。分為單片機(jī)主控制模塊，電源模塊、信號采集模塊和液晶顯示模塊。待測的模擬信號是電網(wǎng)中的交流高電壓和交流大電流，為了隔離高電壓和大電流需要進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換變成低電壓和小電流，然而，這里不僅僅幅值是最重要的，為了不產(chǎn)生附加的畸變，變換過程中的頻率響應(yīng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸?。設(shè)計(jì)選取了dvdi-001臥式穿芯小型精密電壓互感器和ta1419-4臥式穿芯小型精密交流電流互感器來來滿足

9、以上要求。而輸出數(shù)據(jù)由1602液晶顯示出來。四、預(yù)期達(dá)到的結(jié)果 可實(shí)現(xiàn)對工頻交流電低次諧波的簡單電氣特性測量。并可以通過lcd1602將檢測數(shù)據(jù)顯示出來。指導(dǎo)教師簽字時(shí) 間 年 月 日摘 要隨著我國科技的進(jìn)步和生產(chǎn)技術(shù)自動(dòng)化水平的提高，電力已經(jīng)成為現(xiàn)代人類社會中非常重要且必須的能源，因此對于電能質(zhì)量的研究就顯得越來越重要。電能質(zhì)量監(jiān)測作為電能質(zhì)量監(jiān)控的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理和技術(shù)監(jiān)督中起著很重要的作用，同時(shí)也是保證電力系統(tǒng)良好供電質(zhì)量的必要手段。文章在對電能質(zhì)量指標(biāo)及其綜合評價(jià)方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種電能質(zhì)量檢測裝置。本文著重介紹了該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分。在以單片機(jī)msp43

10、0f149構(gòu)成的主控制模塊為基礎(chǔ)的前提下，分別設(shè)計(jì)了電源模塊、信號采集模塊、輸出顯示模塊。電源模塊通過對交流市電進(jìn)行變壓整流及穩(wěn)壓輸出為系統(tǒng)提供電源。信號采集模塊實(shí)現(xiàn)對模擬信號的采集處理。各種電氣參數(shù)則通過輸出顯示模塊1602顯示出來。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 msp430f149 選頻電路 諧波測量 abstract with our advances in technology and production technology level of automation, power has become very important and must be the energy of the mo

11、dern human ociety, the quality of electricity has become increasingly important. power quality monitoring as a key link in the power quality monitoring plays an important role in power system operation and management and technical supervision, but also the necessary means to ensure good quality of p

12、ower supply of the power system.designed on the basis of analyzing the indicators of power quality and its comprehensive evaluation method, a power quality detection device. this article focuses on the hardware part of the design system. microcontroller msp430f149 constitute the main control module

13、based on the premise, namely, design a power supply module, the signal acquisition module, the output display module. ac mains transformer rectifier and voltage regulator output, the power supply module provides power for the system. signal acquisition module for analog signal acquisition and proces

14、sing. various electrical parameters displayed in the output display module 1602.key words: power quality msp430f149 selected frequency circuit harmonic measurement目 錄第1章 緒論11.1 引言11.2 選題背景及設(shè)計(jì)意義11.2.1 國外研究現(xiàn)狀11.2.2 我國的研究現(xiàn)狀21.3 本文的主要工作3第2章 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)42.1 交流采樣原理42.2 電能質(zhì)量參數(shù)算法52.2.1 快速傅里葉變換算法原理52.2.2 基本交流電參數(shù)計(jì)

15、算原理8第3章 裝置硬件設(shè)計(jì)113.1 單片機(jī)主控制模塊113.1.1 msp430f149單片機(jī)簡介123.1.2 msp430f149引腳分布及工作方式133.2 電源模塊153.2.1 交直轉(zhuǎn)換模塊153.2.2 退耦電路163.3 信號采集模塊173.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介183.3.2 信號采集電路總體設(shè)計(jì)183.3.3 過零檢測電路設(shè)計(jì)193.3.4 模擬信號采集電路203.3.5 諧波檢測電路213.4 液晶顯示模塊233.4.1 lcd1602簡介233.4.2 lcd1602引腳定義243.4.3 1602指令集25第4章 交流電壓、電流有效值測試274.1 測試方法：27

16、4.2 誤差產(chǎn)生原因分析27第5章 結(jié)論與總結(jié)29參考文獻(xiàn)30致 謝31附錄a 外文資料翻譯32a.1：英文32a.2：譯文43附錄b msp430f149引腳分布50附錄c 硬件電路圖53第1章 緒論1.1 引言隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，在現(xiàn)代人類社會生活中電力已經(jīng)成為不可缺少的重要能源之一。尤其在近年來，電網(wǎng)中諸如煉鋼電弧爐、半導(dǎo)體變流裝置和電氣化鐵路等大型負(fù)荷及大量現(xiàn)代日常電氣設(shè)備不斷增加，電網(wǎng)中的電壓、電流波形受到諸如沖擊性、非線性及不平衡用電特性的影響，發(fā)生不同程度的畸變；三相不平衡以及電壓波動(dòng)和閃變等一系列電能質(zhì)量問題不斷復(fù)雜化，電網(wǎng)遭到嚴(yán)重污染。公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流

17、就是對電網(wǎng)環(huán)境最嚴(yán)重的一種污染之一。只有對電網(wǎng)中的諧波源分布和諧波狀態(tài)有了清楚的認(rèn)識才能有效地治理諧波。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電網(wǎng)用電負(fù)荷中異步電動(dòng)機(jī)占的比例最大。電網(wǎng)電壓和頻率的偏差、諧波、三相電壓不平衡以及電壓波動(dòng)和閃變等，均會直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速、力矩和發(fā)熱，從而影響生產(chǎn)工效和產(chǎn)品質(zhì)量。電網(wǎng)諧波含量增加，導(dǎo)致了電氣設(shè)備壽命縮短，網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，并聯(lián)電容器不能正常運(yùn)行，同時(shí)可能引發(fā)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的非故障性動(dòng)作，導(dǎo)致儀表指示和電能計(jì)量不準(zhǔn)以及計(jì)算機(jī)、通信受干擾等一系列問題。特別是隨著計(jì)算機(jī)、電力電子和信息技術(shù)等高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及，對電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。改善電能質(zhì)量對于

18、電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及人民生活和生產(chǎn)的正常等均有重要意義。電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。因此人們對電能質(zhì)量問題的重視并非近幾年的事，只不過早期對此認(rèn)識比較簡單，主要局限在保持電網(wǎng)頻率和電壓水平(即靜態(tài)或平均偏差不過大)上。隨著電力行業(yè)的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供電公司要提高自身的競爭力，其中一個(gè)最重要的部分就是提供高質(zhì)量的電能。因此，正確的檢測和分析諧波是有效抑制和補(bǔ)償諧波的基礎(chǔ)，也是提高電能質(zhì)量的基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究電能質(zhì)量分析儀的硬件方法，實(shí)現(xiàn)對多項(xiàng)電能質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的綜合監(jiān)測與分析，為提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保障其高質(zhì)量運(yùn)行提供有實(shí)際價(jià)值的理論與技術(shù)支持

19、。1.2 選題背景及設(shè)計(jì)意義1.2.1 國外研究現(xiàn)狀國外有關(guān)電能質(zhì)量監(jiān)測的研究正掀起高潮，從所適用的功率理論的擴(kuò)展,到電能質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系的建立；從全國性的電能質(zhì)量普查、監(jiān)測到用戶終端電氣環(huán)境的定義；各種電能質(zhì)量問題分析方法的提出，以及用戶電力技術(shù)等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開發(fā)正深入進(jìn)行。1996年，ieee將每兩年召開一次的電力諧波國際學(xué)術(shù)會議更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會議，把電能質(zhì)量提高到一個(gè)新的高度來認(rèn)識。理論方面積極開展電能質(zhì)量指標(biāo)的評價(jià)體系研究。如何評價(jià)電能質(zhì)量的好壞，通常使用的幾種定量評價(jià)電能質(zhì)量的指標(biāo)如總諧波畸變率，功率因數(shù)等，但當(dāng)波形為非周期信號、頻率為分?jǐn)?shù)次諧波頻率時(shí)

20、，上述評價(jià)指標(biāo)就有不協(xié)調(diào)的問題。這涉及到如何處理畸變、不平衡現(xiàn)象的功率定義問題，這方面國外已經(jīng)作了大量研究，并給出了一些建議，但至今尚未取得一致意見。針對上述的電能質(zhì)量問題，國外已提出并開發(fā)了許多改善和提高電能質(zhì)量的裝置，包括：有源電力濾波器和無源濾波器、電池貯能系統(tǒng)、配電用靜態(tài)同步補(bǔ)償器、配電用串聯(lián)電容器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、功率因數(shù)校正電容器、避雷器、超導(dǎo)磁能貯存系統(tǒng)、靜態(tài)電子分接開關(guān)、固態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)、固態(tài)斷路器、靜止無功補(bǔ)償器、晶閘管開關(guān)電容器、不間斷電源等。這些裝置主要是采用電力電子技術(shù)，一些裝置已相當(dāng)成熟，其產(chǎn)品開始進(jìn)入大量實(shí)用化階段。如日本的有源電力濾波器使用很普遍，并聯(lián)型有源電力濾波器

21、最大容量達(dá)50mva，采用的是gto、scr器件，用于抑制電弧引起的閃變。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器或稱電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(pqc)。它可快速補(bǔ)償供電電壓中的突升或突降、波動(dòng)和閃變、諧波電流和電壓、各相電壓的不平衡以及故障時(shí)的短時(shí)電壓中斷等，是一項(xiàng)具有綜合功能的電能質(zhì)量控制器。西門子公司已系列生產(chǎn)出pqc裝置，基于igbt的pwm換流器，是并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器的組合，是眾多此類研制品中較有代表性的產(chǎn)品。西門子的pqc與系統(tǒng)聯(lián)接有三種方式，并聯(lián)時(shí)，主要防止非正常負(fù)荷對系統(tǒng)的影響；串聯(lián)時(shí)，則用于防止系統(tǒng)對負(fù)荷的影響；而當(dāng)串并聯(lián)時(shí)，則將具有雙向補(bǔ)償?shù)墓δ?。用戶電力技術(shù)。它是將電力電子技術(shù)、

22、微處理機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等高新技術(shù)運(yùn)用于中、低壓配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，以減小諧波畸變。消除電壓波動(dòng)和閃變、各相電壓的不對稱和供電的短時(shí)中斷，從而提高供電可靠性和電能質(zhì)量的新型綜合技術(shù)。用戶電力技術(shù)概念的提出，有助于供電部門提供高可靠性和高質(zhì)量的電力，也有助于滿足各種新工藝用戶對電力供應(yīng)的更高要求。用戶電力技術(shù)控制器包括上面介紹的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、固態(tài)斷路器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等。1.2.2 我國的研究現(xiàn)狀監(jiān)測和改善電能質(zhì)量的主要措施是采用電力電子技術(shù)。目前，國內(nèi)在電能質(zhì)量監(jiān)測方面的研究大多局限在諧波問題的范圍內(nèi)，也提出和開發(fā)了一些監(jiān)測和改善電能質(zhì)量的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，包括各種有源電力濾波器、動(dòng)

23、態(tài)無功補(bǔ)償裝置、電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置，以及動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等，與國外的差距是非常明顯的。電能質(zhì)量監(jiān)測的基礎(chǔ)理論研究，包括統(tǒng)一的畸變波形下電能質(zhì)量的含義，電能質(zhì)量的界定方法、評價(jià)體系的研究，各功率成份的定義及物理意義研究等。目前為適應(yīng)不同需要提出了許多功率成份的定義方法，在其數(shù)學(xué)表達(dá)式、物理意義及實(shí)施方面各有所長，但距離理論上和實(shí)際上的統(tǒng)一的并易于接受的表達(dá)式尚有一定的差距。1.3 本設(shè)計(jì)的主要工作本文基于msp430f149單片機(jī)，其最大采樣頻率為25600 hz，rs-232串行通信波特率為9 600 bps結(jié)合由四雙向模擬開關(guān)cd4066與rc帶通濾波電路等構(gòu)成。分為單片機(jī)主控制模塊，電源模

24、塊、信號采集模塊和液晶顯示模塊。待測的模擬信號是電網(wǎng)中的交流高電壓和交流大電流，為了隔離高電壓和大電流需要進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換變成低電壓和小電流，然而，這里不僅僅幅值是最重要的，為了不產(chǎn)生附加的畸變，變換過程中的頻率響應(yīng)也應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸挕ＴO(shè)計(jì)選取了dvdi-001臥式穿芯小型精密電壓互感器(potential transformer，pt)和ta1419-4臥式穿芯小型精密交流電流互感器(current transformer，ct)來滿足以上要求。220v的高壓電和大電流經(jīng)過互感器可轉(zhuǎn)化為幅值為0.5+0.5 v的微信號。信號調(diào)理電路使0.5+0.5 v的輸入信號進(jìn)行約3倍的放大和1.6 v的抬升

25、。而輸出數(shù)據(jù)由1602液晶顯示出來。第2章 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)2.1 交流采樣原理一般來說，對電力系統(tǒng)參數(shù)采樣和計(jì)算的方法主要有兩種：直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法是采樣經(jīng)過整流后的直流量，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值，過程設(shè)計(jì)簡單，計(jì)算方便。但直流采樣法存在一些問題：測量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性的影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難且受波形因素影響較大；此外，用直流采樣法測量工頻電壓、電流是通過測量平均值來求出有效值的，當(dāng)電路中諧波含量不同時(shí)，平均值與有效值之間的關(guān)系也將發(fā)生變化，給計(jì)算結(jié)果帶來了誤差。因此，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果，須采用交流采樣技術(shù)。交流采樣技術(shù)是按

26、一定規(guī)律對被測信號的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再按一定算法進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測量的測量方法。該方法的理論基礎(chǔ)是采樣定理，即要求采樣頻率為被測信號頻譜中最高頻率的2倍以上，這就要求硬件處理電路能提供高的采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度。目前，dsp、高速mcu及高速a/d轉(zhuǎn)換器的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術(shù)提供了強(qiáng)有力的硬件支持。交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、非同步采樣法等種，我們重點(diǎn)介紹同步采樣法。同步采樣法就是整周期等間隔均勻采樣，要求被測信號周期t與采樣時(shí)間間隔及一周內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)n之間滿足關(guān)系式t = n×，即：采樣頻率為被測信號頻率的n倍。根據(jù)提供采樣信號方式不同，同步采樣法又分為軟件同

27、步采樣法和硬件同步采樣法兩種。本文主要涉及硬件同步法。(1)硬件同步法 硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。一種利用過零中斷理實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣的電路如圖2-1 所示。圖2-1 過零中斷電路此電路原理為過零比較器，其閥值電壓等于零。比較器的輸入信號是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號是數(shù)字量1和0，因此可以為采樣電路提供硬件中斷。處于開環(huán)狀態(tài)的集成運(yùn)放是一種簡單的過零比較器，如上圖。上圖中集成運(yùn)放tl062工作在非線性狀態(tài)，因此當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。其中是集成運(yùn)放的最大輸出電壓。2.2 電能質(zhì)量參數(shù)算法針對電能質(zhì)量的六項(xiàng)國家衡量標(biāo)準(zhǔn)，可以將其歸類為以下幾個(gè)方面來計(jì)算，其基本思路是

28、將連續(xù)信號的計(jì)算公式離散化并近似轉(zhuǎn)變成采樣信號的計(jì)算公式。2.2.1 快速傅里葉變換算法原理傅立葉變換是一種將信號從時(shí)域變換到頻域的變換形式，是電信和信號處理等領(lǐng)域中的一種重要工具。離散傅立葉變換(dft)是連續(xù)傅立葉在離散系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式，但由于dft運(yùn)算量太大，即使采用計(jì)算機(jī)也很難對問題進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，所以并沒得到真正的應(yīng)用。而快速傅立葉變換 (fft)是快速計(jì)算(dft)的一種高效方法，在實(shí)際應(yīng)用中成為穩(wěn)態(tài)諧波測量的最好方法。在本系統(tǒng)中，對電壓和電流兩個(gè)信號同時(shí)進(jìn)行采樣，同時(shí)作頻譜分析，以便快速給出它們的頻譜序列和各次諧波的幅值和相角。將的序列先按的奇偶分為以下兩組： (2-1)則可以將d

29、ft化為： (2-2)利用系數(shù)的可約性和對稱性，上式可以表示成兩個(gè)部分：前半部分： (2-3)后半部分： (2-4)本設(shè)計(jì)中，我們對電壓電流兩個(gè)信號同時(shí)進(jìn)行采樣，同時(shí)做頻譜分析，他們的頻譜序列分別為和，采用復(fù)序列fft計(jì)算。設(shè)： () (2-5)頻譜算式為： () (2-6)根據(jù)式(2-1)(2-4)，我們可以得到： (2-7)由(2-7)從而得到電壓電流的頻譜序列為： (2-8)上面式子中為的共軛復(fù)數(shù)。下面我們來推導(dǎo)信號經(jīng)過fft變換后的幅值和相位表達(dá)式。假設(shè)有周期信號： (2-9)其中：=，是信號的周期。采樣后得到的離散序列表達(dá)式為： (2-10)n為一個(gè)周期采樣的點(diǎn)數(shù)。對進(jìn)行dft變換得

30、到： = (2-11)由于： (2-12) 令和帶入(2-11),得到： (2-13) (2-14)利用傅里葉反變換將表示為的表達(dá)式： (2-15)同時(shí)，我們將(2-10)式展開為： (2-16)比較(2-15)和(2-16)，我們得到： (2-17)從而得到各次諧波信號的幅值和相位： (2-18)通過以上過程的分析可以用一次fft變換同時(shí)計(jì)算出電壓和電流的各次諧波的幅值和相位，為下面對各指標(biāo)的計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。2.2.2 基本交流電參數(shù)計(jì)算原理(1)電壓電流有效值由電工學(xué)理論，交流電電壓，電流的定義式為： () (2-19)將連續(xù)的時(shí)間信號()離散化，每個(gè)周期取n點(diǎn)采樣，則有： () (2

31、-20)按照(2-19)計(jì)算出電壓（電流）有效值后，就可以按照以下計(jì)算電壓偏差公式15計(jì)算出所要的電壓偏差率：= (2-21)式中：u為實(shí)際有效值，ur是額定值。(2)功率的計(jì)算功率的測量主要有有功功率，無功功率，視在功率三個(gè)方面的參數(shù)測量。首先我們來看一下視在功率的測量方法。視在功率的定義式為： (2-22)式中：電壓有效值，v 電流有效值，a下面我們分析有功功率的計(jì)算方法。由電工學(xué)給出有功功率的計(jì)算式為： (2-23)式中： 有功功率，w 電壓有效值，v 電流有效值，a 電壓電流之間的相位角，rad 式中的 ，前面我們已經(jīng)得到了，關(guān)鍵是的計(jì)算。實(shí)際中，由于諧波等因素的影響，我們很難得到的準(zhǔn)

32、確值，因而利用(2-23)式很難進(jìn)行有功功率的測量。那我們選擇另一種方法。我們可以從有功功率的另一個(gè)定義式： (2-24)來進(jìn)行分析，即用電壓電流的瞬時(shí)值的乘積在一個(gè)周期內(nèi)的積分來計(jì)算。將(2-24)式離散化處理得到有功功率的計(jì)算公式： (2-25)知道了視在功率和有功功率，我們利用公式： (2-26)式中：無功功率，var 有功功率，w計(jì)算得到。從而功率因數(shù)我們可以根據(jù)式(2-23)和式(2-26)得到：cos= (2-27) (3)頻率的計(jì)算眾所周知，由于系統(tǒng)采用整周期的均方根算法計(jì)算被測量的有效值，如果用于計(jì)算的采樣數(shù)據(jù)不是整周期采樣得到的，或者不是整周期的倍數(shù)時(shí)，那么測量值便會產(chǎn)生很大

33、的誤差。對于使用采樣數(shù)據(jù)來進(jìn)行fft運(yùn)算更是如此，由于fft隱含著周期性因素，如果沒有精確地測頻，也會導(dǎo)致測量出現(xiàn)很大的誤差。因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)很關(guān)鍵的部分便是如何得到待測信號的實(shí)時(shí)頻率。根據(jù)我們使用的單片機(jī)的硬件資源，本設(shè)計(jì)中，我們采用定時(shí)器捕獲的方式來實(shí)時(shí)得到頻率的數(shù)值。msp430f149單片機(jī)集成了具有脈沖捕獲/比較功能的定時(shí)器，通過設(shè)置定時(shí)器的相關(guān)寄存器，我們可以讓單片機(jī)工作在上升沿捕獲狀態(tài)。每當(dāng)外部倍頻后的方波信號的上升沿過來時(shí)，都會觸發(fā)定時(shí)器中斷，在定時(shí)器中斷中，我們記下捕獲時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，當(dāng)下一次捕獲時(shí)，記下新一次的捕獲值，兩次值相減便可以得到脈沖的周期長度。如此循環(huán)12

34、8次，128次得差值都保存在一個(gè)數(shù)組diff_array128中?？紤]到計(jì)數(shù)器剛開始計(jì)數(shù)時(shí)信號不一定從零點(diǎn)開始，我們舍棄前16次的值，從第17次開始，這樣就能計(jì)算出112個(gè)脈沖周期，接著計(jì)算出平均脈沖周期，該平均周期便是所測交流信號的周期，進(jìn)而可以得出其頻率。用公式表示為： (2-28)式中：系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 待測電網(wǎng)頻率(4)公用電網(wǎng)諧波為了定量表示電力系統(tǒng)正弦波形的畸變程度，gbt 14549-1993中定義了一些波形畸變的指標(biāo)。它們是由各次諧波含量及諧波總量大小決定的。諧波含有率(hr)：k次諧波分量的有效值或幅值與基波分量的有效值或幅值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，第k次諧波電壓含有率表示為： (2

35、-33)式中：除基波外的各次諧波幅值 基波幅值總的諧波畸變率(thd): 諧波總量的有效值與基波分量的有效值之比，用百分?jǐn)?shù)表示。電壓諧波總畸變量定義為： (2-34)式中：諧波電壓總量，利用上式，可以方便實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波參量的計(jì)算。(5)電壓波動(dòng)電壓波動(dòng)是指一系列電壓變動(dòng)或工頻電壓包絡(luò)線的周期性變化。電壓波動(dòng)值為電壓均方根值的兩個(gè)極值和之差，通常以其額定電壓的百分?jǐn)?shù)來表示其相對百分值，即： (2-35)第3章 裝置硬件設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和采集到的數(shù)據(jù)的可靠性等問題。因此，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)須遵循一定的原則：測量諧波時(shí)，為了使原始信號不產(chǎn)生畸變，電壓互感

36、器和電流互感器的頻率響應(yīng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸?；考慮到系統(tǒng)要采集處理大量的數(shù)據(jù)，cpu的選擇要充分考慮到它的快速性；采集終端需要響應(yīng)數(shù)據(jù)采集中斷等。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)需要具備良好的中斷異步響應(yīng)能力。此外，微控制器芯片應(yīng)選擇低功耗和具有豐富集成外設(shè)功能的，電路設(shè)計(jì)上也應(yīng)本著低功耗和精簡可靠性，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性。本裝置硬件設(shè)計(jì)主要有單片機(jī)主控制模塊，電源模塊、信號采集模塊和液晶顯示模塊等部分組成。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見圖3-1。電流傳感器信號輸入電壓傳感器信號輸入顯示模塊主控制器模塊信號采集處理模塊信號采集處理模塊電源模塊按鍵模塊 圖3-1 系統(tǒng)整體框圖3.1 單片機(jī)主

37、控制模塊目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中cpu(central proeessing unit)的選擇一般采用單片機(jī)或數(shù)字信號處理器(digital signal proeessor，dsp)來控制a/d采樣電路、存儲電路以及各種傳輸接口電路。其中，單片機(jī)的低硬件成本使得其在各種控制系統(tǒng)中迅速廣泛應(yīng)用，然而它的時(shí)鐘頻率不高，運(yùn)算速度較慢，難以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對速度的要求。而采用dsp的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算，但dsp的價(jià)格相對比較昂貴，開發(fā)技術(shù)難度也大。所以，本課題設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用了一款功能強(qiáng)大的混合信號編譯器，即msp430f149。3.1.1 msp430f149單片機(jī)簡介m

38、sp430系列單片機(jī)是美國德州儀器(ti)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗單片機(jī)，它是由msp430單片機(jī)的cpu和針對不同應(yīng)用而提供的外圍模塊組成的。本課題選用的msp430系列單片機(jī)之一msp430f149作為采集系統(tǒng)的主控芯片除具有低功耗優(yōu)點(diǎn)外，主要有以下優(yōu)勢： (1) 強(qiáng)大的處理能力msp430系列單片機(jī)具有高效16位risc內(nèi)核、27條指令、絕大多數(shù)指令可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。當(dāng)msp430單片機(jī)工作在8 mhz晶振時(shí)，指令速度可達(dá)8 mips，此外，msp430f149還具有16位硬件乘法器，大大增加了數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力。(2) 高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊(3)

39、由于ti公司在高性能模擬器件方面有技術(shù)優(yōu)勢，并將其運(yùn)用在msp430 系列單片機(jī)上，使得其外圍模塊非常豐富。sp430f149有自帶采樣保持功能的高速12位adc12模塊，為數(shù)據(jù)采集提供了可靠保障；集成的看門狗定時(shí)器可以讓單片機(jī)在出現(xiàn)死機(jī)的情況下能夠自動(dòng)重啟，提高了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性；通用串行通信模塊的支持同步模式和異步模式，方便了與pc機(jī)得通信。(4) 方便靈活的開發(fā)環(huán)境msp430f149采用flash型存儲器，可多次編程，其集成的片內(nèi)jtag調(diào)試接口可以實(shí)現(xiàn)在線編程和調(diào)試。開發(fā)時(shí)僅需pc機(jī)和jtag調(diào)試器，專門的軟件開發(fā)工具 iar workbench和可選的開發(fā)語言匯編語言或c語言方便了系

40、統(tǒng)的軟件開發(fā)。 為了數(shù)據(jù)的便于處理，需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。本系統(tǒng)的a/d轉(zhuǎn)換采用的是msp430f149內(nèi)嵌的adc12，其主要特點(diǎn)有：(1)采樣速度高達(dá)200 kbit/s。 (2)12位轉(zhuǎn)換精度，1位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差。 (3)內(nèi)置采樣與保持電路。 (4)配置有8路外部通道與4路內(nèi)部通道；具有16個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲寄存器。adc12的特點(diǎn)決定其完全能達(dá)到系統(tǒng)的快速性和可靠性的要求，同時(shí)它也簡化了電路。msp430f149單片機(jī)引腳圖如圖3-2所示。圖3-2 msp430f149引腳分布圖msp430f149內(nèi)部的adc12單元共有12個(gè)轉(zhuǎn)換通道(其中8路外部通道與4路內(nèi)

41、部通道)，通過a0a7實(shí)現(xiàn)外部8路模擬信號的輸入，設(shè)有16個(gè)轉(zhuǎn)換存儲器adc12mem 用于存儲和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。內(nèi)部 adc12單元與外部的ad芯片相比，它不用端口之間進(jìn)行長距離的傳輸，而只是內(nèi)部寄存器的讀取，具有傳輸速度快和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但同樣由于芯片的高度集成，相鄰引腳間的干擾和波動(dòng)比較大。3.1.2 msp430f149引腳分布及工作方式(1)msp430f149引腳分布見附錄a(2)(2)msp430f149工作方式(硬件控制和軟件控制)通過對不同模塊操作模式和cpu狀態(tài)的智能管理，msp430f149芯片的工作方式可以滿足多種超低電壓和超低功耗的需求，即使在中斷處理期間也一樣。一個(gè)

42、中斷事件可以把系統(tǒng)從各種低功耗方式喚醒并且通過reti指令回到中斷以前的工作狀態(tài)。系統(tǒng)使用的時(shí)鐘信號有aclk和mclk。aclk就是晶振的頻率信號，smclk和是aclk的倍頻信號，作為系統(tǒng)和子系統(tǒng)時(shí)鐘。下面是芯片支持的6種工作方式：(1)活動(dòng)方式(am)：cpu和不同組合的外圍模塊被激活，處于活動(dòng)狀態(tài)。(2)低功耗方式0(lpm0)：cpu停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，aclk和smclk有效，mclk 的環(huán)路控制有效。(3)低功耗方式1(lpm1)：cpu停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，aclk和smclk有效，mclk 的環(huán)路控制無效。(4)低功耗方式2(lpm2)：cpu停止工作，外圍模塊

43、繼續(xù)工作，aclk有效，aclk和smclk 的環(huán)路控制無效。(5)低功耗方式3(lpm3)：cpu停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，aclk有效，aclk和smclk 的環(huán)路控制無效，并且數(shù)子控制振蕩器(dco)的dc發(fā)生器被關(guān)閉。(6)低功耗方式4(lpm4)：cpu停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作(如果提供外部時(shí)鐘)，aclk信號被禁止(晶體振蕩器停止工作)，mclk和smclk 的環(huán)路控制無效，并且數(shù)子控制振蕩器(dco)的dc發(fā)生器被關(guān)閉。通過軟件對內(nèi)部時(shí)鐘的不同設(shè)置，可以控制芯片處于不同工作方式。整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)提供豐富的軟硬件組合方式，已達(dá)到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的系統(tǒng)性能。具體有：(1)使用內(nèi)部

44、時(shí)鐘發(fā)生器(doc)無需任何器件。(2)選擇外結(jié)晶體或陶瓷振蕩器，可以獲得最低頻率和功耗。(3)采用外部時(shí)鐘信號。(4)狀態(tài)寄存器sr中共有四個(gè)用于控制cpu和系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的控制位，可以影響時(shí)鐘系統(tǒng)的操作方式，控制各種低功耗方式快速裝換。它們是：scg1、scg0、oscff、和cpuoff。如圖3-3所示。 圖3-3 系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的控制位 終上所述msp430f149單片機(jī)既滿足本設(shè)計(jì)響應(yīng)快速，高精度的設(shè)計(jì)要求，又做到了低電壓低功耗。很適合做本設(shè)計(jì)的控制處理中樞。3.2 電源模塊3.2.1 交直轉(zhuǎn)換模塊電源模塊為整個(gè)諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供必不可少的能量，是系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)，電源電路的設(shè)計(jì)直接

45、影響著系統(tǒng)的性能，所以電源的穩(wěn)定性和正確性十分關(guān)鍵。系統(tǒng)電源取于220 v市電，經(jīng)變壓器后輸出的16 v交流電經(jīng)全橋(db107s)整流濾波得到比較平滑的±12v直流電壓,后經(jīng)過tps73801得到±5v，在經(jīng)過lm1117-3.3得到3.3v直流電，滿足系統(tǒng)用電需求。各轉(zhuǎn)換模塊如圖3-4、3-5、3-6所示。圖3-4 市電220v轉(zhuǎn)12v直流圖3-5 12v直流轉(zhuǎn)±5v直流圖3-6 5v轉(zhuǎn)3.3v3.2.2 退耦電路所謂退耦，既防止前后電路網(wǎng)絡(luò)電流大小變化時(shí)，在供電電路中所形成的電流沖動(dòng)對網(wǎng)絡(luò)的正常工作產(chǎn)生影響。換言之，退耦電路能夠有效的消除電路網(wǎng)絡(luò)之間的寄生耦

46、合。退耦濾波電容的取值通常為47200f，退耦壓差越大時(shí)，電容的取值應(yīng)越大。所謂退耦壓差指前后電路網(wǎng)絡(luò)工作電壓之差。 如圖3-7為典型的rc退耦電路，r起到降壓作用。圖3-7 退耦電路大家看到圖中，在一個(gè)大容量的電解電容c1旁邊又并聯(lián)了一個(gè)容量很小的無極性電容c2。原因很簡單，因?yàn)樵诟哳l情況下工作的電解電容與小容量電容相比，無論在介質(zhì)損耗還是寄生電感等方面都有顯著的差別（由于電解電容的接觸電阻和等效電感的影響，當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時(shí)，電解電容相當(dāng)于一個(gè)電感線圈，不再起電容作用。在不少典型電路，如電源退耦電路，自動(dòng)增益控制電路及各種誤差控制電路中，均采用了大容量電解電容旁邊并聯(lián)一只小電容的電路

47、結(jié)構(gòu)，這樣大容量電解電容肩負(fù)著低頻交變信號的退耦，濾波，平滑之作用；而小容量電容則以自身固有之優(yōu)勢，消除電路網(wǎng)絡(luò)中的中，高頻寄生耦合。在這些電路中的這一大一小的電容均稱之為退耦電容。還有些電路存在一些設(shè)置直流工作點(diǎn)的電阻，為消除其對于交流信號的耦合或反饋?zhàn)饔镁托枰谄渖喜⒙?lián)適當(dāng)?shù)碾娙輥頊p少對交流信號的阻抗。這些電容均起到退耦作用稱之為退耦電容。 圖3-8 退耦電路耦合指信號由第一級向第二級傳遞的過程，一般不加注明時(shí)往往是指交流耦合。退耦是指對電源采取進(jìn)一步的濾波措施，去除兩級間信號通過電源互相干擾的影響。耦合常數(shù)是指耦合電容值與第二級輸入阻抗值乘積對應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。退耦有三個(gè)目的：(1)將電源中

48、的高頻紋波去除，將多級放大器的高頻信號通過電源相互串?dāng)_的通路切斷。(2)大信號工作時(shí)，電路對電源需求加大，引起電源波動(dòng)，通過退耦降低大信號時(shí)電源波動(dòng)對輸入級/高電壓增益級的影響。(3)形成懸浮地或是懸浮電源，在復(fù)雜的系統(tǒng)中完成各部分地線或是電源的協(xié)調(diào)匹配。3.3 信號采集模塊諧波數(shù)據(jù)采集是諧波特征分析的基礎(chǔ)，采集數(shù)據(jù)的精確度直接影響著諧波分析結(jié)果，諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為諧波分析的載體，其良好的性能設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。硬件設(shè)計(jì)電路的合理性決定著系統(tǒng)工作時(shí)的高精度和穩(wěn)定性。高效、穩(wěn)定和安全的軟件設(shè)計(jì)也直接影響著采集系統(tǒng)的性能。3.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介作

49、為獲取信息的一種重要手段，數(shù)據(jù)采集(data acquisition，daq)是指利用傳感器對現(xiàn)實(shí)世界中的物理信號，如壓力、溫度、流量等模擬量(模擬信號) 進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(數(shù)字信號) 后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存儲、顯示或打印的過程。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備，通常稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(data acquisition system，das)。歸納其主要任務(wù)為：a/d轉(zhuǎn)換，即將采集終端中傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以方便計(jì)算機(jī)識別處理；計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)字信號根據(jù)不同的需要進(jìn)行計(jì)算處理，或進(jìn)一步將處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和打印，來方便實(shí)現(xiàn)對有用物理量的控制和監(jiān)視。 按照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通

50、信方式可以將采集系統(tǒng)分為兩大類，即內(nèi)置式和外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線與計(jì)算機(jī)通信，常被做成板卡的形式安裝在計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部插槽上，因此容易受到諸如插槽數(shù)量、中斷資源、不易擴(kuò)展和不支持熱插拔等限制；外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)的外部接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，常見的外部接口有rs-232(recommended standard 232)、usb(universal serial bus)等。與內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比具有可靠性高、成本低、易擴(kuò)展、支持熱插拔、使用方便和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。3.3.2 信號采集電路總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和外圍模塊包括：模擬轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理電路、過零

51、檢測電路。結(jié)構(gòu)圖如圖3-9所示。 過零比較器電壓信號調(diào)理模塊ptmsp430f149ct電流信號調(diào)理模塊圖3-9 采樣電路結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)須遵循一定的原則：測量諧波時(shí)，為了使原始信號不產(chǎn)生畸變，電壓互感器和電流互感器的頻率響應(yīng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸?；考慮到系統(tǒng)要采集處理大量的數(shù)據(jù)，cpu的選擇要充分考慮到它的快速性；采集終端需要響應(yīng)數(shù)據(jù)采集中斷和數(shù)據(jù)通信中斷等，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)需要具備良好的中斷異步響應(yīng)能力；此外，微控制器芯片應(yīng)選擇低功耗和具有豐富集成外設(shè)功能的，電路設(shè)計(jì)上也應(yīng)本著低功耗和精簡可靠性，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性。3.3.3 過零檢測電路設(shè)計(jì)考慮周期信號的

52、諧波分析中常用的采樣方法，同步采樣法分析簡單易于操作但是難于實(shí)現(xiàn)；準(zhǔn)同步采樣法計(jì)算諧波參數(shù)簡單但實(shí)時(shí)性差；非整周期采樣法雖然實(shí)時(shí)性好，但需要對其誤差深入討論。本課題對軟件同步采樣法進(jìn)行改進(jìn)，利用硬件過零檢測電路產(chǎn)生采集中斷信號輔助軟件周期采樣，大大降低了采樣同步偏差。如圖3-10為硬件過零中斷電路。圖3-10 硬件過零中斷電路 此電路原理為過零比較器，其閥值電壓等于零。比較器的輸入信號是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號是數(shù)字量1和0，因此可以為采樣電路提供硬件中斷。處于開環(huán)狀態(tài)的集成運(yùn)放是一種簡單的過零比較器，如上圖。上圖中集成運(yùn)放tl062工作在非線性狀態(tài)，因此當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。其中是集成運(yùn)放的最

53、大輸出電壓。簡單過零比較器電路圖、傳輸特性、輸出特性如圖3-11所示。圖3-11 簡單過零比較器電路連接、傳輸特性、輸出特性3.3.4 模擬信號采集電路模擬量信號的采集和a/d轉(zhuǎn)換共同組成了模擬量輸入模塊；其中模擬量信號采集又由隔離電路和信號調(diào)理電路構(gòu)成。采集到的交流電壓和交流電流經(jīng)過隔離電路和信號調(diào)理電路后進(jìn)入msp430f149的a/d通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)定的adc輸入信號為03.3 v 的單極性信號，因此由互感器轉(zhuǎn)化來的雙極性信號在送入adc前應(yīng)進(jìn)行信號的抬升工作，另外，為了提高有效信息的分辨率還需要對信號進(jìn)行一定的放大，這就需要在互感器和adc間設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路以滿足對信號