電流表電壓表

電流表重要元件--分流器的制作2012年04月01日09:56

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作者：灰色天空

我要評論(0)分流器是根據直流電流通過電阻時在電阻兩端產生電壓的原理制成。分流器廣泛用于擴大儀表測量電流范圍，有固定式定值分流器和精密合金電阻器，均可用于通訊系統(tǒng)、電子整機、自動化控制的電源等回路作限流，均流取樣檢測。用于直流電流測量的分流器有插槽式和非插槽式。分流器有錳鎳銅合金電阻棒和銅帶，并鍍有鎳層。其額定壓降是60mV，但也可被用作75、100、120、150及300mV。插槽式分流器額定電流有以下幾種：5A,10A,15A,20A和25A非插槽式分流器的額定電流從30A到15kA標準間隔均有。分流器是測量直流電流用的;分流器實際就是一個阻值很小的電阻，當有直流電流通過時，產生壓降，供直流電流表顯示;直流電流表實際是電壓表，滿度值75mV;直流電流表和分流器是配套使用的;比如：100A電流表配套的分流器阻值為0.00075歐;即100A*0.00075歐=75mV;50A電流表配套的分流器阻值為0.0015歐;50A*0.0015歐=75mV。要測量一個很大的直流電流,例如幾十安培,甚至更大,幾百安培,我們沒有那么大量程的電流表進行電流的測量,怎么辦?這就要采用分流器.分流器是一個可以通過大電流的精確電阻,當電流流過分流器時,在它的兩端就會出現(xiàn)一個毫伏級的電壓,于是我們用毫伏電壓表來測量這個電壓,再將這個電壓換算成電流.就完成了大電流的測量.電流表有多種不同規(guī)格，但是實際表頭卻是標準的毫伏電壓表。比如是一種滿刻度為75mv的電壓表。那么用這塊電壓表測量比如20A的電流，就需要給它配一個在流過20A電流時候產生75mv電壓降的分流電阻，也稱75mv分流器。分流器就是一個能夠通過極大電流的電阻一般常用的15A或20A以及35A的電流表都需要分流器.分流器的阻抗=表頭標志滿度電壓/表頭滿度電流.比如20A的電流表的分流器阻值=75mv*10-3/20A=0.00375?,阻抗恒定后根據歐姆定律U=IR,電流與電壓成正比.電流為線形電壓也呈線形.所以我們就可以用一個滿度為75mv的電壓表顯示當前電流.因此,我們使用的電流表實際是一塊電壓表.交流大電流怎么測量呢?采用電流互感器,將大電流以一定變比變成5安培以下的小電流,于是用小量程交流電流表就可測量大電流了.只是測得的電流還要乘那個變比.就是一根短的導體，可以是各種金屬或合金的，也連接端子;其直流電阻是嚴格調好的;串接在直流電路里，直流電流過分流器，分流器兩端產生毫伏級直流電壓信號，使并接在該分流器兩端的計量表指針擺動，該讀數(shù)就是該直流電路里的電流值。所謂分流，即分一小的電流去推動表指示，該小電流(mA)與大回路里的電流(1A-幾十A)比例越小，電流表指示讀數(shù)的線性就越好，也更精確。這是電工電路的常用產品，防雷有分流措施基于C8051F310和芯片CS5460A的電壓電流表設計2010年11月18日10:01國外電子元器件作者：張家田付或嚴正用戶評論（0）關鍵字：C8051F310(3)0引言CS5460A是美國Crystal公司推出的一款用于測量電壓、電流、功率、能量的集成芯片，該芯片的主要特點是精度高、性能強、成本低且無需微控制器也可獨立運行，它是CS5460的增強版。C8051F310是美國SiliconLabs公司推出的一款具有8051內核的高性能單片機，它的運行速度為普通8051單片機的12倍，主要特點是高速率、低功耗、外圍器件少、可靠性高。所以，本文基于芯片CS5460A和單片機C8051F310設計了一種用于測量電壓電流值的電壓電流表。1系統(tǒng)電路設計1.1C8051F310簡介C8051F310是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片。它具有高速、流水線結構且與8051兼容的CIP-51內核，工作頻率可達25MIP-S，片內有全速、非侵入式系統(tǒng)調試接口。此外，此單片機還帶有模擬多路器、真正的10位、200ksps的25通道單端/差分ADC。其片內RAM為1280字節(jié)。C8051F310內含4個通用的16位定時器、高精度可編程的25MHz的內部振蕩器和可硬件實現(xiàn)的SMBus/C、增強型UART和增強型SPI串行接口等。1.2CS5460A簡介CS5460A是帶有串行接口的單相雙向功率/電能計量集成電路。此芯片具有測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、電壓有效值、電流有效值、功率有效值及電能計量的功能。CS5460A內部集成了兩個可同時采樣的△-∑模/數(shù)轉換器、高、低通數(shù)字濾波器、能量計算單元、雙向串行接口、數(shù)字/頻率轉換器、寄存器陣列和看門狗定時器等模擬、數(shù)字信號處理單元。其中雙向串行接口和寄存器陣列可以方便地與微處理器(MPU)相連接，從而實現(xiàn)電壓、電流、功率、電能的測量。1.3系統(tǒng)總體設計本電壓電流測量系統(tǒng)的總體框圖如圖l所示。該設計通過電壓互感器和電流互感器來對回路的電壓、電流信號進行采樣，并將得到的電壓、電流信號輸入到芯片CS5460A的電壓電流信號輸入端，兩路信號在芯片內部實現(xiàn)A/D轉換，并通過內部運算將電流、電壓等各種數(shù)據的結果存入指定的寄存器中。以等待單片機C8051F310通過芯片CS5460A的串行接口讀取，最后將其結果通過LED數(shù)碼管顯示出來。2接口電路設計2.1電壓電流信號輸入接口設計CS5460A的電壓通道可與阻容分壓器或互感器進行接口;電流通道則可與低功耗分流器或互感器接口。電流通道的可編程增益放大器(P-GA)的增益可設為10和50。分別對應于最大有效值為150mV和30mV的交流信號輸入;電壓通道的最大有效值輸入為150mV。由于芯片CS5460A的△-∑型M/D轉換器采用過采樣原理，對高頻噪聲有較強的抑制作用，因此，對輸入信號不需要進行復雜的濾波器處理。只需在互感器輸出端通過取樣電阻對與輸入交流信號對應的電流信號進行采樣。然后輸入到芯片CS5460A相應的電壓、電流輸入端即可。本設計選用2000：1的電流互感器和1：1的電壓互感器來作為采樣器件。其模擬信號輸入接口電路如圖2所示。系統(tǒng)中的微型電壓互感器采用GPT-206B型，輸出額定電流為2mA，實際使用的電壓范圍為0～400V。實際電壓為275V，取樣電阻R4為1lOkΩ，因而其實際電流為2.5mA，因為電壓互感器的匝數(shù)比為1：1。故其標準輸出時的實際端電流也是2.5mA，標準輸出時的實際端電壓由CS5460A的參考電壓決定，實際為150mV(芯片CS5460A的參考電壓為0～150mV)，故取樣電阻R7為150mV/2.5mA=60Ω。微型電流互感器采用GCT-207系列，額定輸出電流為2.5mA。實際使用中的電流范圍為0～1A，實際電流為500mA。因為電壓互感器的匝數(shù)比為2000：1，故其標準輸出時的實際端電流為500mA/2000=0.25mA，標準輸出時的實際端電壓則由CS5460A的參考電壓決定為150mV(芯片CS5460A的參考電壓為0～150mV)，因此，取樣電阻R1為150mV/0.25mA=600Ω。這樣，互感器輸出端的取樣電阻分別為60Ω/和600Ω的精密電阻。2.2CS5460A與單片機的通信接口設計CS5460A有四條串行接口線：、SDI、SDO和SCLK。其中為片選控制線，是允許訪問串口的控制線，低電平有效;SDI為串行數(shù)據輸入線，是用來把數(shù)據傳輸?shù)睫D換器的數(shù)據信號線;SDO為串行數(shù)據輸出線。用于從轉換器輸出數(shù)據信號，當為高電平時，SDO端呈高阻狀態(tài);SCLK為串行時鐘，用于控制CS5460A與微控制器之間數(shù)據傳輸?shù)耐?為外部復位接口，單片機可通過它來控制CS5460A的復位。CS5460A與單片機C8051F310的通信接口連接方式如圖3所示。3軟件設計本設計的軟件部分主要完成系統(tǒng)初始化、內部數(shù)據計算、數(shù)據顯示輸出等功能。圖4所示是其主程序流程圖和中斷服務程序流程圖。4測試結果在對本設計的電壓電流表進行試驗測量時，可用該電壓電流表測量8組不同值，然后與實際的電壓電流值進行比較，所得結果如表l所列。經過上述測量和比較可見，本文所設計的電壓電流表的精度可達0.5%，此精度足可以將該電表裝配在石油儀器儀表上從而滿足其監(jiān)測電壓電流值的使用要求。5結束語本文設計的基于單片機C8051F310和芯片CS5460A的電壓電流表主要用于儀器儀表的電流電壓監(jiān)測，目前已經在一些石油儀器上得到了應用。該表最突出的特點是體積小、操作簡單、性價比高、攜帶方便，因而受到許多研發(fā)設計部門的青睞，具有很好的市場前景。新型交流數(shù)字電壓表設計2009年11月13日09:40現(xiàn)代電子技術作者：閔祥娜,馬建建,魏海用戶評論（1）關鍵字：新型交流數(shù)字電壓表設計0引言

傳統(tǒng)的電壓表在測量電壓時需要手動切換量程，不僅不方便，而且要求不能超過該量程。如果在測量時忘記改變量程，則會出現(xiàn)很大的測量誤差，甚至有將電壓表燒壞的可能。

本文中采用運算放大器和集成多路模擬開關電路設計了電壓表量程自動切換技術，通過單片機檢測可實現(xiàn)電壓表量程的自動轉換。它具有體積小，驅動電流小，動作快，結構簡單，操作方便的優(yōu)點，可用于實驗教學中。

1技術要求

電壓測量范圍：0～500V；測量精度：0．5％；量程自動切換；采用LED顯示；可用現(xiàn)場提供的220V交流電源。

2基本原理

基本原理如圖1所示，信號經過衰減處理后通過采樣保持器采樣保持，由A／D轉換成數(shù)字信號，再由單片機控制和計算后將結果送LED顯示。量程的自動切換由單片機通過程序控制多路模擬開關來完成。由于要求采用現(xiàn)場的220V交流電源，所以本文設計了電源電路，將220V交流電轉換成電路可用的低壓直流電。3硬件系統(tǒng)設計

在硬件電路設計中多次采用了電容濾波來消除干擾信號，同時采用了跟隨器，跟隨器的輸入阻抗很大，可以解決信號傳輸中的衰減問題。又考慮到單片機的驅動能力很小，在設計中加入了7407用來驅動LED顯示。整個硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

(1)電壓信號衰減電路：將輸人的0～500V被測電壓信號衰減成0～5V。

(2)量程自動切換電路：完成信號量程選擇及其小數(shù)點位置選擇。

(3)采樣保持器：對模擬信號進行采樣并保持。

(4)模數(shù)轉換及控制電路：完成對采集的數(shù)據處理和對系統(tǒng)的控制。

(5)顯示器：由74LS164和數(shù)碼管組成，將測量的電壓信號顯示出來。

(6)整流電路：將交流電整流成直流電，作為電源給數(shù)字電壓表供電。3．1電壓信號衰減電路

電壓信號衰減電路如圖2所示。為了在輸入大電壓時不損壞電壓表內部器件先對電壓進行衰減，該設計中用阻抗進行1：100衰減，為防止衰減后信號電壓過小又通過運算放大電路以及多路開關CD4052進行信號放大，其中的5．1V穩(wěn)壓管起過壓保護作用。3．2量程自動切換電路

量程的自動切換由初設量程開始，直至選出最佳的量程為止。量程自動切換電路如圖3所示，控制開關的閉合和斷開都有一個短暫的過程，為解決這個問題系統(tǒng)中采用軟件延時，然后再進行測量與判斷。為了避免相鄰兩量程交叉點上可能出現(xiàn)的跳動，在程序中把低量程的上限比較值和高量程的下限比較值之間設計了一定的重疊范圍。該單元中運算放大器與多路模擬開關CD4052的其中一組開關執(zhí)行相應量程的選擇，另一組開關接LED的小數(shù)點，選擇不同量程時分別點亮相應LED的小數(shù)點位。CD4052的A、B以及INH分別接單片機P21，P20，P22。3．3采樣保持器

在測量交流電壓時，A／D轉換器的轉換誤差與信號的頻率成正比。為了提高模擬量輸入的頻率范圍，故選用采樣保持器。在此設計中采用LF398作采樣保持器，采樣保持器的原理結構圖如圖4所示，保持電容Cn取值和采樣頻率以及精度有關，常選510～1000pF。一般選用聚苯乙烯，聚四氟乙烯等高質量的電容器。3．4A／D轉換電路

A／D轉換器是將模擬信號轉換成數(shù)字信號的器件或裝置，是一種模擬系統(tǒng)和計算機之間的接口，在數(shù)據采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。常用的A／D轉換方式有逐次逼近式和雙斜積分式，考慮到前者轉換時間短，因此選用逐次逼近式A／D轉換器。AD574為12位逐次逼近式A／D轉換器，分辨率為1／212，轉換時間25μs。在本系統(tǒng)中的量程選用雙極性-5～+5V，與AT89C51的接口電路如圖5所示。AD574的12／8引腳接+5V，一次輸出12位轉換結果，3，5腳分別接至單片機控制總線的P3．1，P3．2，CE接單片機P3．0，狀態(tài)引腳(STATUS)接單片機的P1．7。AD574的12引腳和10引腳接兩個0．1kΩ的電位器，分別用于零點調整和滿刻度調整。AD574的數(shù)據輸出線與單片機數(shù)據總線的連接時，12位分別接單片機的P0．0～P0．7和P1．0～P1．3。3．5顯示電路

顯示電路如圖6所示，電路采用了簡單的軟件譯碼移位輸出的方法，串行數(shù)據經單片機的P3．6輸出至74LS164，四個74LS164將串行數(shù)據轉換成并行數(shù)據送數(shù)碼管字型口顯示，74LS164的時鐘信號由單片機的P3．7提供。數(shù)碼管選用共陰極型。3．6整流電路

數(shù)字電壓表的設計電路中用到了兩個直流電壓5V和12V，而設計要求采用現(xiàn)場提供的交流220V電源，因此需要經過整流電路把220V交流電源轉化為5V和12V直流電源。本系統(tǒng)中采用了單相橋式整流電路，如圖7所示，為了減小紋波以及消除高頻諧波電路中加入了電容濾波。

式中：△Tm為相鄰兩次采樣的時間間隔；um為第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N為一個周期的采樣點數(shù)。若相鄰兩采樣的時間間隔相等，即△Tm為常數(shù)△T，考慮到N=(T／△T)+1，則有：

根據式(2)可以由一個周期內各采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號的有效值。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，除了在硬件上采取相應的措施外，軟件上采用冗余計算法即重復重要的指令，以防止程序跳飛而死機。系統(tǒng)的程序流程圖如圖8所示。5結語

本文采用程控放大器實現(xiàn)量程的自動轉換。用AT89C51進行數(shù)據控制、處理，送到顯示器顯示，硬件結構簡單，軟件采用C語言實現(xiàn)，程序簡單可讀寫性強，效率高。與傳統(tǒng)的電路相比，具有方便操作、處理速度快、穩(wěn)定性高、性價比高的優(yōu)點，具有一定的使用價值。本設計在超量程時會顯示特定的值，即超量程顯示，如想更直觀的顯示，可加入聲光報警電路，在超量程操作時可進行聲光報警。LED變色燈泡電路圖2010年10月03日15