摘要：工頻表采用具有集成度高、數(shù)字處理速度快,、功能強,、低功耗等優(yōu)點的凌陽16位單片機以數(shù)字形式對電壓有效值,、電流有效值、相位角進行顯示,。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SPCE061為核心,，對采集信號進行精確控制和嚴(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,，凌陽單片機還增加了適合于DSP的某些特殊指令；有些系列的單片機還嵌入了LCD控制／驅(qū)動和雙音多頻發(fā)生器功能,。這些都進一步擴大了單片機的應(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,，通過單片機對CC4051進行控制，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,、電流進行峰值保持功能,，用凌陽單片機的一個I／O接口就可以對保持器進行控制。進行測量時,，用單片機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,，單片機先對電壓信號進行轉(zhuǎn)換,，而此時電流信號被送到保持器進行保持，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)通后再進行整機調(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)生器進行模擬,，接上凌陽單片機SPCE061仿真器進行調(diào)試程序，對數(shù)據(jù)采集,、放大模塊的各輸入,、輸出信號進行測量計算，對數(shù)據(jù)信號頻率相位角模塊的相位角進行計算,，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SPCE061中進行整機調(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具有速度快,、價格低,、可靠性高、體積小,、實用,、功耗低等特點,。