基于ad55的功率計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在測量和計(jì)算當(dāng)前的機(jī)械電度表體積大、精度低的情況下，需要派專業(yè)人員復(fù)制表，工作量大，不利于集中管理?，F(xiàn)在，廣泛采用的傳輸采樣方法是高精度的，測量精度，便于計(jì)算機(jī)集中管理。為了確保測量精度，應(yīng)確保采樣時(shí)間正確，每個(gè)采樣周期采集足夠的數(shù)據(jù)，這對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度和陣列處理速度有高要求。為了獲得功率值，需要計(jì)算大量的值。編程過程中存在許多問題。在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種簡單有效的測量方法。輸出和電源輸出的功率計(jì)算公式。輸出和電源輸出的頻率信號可以與獨(dú)立計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，以獲得功率值。1瞬時(shí)功率信號電流—AD7755芯片的工作原理AD7755是美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的一種高準(zhǔn)確度電能測量集成電路.它的內(nèi)部只有模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和基準(zhǔn)電源是用模擬電路,其它的信號處理都使用數(shù)字電路,這使得AD7755在惡劣的環(huán)境下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長期的穩(wěn)定性,具有優(yōu)良的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性,其技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確度要求,能適應(yīng)各種環(huán)境要求,為電能表的質(zhì)量提供了保證.AD7755的輸入為電流和電壓信號,輸出為與有功功率成正比頻率信號,其內(nèi)部組成主要由可編程放大器、電源監(jiān)控電路、基準(zhǔn)電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)、相位校正網(wǎng)絡(luò)、乘法器、高通濾波(HPF)、低通濾波(LPF)、數(shù)字—頻率轉(zhuǎn)換器等組成.其內(nèi)部原理框圖如圖1所示.圖中,由V1P,V1N組成的電流通道輸入電流信號,由V2P和V2N組成的電壓通道輸入電壓信號,其中電流通道經(jīng)過可變增益放大器PGA,用戶可方便地根據(jù)需要調(diào)整增益為1,2,8或16.兩信號進(jìn)入模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,這兩個(gè)ADC都是16為二階∑—Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其過采樣速率達(dá)900kHz.由于電流互感器中可能有直流信號,需經(jīng)高通濾波濾去直流成分后送乘法器,與ADC送來的電壓信號相乘得瞬時(shí)功率信號.設(shè)輸入的電流信號為i(t)=Icosωt;輸入的電壓信號為V(t)=Vcosωt;則瞬時(shí)功率為p(t)=VI[1+cos2ωt]/2.(1)對式(1)瞬時(shí)功率進(jìn)行低通濾波,低通濾波讓直流分量通過,濾去交流分量即可得到瞬時(shí)有功功率.在工業(yè)現(xiàn)場,電流和電壓信號經(jīng)常存在不同相的情況,電流信號滯后電壓信號Φ,相移功率因數(shù)為cosΦ,若電流信號和電壓信號都是正弦信號,則瞬時(shí)功率信號中的有功功率分量為VIcosΦ/2,圖2為用瞬時(shí)功率信號的直流分量表示有功功率.對于非正弦電壓和電流,瞬時(shí)電壓和電流可用富里葉變換表達(dá)成它們諧波分量之和:V(t)=V0+2√∑h≠0∞Vhsin(hωt+αh)(2)2∑h≠0∞Vhsin(hωt+αh)(2)式中V(t)為瞬時(shí)電壓;V0為電壓平均值;Vh為h次電壓諧波有效值;αh為h次電壓諧波的相位角.i(t)=I0+2√∑h≠0∞Ihsin(hωt+αh)(3)i(t)=Ι0+2∑h≠0∞Ιhsin(hωt+αh)(3)式中i(t)為瞬時(shí)電流;I0為電流的直流分量;Ih為h次電流諧波分量;βh為h次電流諧波的相位角.利用式(2),式(3),有功功率P可以用它們的基波有功功率P1和諧波有功功率PH之和表達(dá).P=P1+PH式中P1=V1I1cosΦ1,Φ1=α1-β1;PH=∑h≠0∞ΡΗ=∑h≠0∞VhIhcosΦh,Φh=αh-βh.所以由電壓和電流波形提供的各次諧波都產(chǎn)生有功功率分量.從以上的分析可看出,在正弦波情況下功率因數(shù)的計(jì)算都是精確的,而諧波的功率因數(shù)是由一系列的正弦波組成的,因此諧波的功率因數(shù)和有功功率的計(jì)算也是正確的.AD7755的輸出頻率就是對上述有功功率信息累計(jì)產(chǎn)生的,即在兩個(gè)輸出脈沖之間經(jīng)過長時(shí)間的累加,因此輸出頻率正比于有功功率,我們把輸出頻率脈沖進(jìn)一步累加,就能獲得電能計(jì)量信息.2數(shù)據(jù)及功率計(jì)量部分已與數(shù)據(jù)融合方案設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖3所示.整個(gè)設(shè)計(jì)可分為功率計(jì)量和數(shù)據(jù)處理兩部分,功率計(jì)量部分實(shí)現(xiàn)對電流和電壓信號的采樣,產(chǎn)生功率脈沖的功能.數(shù)據(jù)處理部分完成功率脈沖積算以及系統(tǒng)各模塊之間的協(xié)調(diào)訪問等功能.2.1高效輸出電路功率計(jì)量部分主要包括AD7755、分流器、分壓器、基本電壓源、保護(hù)電路、光電耦合輸出電路.設(shè)計(jì)輸出選擇AD7755高頻引腳CF,光電耦合器隔離輸出,其輸出頻率為瞬時(shí)功率的大小,設(shè)置SCF=0,S1=1,S0=1,則F1-4=13.6Hz,此時(shí)CF的最高輸出頻率為2048F1,F2=5570Hz,其脈寬都固定為18μs.2.2u30003s-4-4s-ubnib-ubnib-ubib-ubib-ubnib-ubib-ubnib-ubib-ubib-ubib-ubnib-ubnib-ubnib-ubib-ubnib-ubnib-ubib-ubnib-ubnib-ubnib-ubib-ubnib-ubib-ubcibsd-采集此部分由8253、單片機(jī)和LCD顯示電路組成.芯片8253內(nèi)部有3個(gè)獨(dú)立16位計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)頻率達(dá)2MHz,而AD7755在輸入滿度交流信號的情況下,CF的最高輸出頻率為5.57kHz,完全可滿足AD7755的計(jì)數(shù)要求,可通過單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)多路測量.內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定積分時(shí)間內(nèi)對CF輸出的脈沖計(jì)數(shù),平均功率正比于平均頻率:平均功率=脈沖個(gè)數(shù)/積分時(shí)間.一個(gè)周期內(nèi)消耗的電能為:電能=平均功率×積分時(shí)間=脈沖個(gè)數(shù).對于單相電的測量可利用圖3實(shí)現(xiàn),本文重點(diǎn)分析三相交流電的測量.三相交流電有三相三線制和三相四線制,三相三線制一般iA+iB+ic=0,其三相有功功率為P=uANiA+uBNiB+uCNiC=uANiA+uBNiB-uCN(iA+iB)=uACiA+uBCiB(4)三相四線制其三相有功功率之和為P=uANiA+uBNiB+uCNiC(5)由式(4),式(5)可知,三相三線制功率輸入信號為線電壓和相電流,三相四線制為相電壓和相電流,我們可在測量原理圖的基礎(chǔ)上用圖4對三相有功功率進(jìn)行測量:三線四線制時(shí),直接取3個(gè)相電壓和3個(gè)相電流分送3個(gè)AD7755,AD7755輸出脈沖送8253,由它的3個(gè)獨(dú)立計(jì)數(shù)器計(jì)量功率脈沖.三相三線制只需接2個(gè)AD7755,另一個(gè)AD7755沒有脈沖輸出,對應(yīng)計(jì)數(shù)器值為零.3系統(tǒng)主程序框圖整個(gè)系統(tǒng)主要包括主程序,系統(tǒng)初始化、電量脈沖計(jì)算、電量轉(zhuǎn)化、LCD顯示、數(shù)據(jù)保存等功能子程序,通過主程序直接或通過中斷的方式調(diào)用子程序,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能.主程序框圖如圖5所示.4負(fù)載模擬系統(tǒng)的選擇1)在某些特殊場合的使用過程中,有時(shí)會出現(xiàn)AD7755的CF和F1/F2兩個(gè)輸出有不同步現(xiàn)象,這是由于在負(fù)載電流小于國際標(biāo)準(zhǔn)IEC1036和國家標(biāo)準(zhǔn)GBN7215規(guī)定的啟動電流時(shí)(AD7755的啟動電流要小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的啟動電流),AD7755的CF端的工作方式和F1/F2端的工作不完全相同,F1/F2端可能會處于工作和不工作之間,導(dǎo)致兩端口輸出不完全一致,按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,負(fù)載電流小于啟動電流,電能表可以不作計(jì)量,因此雖然不同步但輸出結(jié)果都符合國家標(biāo)準(zhǔn).2)為了使電源的紋波和噪聲減小到最低程度,DVDD(數(shù)字電源引腳)、AVDD(模擬電源引腳)REFIN/OUT(基準(zhǔn)電壓輸入輸出引腳)都應(yīng)使用10μF電容并聯(lián)100nF瓷介電容進(jìn)行去耦.3)CF的輸出即使在穩(wěn)定負(fù)載條件下仍然隨時(shí)間變化,這種變化是由于瞬時(shí)有功功率信號中的cos2ωt引起的.CF以高頻輸出時(shí),對瞬時(shí)有功功率進(jìn)行累加完成頻率轉(zhuǎn)換的過程,累加時(shí)間較短,減弱了對cos2ωt的平均作用,部分瞬時(shí)功率信號成分通過了數(shù)字—頻率轉(zhuǎn)換器,解決辦法是CF的輸出頻率還應(yīng)該用頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)一步平均,消除紋波.CF用于帶微處理器的計(jì)量場合,也應(yīng)平均后再計(jì)算功率.4)AD7755是對ES