基于單片機的雙鉗相位伏安表校準裝置的設計

廣東省計量科學研究院　曹　欣　吳海益　石劭毅

一、緒論

數(shù)字式雙鉗相位伏安表是一種常見的為現(xiàn)場測量各相交流電壓、交流電流及各相間相位而設計的便攜式、雙通道輸入測量設備，是各行各業(yè)對電力系統(tǒng)進行測量的理想設備，廣泛應在工業(yè)生產(chǎn)以及科研院所等領域，目前國內(nèi)市場上沒有專用的數(shù)字式雙鉗相位伏安表全參數(shù)的校準裝置。各省級、地市級計量技術機構(gòu)絕大部分采用三相標準源作為標準器具校準數(shù)字式雙鉗相位伏安表。但是，國內(nèi)生產(chǎn)的三相標準源只能進行同相間電壓對電流的相位調(diào)整，不能進行兩相間電壓對電壓（如UA對UB）和電流對電流（如IA對IB）相位的調(diào)整，即無法完成不同相間電壓對電壓相位或者電流對電流相位的校準及溯源，且目前國內(nèi)外生產(chǎn)的各類三相標準源價格高體積大，不利于攜帶進行現(xiàn)場校準。本文提出一種高精度雙鉗相位伏安表校準裝置的設計方案，既解決了上述問題還具有準確度高、價格低、操作簡單以及攜帶方便等優(yōu)點。

二、電路設計

1.系統(tǒng)整體規(guī)劃方案

設計中采用五個部分完成系統(tǒng)的設計，其中包含了各測量參數(shù)量程的自動轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示裝置以及與PC機外部通信部分。如圖1所示：

圖1　裝置的總體設計方案結(jié)構(gòu)圖

2.電壓測量電路的設計

本設計高精度雙鉗相位伏安表校準裝置的交流電壓測量電路由AC-DC變換器、分壓電路以及數(shù)字電壓表頭三個部分組成。其中分壓器電路的作用是擴展數(shù)字表頭電壓測量的范圍，其原理如圖2所示。U0表示數(shù)字電壓表頭可輸入的最大電壓值，假設r為數(shù)字電壓表頭的內(nèi)阻，r1、r2為分壓電路中的分壓電阻，Ui0為增加分壓器后數(shù)字電壓表頭可輸入的最大電壓值。

由于r >> r2，則分壓比：

可以得出增加分壓器電路后數(shù)字電壓表頭可輸入的最大電壓值：

本設計針對各量程加入合適的分壓電阻后其分壓器電路如圖3所示，該電路可以測量的最大交流電壓值為600V。交流電壓測量電路的另一組成部分AC-DC變換器用于將AC信號轉(zhuǎn)變?yōu)镈C信號其原理圖如圖4所示。在實際應用過程中AC-DC變換器通常使用在分壓器電路之后。

本設計高精度雙鉗相位伏安表校準裝置采用的AC-DC變換器主要由運算放大器、二極管以及濾波器三大模塊構(gòu)成，電路中還包含一個電壓輸出可調(diào)的電位器，用于在出現(xiàn)較大誤差時對ACV進行調(diào)校。

圖2　分壓電路原理

圖3　本設計分壓器原理

圖4　AC-DC變換器原理

3.相位測量電路的設計

本校準裝置的設計中最主要的部分就是相位測量，本節(jié)將主要完成相位測量電路的設計，相位測量電路的設計主要包括整形電路以及鑒相電路的設計。

整形電路的主要原理是通過過零比較的方式，將兩路被測信號轉(zhuǎn)換成矩形信號，然后將整形后的信號通過鑒相器進行下一步的鑒相工作。為了避免兩路信號在測量轉(zhuǎn)換的過程中出現(xiàn)相移的現(xiàn)象，在本裝置設計的過程中，在兩路信號中使用了相同的整形電路。因此，雖然兩路信號在轉(zhuǎn)換的過程中都出現(xiàn)了位移的現(xiàn)象，但是由于兩路信號整形電路相同，所以兩路信號的相對相位差保持不變。本設計相位測量電路如圖5所示：

圖5　相位測量電路的設計

假設進行相位測量的兩路輸入信號中其中一路為Ua，另一路為Ub，經(jīng)過整形電路后的信號分別為Uc以及Ud，經(jīng)過三極管整形后的信號為Ue、Uf，此時信號只有0或1，信號Ue、Uf將作為JK觸發(fā)器的時鐘信號，信號通過JK觸發(fā)器后輸出信號為Ug、Uh，同時這兩個信號也是在電路中鑒相器的輸入信號，信號通過鑒相器后兩路信號的相位差由Ui表示，同時將信號取反后的信號由Uj表示。同時為了避免信號在過零時受到干擾的情況出現(xiàn)，如圖4完成相位檢測電路的設計中采用LM339芯片。LM339類似一個三極管，只是其集電極不接電阻，它在使用過程中輸出端一般連接一個阻值為（3-15k）的電阻，其作用是控制LM339輸出的大小。在本設計高精度雙鉗相位伏安表中，選取的上拉電阻值大小為10k。

4.穩(wěn)壓電路的設計

通過穩(wěn)壓電路的設計為系統(tǒng)提供5V直流電壓，主要為單片機以及串口、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等提供其正常工作的電壓。

圖6　穩(wěn)壓電路的設計原理圖

如圖6所示，組成該穩(wěn)壓電路的主要元器件為LM7805型穩(wěn)壓管，輸入端信號為12V的直流電壓，通過穩(wěn)壓電路能夠輸出穩(wěn)定的5V電路，而外部穩(wěn)壓電路可為繼電器正常工作提供電源。

5.晶振電路的設計

在單片機系統(tǒng)的實際運行過程中，實際上是一個復雜的時序電路，為了能夠保證單片機系統(tǒng)的正常運行，必須在電路中增加一個時鐘信號才行。本設計高精度雙鉗相位伏安表校準裝置晶振電路的設計如圖7所示：

圖7　單片機晶振電路的設計原理圖

三、結(jié)論

本文在簡要分析了雙鉗相位伏安表的校準現(xiàn)狀后簡要介紹了一種基于單片機的雙鉗相位伏安表校準裝置的設計方法，并分別從測量原理和電路設計兩個方面做出了簡要的介紹。該設計解決了雙鉗相位伏安表全參數(shù)的溯源問題和客戶現(xiàn)場計量的問題，具有較強的實用性。

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