【摘 要】 介紹了非正弦周期電流電路的平均功率測量原理。設計了一套含有模數轉換器和單片機的硬件電路，并給出了軟件設計框圖。用匯編語言編制了相應的程序，在偉福（Wave）仿真器上進行了測試驗證。
現有的電功率測量儀表多數是針對工頻正弦波的，測量含有高次諧波的非正弦電路，誤差較大〔1〕。電路理論中定義的平均功率（即有功功率）：P＝UIcosθ已不能準確地表達電路負載實際消耗 的功率。有關功率的測量主要有，時分割乘法器方法〔2〕和利用單片機的數字測量方法〔3〕。本文介紹的非正弦波平均功率的測量方法不同于文獻〔3〕介紹的方法，它同樣可以較準確地測量出實際電路的平均功率。
2 測量原理
對于交直流變換電路，當輸入電流i（t）為非正弦周期波形時，電流中含有基波分量和相當多的高次諧波分量。對圖1的電流波形進行傅立葉分解可得下式：
因為只有相同頻率的電壓和電流才能產生平均功率，當輸入電壓僅含基波（50Hz）時，其有效值U＝U1（基波），因此，輸入平均功率除P1以外的P值均為0，即非正弦波周期電流電路的平均功率
基于上式，需要分別測得輸入電壓的有效值、輸入電流的基波（50Hz）有效值以及輸入電流基波與輸入電壓的相位差θ1，通過計算才能得到真正的平均功率。
3 系統(tǒng)硬件電路結構
硬件電路的總原理圖示于圖2。由于用電壓、電流互感器來獲取所需的兩個模擬信號，A／D的輸入通道地址選用了兩路?！ ?br/> 在A／D轉換時間內，最大信號變化幅度應小于A／D轉換器的量化誤差，當轉換時間越長，不影響轉換精度所允許的信號其最高頻率就越低，這將大大限制A／D轉換器的工作頻率范圍〔4〕。因此，在滿足轉換精度的條件下提高模擬信號允許的工作頻率，在A／D轉換器之前采用了采樣保持器LF398。LF398具有采樣速度高、保持電壓下降率低的特點。當外接保持電容選用0．01μF時，其輸出電壓下降率為3mV／s〔4〕。作為模數轉換器的ADC0809屬CMOS工藝逐次逼近型、可與微處理器兼容的8通路8位A／D轉換器。當模擬輸入電壓范圍為0～5V時，可使用單一的＋5V電源。本設計中將ADC0809的正參考端Ref（＋）與電源VCC一起接到了基準電壓5．12V上，Ref（－）接到了地端GND上，最低位可表示的輸入電壓值為于A／D轉換程序里先采樣電流后采樣電壓，若要采集同一時刻里的電流和電壓值，就要在電壓采樣通道里增設一個延時電路。從電壓、電流互感器得到的兩路信號要先轉換為±2．5V的交流電壓，再經50Hz帶通濾波和電平移位電路，保證A／D轉換器的輸入為0～5V的模擬電壓。開始轉換時，ADC0809的EOC端為低電平，轉換結束變?yōu)楦唠娖剑蓸颖３制鞯目刂贫嗽诟唠娖綍r采樣、低電平時保持，因此，將ADC0809的EOC作為LF398的控制端，ADC0809的控制信號來自單片機。
4 軟件設計
4．1 采樣次數N的確定
為使采樣到的離散信號可與原模擬信號一致，根據采樣定理，采樣頻率f應不小于信號頻率的5～10倍。在一個周期Ts內均勻采樣N個模擬量點，則采樣周期為。單片機80C51的振蕩頻率設為6MHz，則，ALE輸出是1MHz，二分頻后作為ADC0809的時鐘CLK（500kHz），一次轉換需要28μs〔4〕。由下面的程序可以看到，每次同時采樣兩路，需時約260μs，每路一個周期（20ms）里最多可采樣76．9個點?？紤]到采樣周期太短會對整體電路的速度要求較高、太長又會影響cosθ1的精度，兼顧這兩方面，在一個工頻周期里每隔5°采樣一次。N值設為72，則對兩路信號的采樣頻率是3．6kHz。
4．2 程序流程圖
程序流程圖如圖3所示。
4．3 A／D轉換主程序
由圖2可見，80C51的ALE作為ADC0809的時鐘CLK，A／D轉換器的啟動信號START和8路模擬輸入地址允許信號ALE由單片機的寫信號WR及地址譯碼輸出信號邏輯提供。ADC0809當作80C51的一個I／O擴展口，取P2．6低電平有效作為片選信號，則IN0～IN1這2個地址通道號分別為BFF8H和BFF9H。因本設計中有兩路輸入，所以，B和C接地。每執(zhí)行一條輸出指令，選通一個通道啟動一次A／D轉換。單片機啟動A／D轉換后，延時等待128μs，再到ADC0809中讀取轉換結果。轉換程序如下：
MOVX＠DPTR，A；啟動IN1輸入
ACALLWAIT；轉延時子程序
MOVXA，＠DPTR；讀入電壓數據
MOV＠R1，A；存入緩沖器
INCR1；修改A／D轉換結果存放地址
DJNZR2LOOP1；若A／D全部采樣完畢，順序向下執(zhí)行，否則轉向LOOP1
：
：
；延時子程序
WAIT：MOVR3，＃3EH；延時128μsDELAY：DJNZR3，DELAY
RET
5 結束語
基于此，在偉福（Wave）仿真器上進行了在線仿真測試。電流互感器、電壓互感器的匝比、50Hz帶通濾波電路的放大倍數均在求解電壓、電流有效值的程序設
計里給予考慮，cosθ1值提前存放在數據存儲區(qū)里。要確保采樣到一個周期里的電流電壓值，需不斷修正延時程序的時間設置。為驗證測試結果，分別在開關電源純阻性和感性負載的條件下，在50Hz帶通濾波之后接入CA8020（20MHz）雙蹤示波器和EM2172交流電壓表監(jiān)測其相位差和有效值。結果表明，所測數據比較準確、快捷，具有較高的性價比，可作為實驗室數字功率表推廣使用。
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