数字式多用表制作.doc

大学生“综合性、设计性、研究性、自主开放型 实验项目”完成报告书 项目名称： 数字式多用表的设计 项目负责人： 所在学院： 联系电话： 电子信箱： 指导教师： 指导教师所在学院： 指导教师联系电话： 完成日期： 一、题目 数字式工频有效值多用表 二、任务 计并制作一个能同时对一路工频交流电（频率波动范围为50 ±1Hz、有失真的正弦波）的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数进行测量的数字式多用表三、要求 1． 基本要求 （1）测量功能及量程范围 a、 交流电压：0～V； c、 有功功率：0～25kW； d、 无功功率：0～25kvar； e、 功率因数（有功功率/视在功率）：0～1 。 为便于本试题的设计与制作，设定待测0～V的交流电压、0～5A的交流电流均已经相应的变换器转换为0～5V的交流电压。 （2）准确度 a、 显示为 位（0.000～4.999），有过量程指示； b、 交流电压和交流电流：±（0.8％读数＋5个字），例：当被测电压为300V时，读数误差应小于±（0.8％×300V＋0.5V）＝±2.9V ； c、 有功功率和无功功率：±（1.5％读数＋8个字）； d、 功率因数：±0.01 。 （3）功能选择：用按键选择交流电压、交流电流、有功功率、无功功率和功率因数的测量与显示。 我们设计制作的数字式工频有效值多用表可同时对工频交流电的电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数、电压基波及总谐波的有效值等电量进行测量。该仪表以单片机最小系统为核心，实现了测量的控制、数据分析处理、显示和量程自动转换等功能。 设计原理图如下 关键字：电量测量 FFT算法 积分算法 一．方案论证 设计要点 （1）、作为数字化仪表，尽量做到高精度、智能化、自动化。 （2）、设计时既充分考虑工频交流电特征，同时也能适用于一般非工频电参量测量。尽量将传统数字化测量方法和现代数字化测量方法有机结合起来。 （3）、在硬件设计时，尽量采用大规模新器件，如高密度可编程器件，在设计过程中使用现代EDA工具。 系统构成 一种传统的方案是完全由信号的整形变换处理电路和多种测量仪表组合而成，其中包括测电压、电流的表头、功率表头等等。这种方案不仅电路复杂，也不方便显示观察。另一种是包括具有运算功能的单元的系统，比如以单片机为核心的数据采集、变换、运算处理、显示为一体的系统电路，显然有软件算法的支持不仅电路简单，而且方便修改，也易数字显示，使得人机界面简洁、友好。我们采用的系统原理框图如下： 考虑到运算的需要，同时也是适应被测信号的频率变化。 二．测量算法的理论分析 1．采样点数和A/D位数的设计论证（工频信号周波内） （1）．采样点数N的选取 根据奈奎斯特采样定理，在信号频率变化时若都能保证对信号周波内等间隔、均匀采样60点，这样采用FFT算法不仅能满足工频交流电测量的要求，而且也可以对普通信号的30次以下谐波进行分析。同时考虑到采样点数较少时，积分法进行运算的误差就难以达到系统的精度要求。所以选择N=60。 （2）．A/D位数的选择依据 由于信号经过A/D转换后会产生量化噪声，即经过A/D转换后的信号为原始信号加量化噪声，量化噪声幅度为原始信号幅度的倍（其中N为A/D位数）。因此在设计电路时，要考虑A/D位数对系统精度的影响。 基于60点FFT算法对A/D位数的影响进行分析（量化噪声迭加于振幅），结果列于下表中。 表一： 基于60点FFT算法分析相同信号(含1、2、3次谐波)条件下A/D位数对电量参数的影响表： 有功功率 无功功率 视在功率 功率因数 最大 误差(%) 标准信号 0.6293 -0.1109 0.6390 0.984800 0.00 8bit-A/D 0.6310 -0.1097 0.6402 0.985605 1.08 9bit-A/D 0.6307 -0.1101 0.6403 0.985073 0.72 10bit-A/D 0.6297 -0.1105 0.6394 0.984926 0.36 11bit-A/D 0.6292 -0.1107 0.6389 0.984852 0.18 12bit-A/D 0.6289 -0.1108 0.6386 0.984815 0.09 表二： 基于积分法分析相同信号(含1、2、3次谐波)条件下A/D位数对电量参数的影响表： 有功功率 无功功率 视在功率 功率因数 最大 误差(%) 标准信号 0.6293 -0.1109 0.6390 0.984800 0.00 8bit-A/D 0.6312 -0.1096