摘要：工頻表采用具有集成度高、數字處理速度快、功能強、低功耗等優點的凌陽16位單片機以數字形式對電壓有效值、電流有效值、相位角進行顯示。設計分為三個模塊：數據采集、數據處理和顯示模塊。數據信號采集用CMOS系列產品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產生相位角；數據處理以凌陽單片機SPCE061為核心，對采集信號進行精確控制和嚴格計算；顯示部分由CC4056驅動和74LS138移位選擇與數碼管構成。
關鍵詞：數據采集；數據處理；顯示模塊
1 系統的設計
凌陽16位單片機集成度高、體積小、可靠性好，內部含有10位A／D轉換器，簡化了電路，16位的性能有較高的數字信號處理速度，提高了精度。凌陽16位單片機是基于SOC的新型的數／模混合的系統級芯片。在一個芯片內集成了單片機數據采集或控制系統所需的模擬和數字外設及其它功能部件。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／驅動和雙音多頻發生器功能。這些都進一步擴大了單片機的應用范圍。
2 峰-峰值保持數據采集電路
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。
2．2 數據保持部分
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帶來的誤差。
3 單片機系統相位角處理模塊
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定時器讀出的計數值)，再乘以1．44°即為φ的實際相位角。
4 電路調試方法和過程
采用先分別調試各單元模塊，調通后再進行整機調試的方法，提高調試效率。
4．1 數據采集、放大模塊調試
利用P3．4和P3．5控制模擬開關CC4051，使輸入信號與函數信號發生器輸出相聯，通過改變P3．4和P3．5管腳的電平來改變放大倍數，用萬用表測試輸入輸出電壓，再調節函數信號發生器的輸出，用萬用表測試輸入輸出電壓是否正確；數據保持器則用單片機P1．4來控制，并用示波器觀察波形。調試結果顯示，模塊可以正常工作。
4．2 數據信號頻率相位角模塊調試
將函數信號發生器的輸出與相位角處理模塊輸入相聯接，調節函數信號發生器的輸出頻率，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。經過檢驗，相位角模塊電路能正常工作。
4．3 A／D轉換模塊調試
由于凌陽單片機SPCE061內部有2個10位的A／D轉換器，因此不用接外部A／D轉換電路，只需要編寫程序對其進行簡單測試即可正常工作。
當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程序調試，被測的兩路輸入信號電壓、電流波型可先采用函數信號發生器進行模擬，接上凌陽單片機SPCE061仿真器進行調試程序，對數據采集、放大模塊的各輸入、輸出信號進行測量計算，對數據信號頻率相位角模塊的相位角進行計算，當系統程序調試成功后，再把程序下載到凌陽單片機SPCE061中進行整機調試。最后把調試結果顯示出來，整個系統能正常工作。
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CC4051上有一定的壓降(約20mV)，雖經軟件、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也會使有用功率、無用功率測量值與理論值存在差異。
6 結束語
數字式工頻有效值多用表以數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。本系統以SPCE061為核心部件，利用軟件編程，實現對交流電壓值、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。
數字式工頻有效值多用表以數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，方便實用。在設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。