關于測試電源PF數(shù)值的方案設計同實踐設計

1、關于測試電源PF數(shù)值的方案設計同實踐設計硬件：熊威 軟件：彭靈設計指導：劉剛2014.10.10摘要 本次設計的功率測試儀是基于仿遠方PF9800智能電量測試儀制作，基于ATMEGA12的單片機測量電流、電壓、功率和功率因數(shù)的儀器。通過與電能計量芯片CS5460A之間的SPI通信，可讀取顯示電流有效值、電壓有效值、功率有效值及功率因數(shù)等功能。 本設計電壓采樣電路經(jīng)分壓電路，電流采樣電路采用霍爾電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后將電壓、電流采樣信號進行程控放大后送入電能計量芯片。 模塊簡單，性價比高，移植性強。目錄u第一章 緒論u第二章 系統(tǒng)總體方案設計u第三章 硬件系統(tǒng)設計u第四章 軟件

2、系統(tǒng)設計u第五章 改進和后期跟進關于測試電源PF數(shù)值的方案設計同實踐設計n第一章 緒論1.1 設計需求 隨著公司部分項目產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，某些客戶要求測試電流、電壓、功率和功率因數(shù)等電氣參數(shù)。例如：EDIE ADVANCED 客戶之前要求測試EDIE的動態(tài)電流、靜態(tài)電流等參數(shù)，隨著產(chǎn)品生產(chǎn)，又提出希望能增加顯示測試電壓、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，因此考慮增加功率因數(shù)測試模塊。 鑒于以往SCJ項目測試的一些經(jīng)驗，該測試儀要求能一板多臺測試、可與PC通信顯示、可在線仿真燒錄，并且測試板價格要合理。所以設計時考慮做成模塊化，具有成本較低，易維修，易普及和易移植等特點。1.2 系統(tǒng)功能和參數(shù)說明： 四窗口同

3、時顯示:電壓,電流,功率,功率因數(shù)/頻率。 電壓:75V/150V/300V/600V 電流:0.5A/2A/8A/20A 功率因數(shù):-1.0001.000 基頻:45Hz65Hz 自動量程切換： 量程增大：測量值超過110%額定量程 量程減?。簻y量值低于20%額定量程 精度:(0.4%讀數(shù)+0.1%量程+1個字) 配有標準的RS-232接口，便于儀器與外界設備（PC）聯(lián)接?？稍诰€仿真燒錄程序。 可用于交流信號的測量,還可以用于直流信號以及交直流信號的測量,同時還可擴展到具備電流、功率的上下限設定及超限聲光報警功能 校準和設計過程中使用的儀器： 交流功率源：EXTECH 6700 SERIES

4、 PROGRAMMABLE AC POWER SOURCE 示波器：Tektronix TDS2014B 電壓表：Fluke 15B Digital Multmeter關于測試電源PF數(shù)值的方案設計同實踐設計n第二章 系統(tǒng)總體方案設計2.1 系統(tǒng)結(jié)構框圖2.2 原理框圖 儀器主要由輸入（電壓輸入和電流輸入電路）、微型計算機、顯示和接口部分組成 在電壓輸入電路中，輸入電壓經(jīng)分壓器后進行程控放大，再送入A/D轉(zhuǎn)換器 在電流輸入電路中，取樣電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號進行程控放大后，再送入A/D轉(zhuǎn)換器 電壓和電流輸入信號經(jīng)A/D變換后送入微型計算機，進行數(shù)據(jù)處理。自動量程切換、數(shù)據(jù)運算、顯示及

5、輸出控制也都是由微型計算機完成2.3 理論公式說明 功率因子表征著電路輸出有功功率的能力。功率是能量的傳輸率的度量，在直流電路中它是電壓V和電流A的乘積。在交流系統(tǒng)里則要復雜些：即有部分交流電流在負載里循環(huán)不傳輸電能，它稱為電抗電流或諧波電流，它使視在功率大于實際功率。視在功率和實際功率的不等引出了功率因數(shù)，功率因數(shù)等于實際功率與視在功率的比值。所以交流系統(tǒng)里實際功率等于視在功率乘以功率因數(shù)。 即：功率因數(shù)=實際功率/視在功率。 功率因數(shù)的取值范圍為-1到+1區(qū)間，大小與電路的負載性質(zhì)有關，負載通常分為三種：阻性、感性、容性。純阻性的負載功率因數(shù)為1，如白熾燈、電熱絲等電阻負載的功率因數(shù)為1。

6、感性負載通常指電磁設備，如交流電機、變壓器、電感器等、容性負載是指電容負載，電感或電容性負載的電路功率因數(shù)都小于1 定義：電壓真有效值（URMS）、電壓瞬時值（Ui）、電流真有效值（IRMS）、電流瞬時值（Ii）、有功（平均）功率（P）和功率因數(shù)（PF）、視在功率(PA) 視在功率2=有功功率2 + 無功功率2 視在功率(PA) = URMS * IRMS 功率因數(shù)=有功功率/視在功率2.4 總體方案介紹 本測試儀基于ATMEGA128為核心MCU，通過電流和電壓采樣電路分別采樣，以及運算放大電路和HCF4053自動量程電路進行信號的縮放，通過電能計量芯片CS5460A讀取電流和電壓采樣A/D

7、，然后MCU通過SPI通信，讀取瞬時電流、瞬時電壓、有效電流、有效電壓和有功功率等參數(shù)，并通過MCU進行數(shù)據(jù)運算得出功率因數(shù)，通過LCD1602顯示電流有效值、電壓有效值、有功功率及功率因數(shù)等參數(shù)。 可通過按鍵切換實現(xiàn)CS5460A的系統(tǒng)偏置校準和系統(tǒng)增益校準（可校準直流電壓、交流電壓、直流電流和交流電流）等不同的校準功能，并可實現(xiàn)上下限設定、報警等功能。關于測試電源PF數(shù)值的方案設計同實踐設計n第三章 硬件系統(tǒng)設計采樣電路和自動量程切換電路電源電路、單片機外圍電路、電能計量電路實物圖片3.1 各電路模塊說明 電源模塊： 測試板由DC +12V火牛供電，以LM2676為+5V降壓穩(wěn)壓IC，最大

8、可輸出3A電流，以LT1931將+5V電源轉(zhuǎn)換為-5V負壓源，最大可輸出300mA電流。 RS-232模塊： 采用隔離IC ADM3251E作為RS-232通信，與傳統(tǒng)MAX232比較，該IC價格較貴，但是可大大減少在生產(chǎn)測試過程中MAX23芯片在高、低壓或者PC或產(chǎn)線公共地接地錯誤等問題造成的測試板MAX232燒毀問題。 顯示模塊 將原來的4個7位數(shù)碼管顯示改為LCD-1602A顯示，大大減小模塊面積，降低模塊成本。 采樣模塊： 電壓采樣經(jīng)分壓器（400:1）后進行程控放大。 電流采樣利用霍爾傳感器（2000:1）后進行程控放大 采樣輸入端需要加入二極管箝位電壓保護電路 程控放大模塊： 利用

9、OP07、NE5532和LF353運算放大器做跟隨、放大、縮小等 利用HCF4053作為程控IC，根據(jù)MCU獲得的A/D大小自動判斷切換放大比例做到自動量程切換 電能計量模塊： 使用電能計量IC CS5460A，減少A/D芯片和真有效值芯片的只用，減少生產(chǎn)成本和設計復雜度 可以從串行EEPROM X5045智能“自引導”存儲 可通過系統(tǒng)偏置和增益校準提高采樣精度 單片機系統(tǒng)模塊： 之前因考慮功能擴展等問題，選擇引腳較多的ATM128，實際生產(chǎn)測試板可選擇更加便宜的AT89C52等MCU 預留部分I/O口，可擴展功能，以防客戶增加測試功能 可增加LED指示電路，顯示屏幕刷新和采樣間隔指示3.2

10、Layout中需要注意的問題和要點 1.電流與電壓采樣模塊部分因為有高、低電壓和大、小電流，所以在Layout時一定要合理布局布線，注意可能出現(xiàn)高、低壓和大、小電流部位的元器件和走線間隔，以避免安全問題。 2.因為測試的信號范圍大，有些時候會有極低的信號。所以在信號的經(jīng)過運放縮放部位，信號走線盡量短以避免干擾影響精度。 3.布局時要充分考慮以后在生產(chǎn)過程中的一些問題，考慮到生產(chǎn)效率問題，往往一塊測試板可能需要測試6到10臺產(chǎn)品，所以布局要盡量緊湊，減小整個拼板的面積，方面生產(chǎn)時測試板的擺放和調(diào)試等問題。考慮到維修問題，布局要注意元件位置，并盡量模塊化，并避免出現(xiàn)一個模塊損壞影響整塊測試板的測試

11、等情況。 4.鋪銅過程中設置好柵格間距等，避免孤立銅以及部分元件與鋪銅間距。關于測試電源PF數(shù)值的方案設計同實踐設計n第四章 軟件系統(tǒng)的設計4.1 軟件系統(tǒng)需求 1.顯示程序：四窗口同時顯示:電壓,電流,功率,功率因數(shù)/頻率 2.按鍵校準等程序：可切換實現(xiàn)CS5406A的系統(tǒng)偏置校準和系統(tǒng)增益校準（可校準直流電壓、交流電壓、直流電流和交流電流）等不同的校準功能，并可實現(xiàn)上下限設定、報警等功能。 3.與PC通信模塊程序：將MCU獲取與運算后的最終信息傳遞顯示到PC上顯示。4.2 軟件調(diào)試中的問題 1.經(jīng)過系統(tǒng)偏置校準和系統(tǒng)增益校準后，測量結(jié)果與實際結(jié)果值仍有偏差，且偏差不成線性關系，解決方案：采

12、用分段做軟件補償校準，提高測試精度。 2.計算測量結(jié)果時，浮點運算很占CPU資源，導致按鍵掃描有時INT，解決方案：采用分時采樣計算，分時顯示結(jié)果。 3.系統(tǒng)偏置校準和系統(tǒng)增益校準中直流電壓、交流電壓、直流電流和交流電流校準問題。關于測試電源PF數(shù)值的方案設計同實踐設計n第五章 改進和后期跟進 需要改進的地方： 徹底刪除板上7段數(shù)碼管顯示模塊，減小模塊面積 調(diào)整LCD和蜂鳴器的布局位置，使其更合理 實際測試板可將ATM128更改為更便宜的ATM89C52等MCU 需要注意和增加的地方 當測量大電流或是電壓或電流包含高頻成分，接線時應特別注意可能會相互產(chǎn)生干擾和噪音問題 導接線應盡可能短 測量電

13、流時盡可能使用粗導線 為減少對地的分布電容，導線及接地線應盡可能遠離一起外殼 ATM128的復位信號與X5045的復位信號電平相反，所以如果使用ATM128時可選擇X5043作為EEPROM芯片，否則需要增加電平轉(zhuǎn)換電路 設計體會： 增加對于常用采用電路設計方案的了解，知道了很多對于交直流信號采用電路方案，以及在采樣過程中需要規(guī)避和注意的知識，加深了對于高、低電壓電路布局和Layout的知識 加深了對于基本運算放大器組成的各種應用電路的理解，對于運算放大器做跟隨、同相放大電路、反相放大電路等應用的作用和原理有了更好的理解 對于制作生產(chǎn)自動測試機架的考慮，有了一個很好的總結(jié)。在以后的測試板制作過程中，一定要充分考慮易于移植、易于維修和測試數(shù)據(jù)更穩(wěn)定等問題 后期根據(jù)本次單板的設計制作會考慮如果滿足EDIE等其他MODE一次測試6到10臺負載的大測試板 電子技術的發(fā)展日新月異，一些新型電子器件和集成芯片功能越來越強、精度越來越高，很多