【電賽參考資料】典型儀器類賽題分析(續(xù))-趙茂泰(2018)

1、典型典型儀儀器儀表類賽題分析（續(xù)）器儀表類賽題分析（續(xù)）(以電壓測量為基礎的儀器以電壓測量為基礎的儀器)2018.10. 28趙趙茂泰茂泰1 1儀器類賽題培訓建議儀器類賽題培訓建議2. 2. 數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析3 3. . 數(shù)字式工頻有效值測量儀賽題分析數(shù)字式工頻有效值測量儀賽題分析4. 4. 幾點意見幾點意見 電子儀器種類繁多，不可能一一研究。但從學習的角度，電子儀器種類繁多，不可能一一研究。但從學習的角度，只要掌握以下類儀器，各類儀器的設計便不會存在大的障礙。只要掌握以下類儀器，各類儀器的設計便不會存在大的障礙。u 電壓測量類儀器（電壓；各類電參量；各類物理量）u 時間頻

2、率測量儀器（頻率、周期、相位差、上升時間等）u 數(shù)字示波器（時域波形顯示、頻域譜線顯示）u 信號發(fā)生器建議：賽前訓練時，選做涵蓋這建議：賽前訓練時，選做涵蓋這4 4方面內(nèi)容的方面內(nèi)容的3-53-5個以上的題目。個以上的題目。 其中，電壓測量類儀器的賽題最為重要，半數(shù)以上儀其中，電壓測量類儀器的賽題最為重要，半數(shù)以上儀器類賽題都涵蓋該方面的內(nèi)容，應重點關注。器類賽題都涵蓋該方面的內(nèi)容，應重點關注。 1 1儀器類賽題培訓建議儀器類賽題培訓建議 儀器類賽題是典型的指標題，做好儀器類賽題的關鍵是儀器類賽題是典型的指標題，做好儀器類賽題的關鍵是準確理解各項指標（尤其是測量誤差）的涵義。準確理解各項指標（

3、尤其是測量誤差）的涵義。p Vx為被測電壓的指示值為被測電壓的指示值(讀數(shù)讀數(shù))；Vm為測量電壓的滿度值。為測量電壓的滿度值。p “a”項誤差也稱讀數(shù)誤差，其大小與讀數(shù)項誤差也稱讀數(shù)誤差，其大小與讀數(shù)Vx成正比。成正比。主要由衰減器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器等轉(zhuǎn)換系數(shù)的不準及非線性等因素引起。p “b”項誤差也稱固定誤差，其大小不隨讀數(shù)變化。項誤差也稱固定誤差，其大小不隨讀數(shù)變化。主要由量化、偏移等因素（例1字誤差，運放失調(diào)電壓等因素）而引起。 表達式表達式 1： （aVxbVm ） 表達式表達式 2： = （a%VX n個字）個字）例：數(shù)字電壓表測量誤差的表達式例：數(shù)字電壓表測量誤差的表達式例，

4、某3位半數(shù)字電壓表的測量誤差為 （0.1Vx0.1Vm） 由于 0.1（19991）2，也可表示為 （0.1Vx2個字）表達式和表達式是完全等價的表達式和表達式是完全等價的例如：數(shù)字電壓表設計的一般步驟：例如：數(shù)字電壓表設計的一般步驟： 堅持在訓練中按堅持在訓練中按步驟步驟設計，有利于設計能力的設計，有利于設計能力的提高。提高。 1 1儀器類賽題培訓建議儀器類賽題培訓建議p 方案論證并確定系統(tǒng)的組成方案論證并確定系統(tǒng)的組成p 測量誤差指標的分析及其分配測量誤差指標的分析及其分配p 核心器件的選擇核心器件的選擇及硬件電路的設計及硬件電路的設計p 軟件系統(tǒng)設計軟件系統(tǒng)設計p 整機電路調(diào)試整機電路調(diào)

5、試 題目不同，設計步驟會略有差異，但差別不會太大。1任務任務設計制作一臺具有直流電壓、交流電壓和電阻測量功能的數(shù)字多用表。其中，A/D轉(zhuǎn)換器要求使用ADS112C04芯片（16位，-型A/D轉(zhuǎn)換器）。2要求要求2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析 2018年年全國競賽模擬技術專題邀請賽全國競賽模擬技術專題邀請賽（TI杯）杯） 直流電壓測量（只要求測量正極性電壓） （23分） 量程：0.2V、2V； 最大顯示數(shù)19999；精度：0.05%讀數(shù)2個字； 測量速度2次/s；輸入阻抗10M。 交流真有效值電壓測量（略） （32分） 電阻測量 （23分） 電阻量程：2、200k； 測量速度2次/s

6、； 最大讀數(shù)1999；精度：0.5%讀數(shù)2個字。 具有待機模式的低功耗性能（略） （12分）量程：0.2V、2V； 最大顯示數(shù)19999；精度：0.05%讀數(shù)2個字； 測量速度2次/s； 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖 直流電壓測量直流電壓測量 假定A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓的范圍為02V，則量程轉(zhuǎn)換電路的任務就是把各量程輸出的電壓范圍歸一化為02V。 數(shù)字電壓表量程間一般為10倍乘。因而要求, 2V量程：量程：當輸入在0.2V2V時，儀器都能達到0.05%2個字的精度； 0.2V量程：量程：當輸入電壓在0.02V0.2V區(qū)間時，儀器均能達到預設精度。 A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：當當輸入在0.2V2V時，

7、 儀器均能達到0.05%2個字的精度2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析較高精度（ 0.05% ，四位半）； A/D轉(zhuǎn)換器有效分辨率的概念最基礎的測量模塊 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖與誤差基本無關u 擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測量誤差不大于于 0.03%。u 擬要求量程轉(zhuǎn)換電路的測量誤差不大于 0.02%； 把總誤差（把總誤差（0.05 %0.05 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路：量程：0.2V、2V； 最大顯示數(shù)19999；精度：0.05%讀數(shù)2個字； 測量速度2次/s； 直流電壓測量直流電壓測量2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析 核心器件的選擇及硬件電路的設計核心器

8、件的選擇及硬件電路的設計：u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計u 量程轉(zhuǎn)換電路設計及關鍵器件選擇設計及關鍵器件選擇（擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測量誤差不大于0.03%） 核心器件的選擇及硬件電路的設計核心器件的選擇及硬件電路的設計：n 全國電賽賽題中使用最多的A/D轉(zhuǎn)換器是8位、12位SAR型。目前，SAR型A/D轉(zhuǎn)換器在工藝上有18位的限制。n 當進行較精密測量時，經(jīng)常會采用 -型A/D轉(zhuǎn)換器。目前，這種新型A/D轉(zhuǎn)換器可達到24位及以上。n 當采用的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率達到16位以上時，需要考慮有效分辨率的存在。有效分辨率即實際分辨率，其值理想分辨率。n 影響有效分辨率主要

9、因素是噪聲。 假定A/D轉(zhuǎn)換器滿程輸入為2V，則 對于對于12位位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，它對應的最小分辨力為2V/40980.5mV； 對于對于16位位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，它對應的最小分辨力則為2V/655360.03mV。n 對A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進行數(shù)字平均，有利于有效分辨率的提高。u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計（擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測量誤差不大于0.03%）n A/D轉(zhuǎn)換器分辨率不等于精度，工程設計時，可認為精度比分辨率低12位，即A/D轉(zhuǎn)換器分辨率應高于精度2-4倍以上。（例如，AD574精度，0.05%）n 本題要求必須使用16位的ADS112C04A

10、/D芯片，其輸入電壓范圍為0V2.0V，則本例要求：A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓在0.2V2.0V范圍內(nèi)，分辨率均能達到0.015% 0.007%以上。u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇：轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇：輸入電壓輸入電壓輸出數(shù)字輸出數(shù)字理論理論分辨率分辨率要求的要求的分辨率分辨率2V216=655360.0015%低于0.015%0.2V216/10=65530.015%等于0.015%結(jié)論：結(jié)論：ADS112C04 基本可用，但若考慮其他因素，略欠不足?；究捎?，但若考慮其他因素，略欠不足。 除優(yōu)化PCB設計：采用數(shù)字平均來緩解對A/

11、D分辨率的嚴要求； 另一個可考慮的措施：適當降低儀器量程間的倍率。例如，數(shù)字示波器是以 125 步進序列調(diào)整垂直檔位，即以 2mV/div、5mV/div、10mV/div、 20mV/div10V/div 方式步進u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇：轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇： A/D轉(zhuǎn)換器采樣率（轉(zhuǎn)換器采樣率（SPS）的選擇）的選擇（支持數(shù)字平均）（支持數(shù)字平均）擬定擬定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的SPS為為40S/s，并在采集，并在采集15個數(shù)據(jù)后再進行數(shù)字平均，個數(shù)據(jù)后再進行數(shù)字平均，完成一次測量，則儀器的測量速度約為完成一次測量，則儀器

12、的測量速度約為2.7次次/s 2次次/s。 隨著SPS 的增加， -型A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的濾波次數(shù)就會減少，對應的有效分辨率就越低。n 對A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進行數(shù)字平均，有利于精度的提高。n 本題要求測量速度2次/s，對采樣率的提高提出了限制。n -型A/D轉(zhuǎn)換器的SPS與有效分辨率之間相互制約，成反比。u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇：轉(zhuǎn)換器位數(shù)（分辨率）的選擇： A/D轉(zhuǎn)換器采樣率（轉(zhuǎn)換器采樣率（SPS）的選擇：）的選擇： A/D轉(zhuǎn)換器電路的設計：轉(zhuǎn)換器電路的設計：p 優(yōu)化的PCB設計：所有連線盡量短，模擬地和數(shù)字地分開并盡量使用鋪

13、地層；充分的旁路電容；慎用芯片內(nèi)PGA和基準電源。p ADS112C04集成度高，是可編程器件，使用較復雜。必須認真閱讀數(shù)據(jù)手冊（datasheet）并準確理解，才能完成好A/D轉(zhuǎn)換器的軟硬件的設計。p ADS112C04的data sheet共計70余頁，要求學生必須在短時間內(nèi)準確掌握。因而注需要意培養(yǎng)學生的這種能力。 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖（擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測量誤差不大于0.03%） 把總誤差（把總誤差（0.05 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路： 核心器件的選擇及硬件電路的設計核心器件的選擇及硬件電路的設計：u A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計轉(zhuǎn)換器的選擇及電路設計（擬

14、要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測量誤差不大于0.02%）u 量程轉(zhuǎn)換電路設計及關鍵器件選擇設計及關鍵器件選擇n 0.2V、2V量程主要由運算放大器構成的10、1放大器構成。n 選擇低躁、低漂、低失調(diào)的運算放大器芯片，例如OPA333等；注意PCB的優(yōu)化設計。n 放大倍數(shù)的不準確可以通過調(diào)試予以糾正。具體電路設計（略）具體電路設計（略）2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖 把總誤差（把總誤差（0.05 %）分配給各部分電路）分配給各部分電路 核心器件的選擇及硬件電路的設計核心器件的選擇及硬件電路的設計 軟件系統(tǒng)設計（略）軟件系統(tǒng)設計（略） 整機整機電路調(diào)試電路調(diào)試例如

15、，以典型三位半的數(shù)字電壓表為例例如，以典型三位半的數(shù)字電壓表為例: 設該表共有設該表共有0.2V、2V、20V三個量程，三個量程， 2V量程為基本量程。量程為基本量程。調(diào)試電路調(diào)試電路 調(diào)試一般步驟：調(diào)試一般步驟： 先調(diào)基本量程（包括先調(diào)基本量程（包括a項和項和b項誤差）項誤差） 再調(diào)其他量程再調(diào)其他量程 調(diào)其他量程時不要更改基本量程的調(diào)調(diào)其他量程時不要更改基本量程的調(diào)整元件整元件2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析OPA33302V 20V 20V量程：量程：K1K1吸合，吸合，K2K2釋放釋放( (0.1)0.1) 2V 2V量程：量程：K1K1釋放，釋放，K2K2釋放釋放( (1)

16、1)0.2V0.2V量程：量程：K1K1釋放，釋放，K2K2吸合吸合( (10)10) 注：注：2V2V量程為基本量程量程為基本量程典型三位半的數(shù)字電壓表介紹典型三位半的數(shù)字電壓表介紹 設該表共有設該表共有0.2V、2V、20V三個量程，三個量程， 2V量程為基本量程。量程為基本量程。基本量程的調(diào)整：基本量程的調(diào)整：u 使量程處于基本量程狀態(tài)（使量程處于基本量程狀態(tài)（2V2V量程量程）；）；u“b”項誤差調(diào)整：項誤差調(diào)整：輸入端短路，調(diào)整調(diào)零 電路，使被測表的顯示數(shù)字在0.000附近；OPA33302Vu“a”項誤差調(diào)整：項誤差調(diào)整：輸入端加入一個1.500V1.999V之間的穩(wěn)定電壓，然后調(diào)

17、整 RW0，使被測表的顯示數(shù)字值與標準表顯示數(shù)字值的前4位相等。u 使量程處于20V量程狀態(tài)（ K1 K1吸合，吸合，K2K2釋放釋放）；u 輸入端加入一個 15.00V19.99V之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW1，使被測表顯示的數(shù)字與標準表顯示數(shù)字的前4位相等。20V量程的調(diào)整：量程的調(diào)整：u 使量程處于0.2V量程狀態(tài)（ K1 K1釋放，釋放，K2K2吸合吸合）；u 輸入端加入一個 150.0mV199.9mV之間的穩(wěn)定電壓，調(diào)整RW2，使被測表顯示的數(shù)字與標準表顯示數(shù)字的前4位相等。0.2V量程的調(diào)整：量程的調(diào)整：OPA33302Vu顯示結(jié)果必須給出5個有效數(shù)字。例如，標準表顯示1.42000

18、V，被測表顯示1.42V,計0分。附：測量精度指標測評的評分細則：附：測量精度指標測評的評分細則：u如果顯示有多位跳動，只記錄第一位。例如，標準表顯示1.42123V，被測表顯示1.42xxV,記錄為1.42xV，“x”選擇相對穩(wěn)定的數(shù)值。直流電壓測量精度達到（0.05%讀數(shù)2個字）時給滿分；低于（0.5%讀數(shù)2個字）時不給分，其間分級給分。 當被測電壓的標準值為1.5000 xV時，如果顯示值在150009以內(nèi)（= |顯示值-標準值|9個字），得滿分。按以上原則制定的絕對誤差與得分對照表如下：值值9個字個字 18字字27字字36字字45字字54字字63字字72字字81字字得分得分9分8分7分

19、6分5分4分3分2分1分u即使測量誤差較大，依然可以得到若干分數(shù)。（測試記錄中的標準值為用標準儀器測量的值，顯示值為作品儀器的測量值。）（標準標準表：五位半以上）表：五位半以上） 電阻量程：2、200k； 測量速度2次/s； 最大讀數(shù)1999；精度：0.5%讀數(shù)2個字。u 已完成數(shù)字電壓表部分的測量誤差不大于0.05% ；u 則要求R-V變換電路的測量誤差不大于于 0.45%。 把總誤差（把總誤差（0.5 %0.5 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路： 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖電阻測量電阻測量 2 2數(shù)字多用表賽題分析數(shù)字多用表賽題分析（要求要求R-V變換電路的測量誤差不大于0.45

20、%） R-V變換電路的選擇及電路設計量程量程恒流恒流 Is壓降壓降 Vx量程電路量程電路A/D輸入電壓輸入電壓02100mA00.2V1002.0V0200k10uA02.0V102.0V以恒流源法為例：以恒流源法為例：（要求R-V變換電路的測量誤差不大于0.45%） R-V變換電路變換電路的選擇及電路設計的選擇及電路設計測量誤差分析：測量誤差分析：p一般情況下，由恒流源“Is”不準確度而產(chǎn)生的誤差可以控制在 有效的范圍內(nèi)。p電阻測量誤差主要來自于低阻檔量程和高阻檔量程產(chǎn)生的原理誤差。p本例，2檔屬低阻檔量程； 200k檔屬偏高阻檔量程100mA恒流源的設計實例：恒流源的設計實例：改變 Rs

21、的值，就可以形成不同的 Is 值2N39602N3960OPA334實際被測電壓除了被測電阻Rx兩端的電壓外，還包括了引線和接觸電阻r1和r2上的壓降值。被測電阻的阻值較大時， r1和r2可以忽略，但當被測電阻的阻值較小時，引線電阻將帶來很大的誤差?！皉1和r2” 的阻值約為數(shù)十 m及以上；2量程（顯示1.999）1個字為1 mp 低低阻值檔量程的誤差分析：阻值檔量程的誤差分析：p 解決方案：四線法解決方案：四線法Rx兩端除了連接原來的兩條測試導線外，再單獨用兩條導線連接到數(shù)字電壓表的輸入端。由于DVM的輸入電阻很高，引線電阻r1“和 r2”上可認為無電流流過，即沒有壓降，因而能準確地測量Rx

22、兩端的電壓。p 高高阻值檔量程的誤差分析：阻值檔量程的誤差分析：u 盡量提高量程電路的輸入阻抗，例如使輸入阻抗達到100M以上。u 必要時采用修正技術。p 解決方案：解決方案： 對Rx和Rx的并聯(lián)值進行A/D轉(zhuǎn)換并讀入；通過運算消去并聯(lián)誤差，得實際的被測值Rx 。u 圖中 Rz 為數(shù)字電壓表輸入阻抗的等效電阻，本題要求在10M以上。u 當Rx要數(shù)值較小時，Rz 的影響可以忽略不計；當Rx要數(shù)值較大時，例如Rx=100k， Rx 將產(chǎn)生百分之一的分流，這時需要采用修正技術。任務：設計制作一個能同時測量一路工頻信號電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的數(shù)字多用表。（工頻頻率為501

23、Hz，波形為有失真的正弦波）說明：為便于本試題的設計與制作，設定待測0500V的交流電壓、050A的交流電流均已經(jīng)相應的變換器轉(zhuǎn)換為05V的交流電壓。不要求制作部分要求制作部分3 3數(shù)字式工頻有效值多用表賽題分析 1999年全國競賽本科組年全國競賽本科組B題題（1）測量功能及量程范圍a、交流電壓：0500V； b、交流電流：050A；c、有功功率：025kW；d、無功功率：025kvar；e、功率因數(shù)：01 。（2）準確度（顯示范圍為00004999）a、交流電壓和交流電流：（0.8讀數(shù)5個字；b、有功功率和無功功率：（1.5讀數(shù)8個字）；c、 功率因數(shù)：0.01 。（3）具有量程自動轉(zhuǎn)換功能

24、。當變換器輸出電壓值小于0.5V時，使電壓分辨力能達到0.01V。要求制作的部分要求制作的部分 設計重點：設計重點：p05V（真有效值）的測量 ； p有功功率的測量實際測量電壓（有效值）為 05V，顯示為 0000499.9V實際測量電壓（有效值）為 05V，顯示為 00.0049.99A有功功率測量與 一個周期內(nèi)的 u(t)、i(t) 瞬時值有關通過計算得到（與有功功率等有關）通過計算得到（與有功功率等有關）要求設置500V、50V兩個量程。（ 50V量程顯示范圍為00.0049.99V） 交流電壓（真有效值）的測量方法 一般有效值電壓的測量方法：一般有效值電壓的測量方法：先用檢波器測幅度（

25、或平均值），再換算成有效值。該法只適合規(guī)則波形。波形波形有效值（有效值（Urms）備注備注正弦波0.707Um三角波0.577Um隔直三角波方波Um隔直方波矩形波隔直矩形波tk為脈沖寬度 真有效值電壓測量方法：真有效值電壓測量方法：按照有效值電壓的數(shù)學定義來實現(xiàn)，因此，它適合于任意波形有效值的測量。本題被測信號的波形為有失真的正弦波，屬于無規(guī)則任意波形，必須采用真有效值電壓測量方法.方案方案1：采用真有效值AC/DC轉(zhuǎn)換器芯片，例如AD637。 簡單，能滿足有效值電壓的測量，但不能滿足功率因數(shù)等參數(shù)測量方案方案2：采用基于時域分析的交流采樣技術。能同時滿足有效值電壓和有功功率等參數(shù)測量，并能對

26、波形做出全面分析。能滿足本題的各項要求。但難度較大。真有效值電壓測量實現(xiàn)方案真有效值電壓測量實現(xiàn)方案在當年全國大學生電子設計大賽中，選擇方案在當年全國大學生電子設計大賽中，選擇方案2 2并并取得成功的只有幾所學校取得成功的只有幾所學校! ! 采用交流采樣方法時，電壓有效值、電流有效值、有功功率、采用交流采樣方法時，電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的數(shù)學定義如下：無功功率、功率因數(shù)的數(shù)學定義如下：3 3數(shù)字式工頻有效值多用表賽題分析 交流電壓（真有效值）的測量u實際測量電壓（有效值）為 05V，要求顯示為 0000499.9Vu設置500V、50V兩個量程。（實際為5V、0.

27、5V兩個量程）u測量準確度：（0.8讀數(shù)5個字）； 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖與誤差基本無關u 擬定A/D轉(zhuǎn)換器電路的測量誤差不大于于 0.7%。u 擬定量程轉(zhuǎn)換電路的測量誤差不大于 0.1%； 把總誤差（把總誤差（0.8 %0.8 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路：基于時域的交流采樣方法：基于時域的交流采樣方法：p 采樣計算法的本質(zhì)是用離散的梯形積分代替連續(xù)積分，必然會產(chǎn)生積采樣計算法的本質(zhì)是用離散的梯形積分代替連續(xù)積分，必然會產(chǎn)生積分余項（誤差）。分余項（誤差）。p 在在A/DA/D轉(zhuǎn)換器分辨率足夠高的前提下，交流采樣的測量精度主要取決轉(zhuǎn)換器分辨率足夠高的前提下，交流采樣的測量精

28、度主要取決于采樣頻率和采樣是否同步。于采樣頻率和采樣是否同步。p 粗略的說，采樣頻率每提高粗略的說，采樣頻率每提高1 1倍，測量精度增加約倍，測量精度增加約1 1倍；采用同步采樣倍；采用同步采樣可使測量精度大幅度提高，尤其在被測信號頻率不夠穩(wěn)定的情況下?？墒箿y量精度大幅度提高，尤其在被測信號頻率不夠穩(wěn)定的情況下。 真有效值的數(shù)學定義為：被測信號的均方根值。 當采用數(shù)字取樣方法時，先對被測信號在一個基波周期內(nèi)進行等間隔采樣，再計算出所有采集數(shù)據(jù)的均方根值，其計算公式為： 式中，n為在一個交流電壓周期T 內(nèi)的取樣點數(shù)。 ( )( )nTrmsiiUut dtutTn1220011 核心器件的選擇及

29、硬件電路的設計核心器件的選擇及硬件電路的設計： 當N取128時，對應的采樣頻率 fs =6.4 kHz 根據(jù)取樣定理，當N取128時，可分析工頻信號中的諧波次數(shù)可以達到63次，足以滿足我國電力系統(tǒng)的測量要求。 A/D A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇轉(zhuǎn)換電路的選擇 擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測量誤差不大于于 0.7%。 核心器件的選擇及硬件電路的設計核心器件的選擇及硬件電路的設計：根據(jù)以上分析，采樣率擬采用 6.4 kSPS 。p 采樣頻率的確定采樣頻率的確定p 同步采樣及其實現(xiàn)同步采樣及其實現(xiàn)p 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定p 采樣頻率的確定采樣頻率的確定p 同步采樣及其實現(xiàn)同步采樣及其實現(xiàn) A/D

30、A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇轉(zhuǎn)換電路的選擇 擬要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測量誤差不大于于 0.7%。 核心器件的選擇及硬件電路的設計核心器件的選擇及硬件電路的設計： 首先測出被測信號的周期T； 用該周期除以一周期內(nèi)采樣點數(shù)N得到采樣間隔Ts ； 確定定時器的計數(shù)值,用定時中斷方式采樣。p 采樣頻率的確定采樣頻率的確定p 同步采樣及其實現(xiàn)同步采樣及其實現(xiàn)1. 軟件同步采樣法：軟件同步采樣法：優(yōu)點：該方法省去硬件環(huán)節(jié)，結(jié)構簡單。不足：只能測到前一個周期的T，當信號頻率飄移時，存在同步偏差。 定時器給出的Ts與理論值存在誤差，經(jīng)N點積累，引起誤差。 有專門硬件電路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。常采用倍頻鎖相環(huán)來

31、構成頻率跟蹤電路實現(xiàn)同步等間隔采樣。2. 硬件同步采樣法：硬件同步采樣法：特點：當信號頻率漂移時，能自動跟蹤并產(chǎn)生新的同步于信號基頻的 采樣脈沖, 大大削弱截斷誤差的影響。但是，硬件開銷較大。 核心器件的選擇及硬件電路的設計核心器件的選擇及硬件電路的設計： 擬采用擬采用6.4kSPS采樣頻率 。p 采樣頻率的確定采樣頻率的確定p 同步采樣及其實現(xiàn)同步采樣及其實現(xiàn)p 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定結(jié)論：結(jié)論：應該采樣應該采樣采樣頻率 大于6.4kSPS的、1212位以上的、位以上的、A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。例如：例如：1, AD547: 121, AD547: 12位，最高采樣率：位，最高

32、采樣率： 40kSPS 2, AD7655: 16 2, AD7655: 16位，最高采樣率：位，最高采樣率： 1MSPS 擬采用擬采用6.4kSPS采樣頻率 。 擬采用基于鎖相倍頻的同步采樣方式。擬采用基于鎖相倍頻的同步采樣方式。 擬采用擬采用1212位以上的位以上的 A/DA/D轉(zhuǎn)換器。（具體分析略）轉(zhuǎn)換器。（具體分析略） A/D A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇轉(zhuǎn)換電路的選擇 要求A/D轉(zhuǎn)換器電路的測量誤差不大于于 0.7%。 核心器件的選擇及硬件電路的設計核心器件的選擇及硬件電路的設計：（鎖相倍頻后的信號作為單片機外部中斷信號，快速啟動一次A/D轉(zhuǎn)換）鎖相倍頻電路框圖鎖相倍頻電路框圖鎖相倍頻電路實

33、例鎖相倍頻電路實例硬件同步采樣法采樣電路硬件同步采樣法采樣電路 核心器件的選擇及硬件電路的設計核心器件的選擇及硬件電路的設計：基于鎖相倍頻的同步采樣方式基于鎖相倍頻的同步采樣方式的硬件電路框圖的硬件電路框圖 有功功率（P）的測量 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖 交流電壓（有效值）的測量 有功功率（P）的測量 把總誤差（把總誤差（1.5 %1.5 %）分配給各部分電路：）分配給各部分電路： 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖 交流電壓（有效值）的測量要求：交流電壓（有效值）測量誤差不大于（0.8讀數(shù)5個字）要求：有功功率測量誤差不大于（1.5讀數(shù)8個字）有效值測量和P的測量基本上使用了同樣的采集電路（分

34、析略） 核心器件的選擇及硬件電路的設計：核心器件的選擇及硬件電路的設計：3 3數(shù)字式工頻有效值多用表賽題分析p鎖相倍頻后的信號作為單片機外部中斷信號，快速啟動一次A/D轉(zhuǎn)換；p每次啟動，先控制S/H同時采集兩路模擬信號并存儲，然后通過轉(zhuǎn)換開關分別對存儲的兩個模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換；p單片機對采集的兩個數(shù)據(jù)進行相乘運算，形成一個數(shù)據(jù) u(n).i(n)；p低通濾波用于消除帶外噪聲及混疊噪聲，其截止頻率為采樣頻率的一半。S/H：采樣保持器（例，LF398）學生作品的最佳學生作品的最佳方案方案雙極模擬輸入雙極模擬輸入數(shù)字輸出數(shù)字輸出 方案中，方案中，AD574的模擬輸入采用了雙極的模擬輸入采用了雙極性方式，其輸入電壓范圍為性方式，其輸入電壓范圍為-5V+5V。 5V量程倍數(shù)的確定：量程倍數(shù)的確定：p 5V（有效值）的峰峰值為（有效值）的峰峰值為21.414Vrms=14.14V，即，即 -7.07V+7.07Vp 由于輸入信號為失真的正弦波，最