基于單片機(jī)的非正弦波平均功率的測(cè)量

1　引　言

目前，彩顯及彩電等電子設(shè)備的交直流變換電路基本上都采用開關(guān)電源，由于開關(guān)電源的輸入部分采用二極管整流和電容濾波的形式，致使輸入端電壓雖為正弦波，但電流波畸變?yōu)檩^大幅度的窄脈沖（圖1），輸入的電流波形可近似認(rèn)為是矩形波。

現(xiàn)有的電功率測(cè)量儀表多數(shù)是針對(duì)工頻正弦波的，測(cè)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(zhǔn)確地表達(dá)電路負(fù)載實(shí)際消耗的功率。有關(guān)功率的測(cè)量主要有，時(shí)分割乘法器方法
〔2〕和利用單片機(jī)的數(shù)字測(cè)量方法
〔3〕本文介紹的非正弦波平均功率的測(cè)量方法不同于文獻(xiàn)3介紹的方法，它同樣可以較準(zhǔn)確地測(cè)量出實(shí)際電路的平均功率。

2　測(cè)量原理

對(duì)于交直流變換電路，當(dāng)輸入電流i（t）為非正弦周期波形時(shí)，電流中含有基波分量和相當(dāng)多的高次諧波分量。對(duì)圖1的電流波形進(jìn)行傅立葉分解可得下式：

因?yàn)橹挥邢嗤l率的電壓和電流才能產(chǎn)生平均功率，當(dāng)輸入電壓僅含基波（50Hz）時(shí)，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(cè)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(jì)算才能得到真正的平均功率。

3　系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

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(gè)模擬信號(hào)，A／D的輸入通道地址選用了兩路?！?/p>

在A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，最大信號(hào)變化幅度應(yīng)小于A／D轉(zhuǎn)換器的量化誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，不影響轉(zhuǎn)換精度所允許的信號(hào)其最高頻率就越低，這將大大限制A／D轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍〔4〕。因此，在滿足轉(zhuǎn)換精度的條件下提高模擬信號(hào)允許的工作頻率，在A／D轉(zhuǎn)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(diǎn)。當(dāng)外接保持電容選用0．01μF時(shí)，其輸出電壓下降率為3mV／s〔4〕。作為模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。當(dāng)模擬輸入電壓范圍為0～5V時(shí)，可使用單一的＋5V電源。本設(shè)計(jì)中將ADC0809的正參考端Ref（＋）與電源VCC一起接到了基準(zhǔn)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(zhuǎn)換程序里先采樣電流后采樣電壓，若要采集同一時(shí)刻里的電流和電壓值，就要在電壓采樣通道里增設(shè)一個(gè)延時(shí)電路。從電壓、電流互感器得到的兩路信號(hào)要先轉(zhuǎn)換為±2．5V的交流電壓，再經(jīng)50Hz帶通濾波和電平移位電路，保證A／D轉(zhuǎn)換器的輸入為0～5V的模擬電壓。開始轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC0809的EOC端為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束變?yōu)楦唠娖?，而采樣保持器的控制端在高電平時(shí)采樣、低電平時(shí)保持，因此，將ADC0809的EOC作為L(zhǎng)F398的控制端，ADC0809 的控制信號(hào)來自單片機(jī)（圖2）。

4　軟件設(shè)計(jì)

4．1　采樣次數(shù)N的確定

為使采樣到的離散信號(hào)可與原模擬信號(hào)一致，根據(jù)采樣定理，采樣頻率f應(yīng)不小于信號(hào)頻率的5～10倍。在一個(gè)周期Ts內(nèi)均勻采樣N個(gè)模擬量點(diǎn)，則采樣周期為。單片機(jī)80C51的振蕩頻率設(shè)為6MHz，則，ALE輸出是1MHz，二分頻后作為ADC0809的時(shí)鐘CLK（500kHz），一次轉(zhuǎn)換需要28μs〔4〕。由下面的程序可以看到，每次同時(shí)采樣兩路，需時(shí)約260μs，每路一個(gè)周期（20ms）里最多可采樣76．9個(gè)點(diǎn)?？紤]到采樣周期太短會(huì)對(duì)整體電路的速度要求較高、太長(zhǎng)又會(huì)影響cosθ1的精度，兼顧這兩方面，在一個(gè)工頻周期里每隔5°采樣一次。N值設(shè)為72，則對(duì)兩路信號(hào)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。