基于单片机的双钳相位伏安表校准装置的设计

广东省计量科学研究院　曹　欣　吴海益　石劭毅

一、绪论

数字式双钳相位伏安表是一种常见的为现场测量各相交流电压、交流电流及各相间相位而设计的便携式、双通道输入测量设备，是各行各业对电力系统进行测量的理想设备，广泛应在工业生产以及科研院所等领域，目前国内市场上没有专用的数字式双钳相位伏安表全参数的校准装置。各省级、地市级计量技术机构绝大部分采用三相标准源作为标准器具校准数字式双钳相位伏安表。但是，国内生产的三相标准源只能进行同相间电压对电流的相位调整，不能进行两相间电压对电压（如UA对UB）和电流对电流（如IA对IB）相位的调整，即无法完成不同相间电压对电压相位或者电流对电流相位的校准及溯源，且目前国内外生产的各类三相标准源价格高体积大，不利于携带进行现场校准。本文提出一种高精度双钳相位伏安表校准装置的设计方案，既解决了上述问题还具有准确度高、价格低、操作简单以及携带方便等优点。

二、电路设计

1.系统整体规划方案

设计中采用五个部分完成系统的设计，其中包含了各测量参数量程的自动转换、A/D转换模块、LCD显示装置以及与PC机外部通信部分。如图1所示：

图1　装置的总体设计方案结构图

2.电压测量电路的设计

本设计高精度双钳相位伏安表校准装置的交流电压测量电路由AC-DC变换器、分压电路以及数字电压表头三个部分组成。其中分压器电路的作用是扩展数字表头电压测量的范围，其原理如图2所示。U0表示数字电压表头可输入的最大电压值，假设r为数字电压表头的内阻，r1、r2为分压电路中的分压电阻，Ui0为增加分压器后数字电压表头可输入的最大电压值。

由于r >> r2，则分压比：

可以得出增加分压器电路后数字电压表头可输入的最大电压值：

本设计针对各量程加入合适的分压电阻后其分压器电路如图3所示，该电路可以测量的最大交流电压值为600V。交流电压测量电路的另一组成部分AC-DC变换器用于将AC信号转变为DC信号其原理图如图4所示。在实际应用过程中AC-DC变换器通常使用在分压器电路之后。

本设计高精度双钳相位伏安表校准装置采用的AC-DC变换器主要由运算放大器、二极管以及滤波器三大模块构成，电路中还包含一个电压输出可调的电位器，用于在出现较大误差时对ACV进行调校。

图2　分压电路原理

图3　本设计分压器原理

图4　AC-DC变换器原理

3.相位测量电路的设计

本校准装置的设计中最主要的部分就是相位测量，本节将主要完成相位测量电路的设计，相位测量电路的设计主要包括整形电路以及鉴相电路的设计。

整形电路的主要原理是通过过零比较的方式，将两路被测信号转换成矩形信号，然后将整形后的信号通过鉴相器进行下一步的鉴相工作。为了避免两路信号在测量转换的过程中出现相移的现象，在本装置设计的过程中，在两路信号中使用了相同的整形电路。因此，虽然两路信号在转换的过程中都出现了位移的现象，但是由于两路信号整形电路相同，所以两路信号的相对相位差保持不变。本设计相位测量电路如图5所示：

图5　相位测量电路的设计

假设进行相位测量的两路输入信号中其中一路为Ua，另一路为Ub，经过整形电路后的信号分别为Uc以及Ud，经过三极管整形后的信号为Ue、Uf，此时信号只有0或1，信号Ue、Uf将作为JK触发器的时钟信号，信号通过JK触发器后输出信号为Ug、Uh，同时这两个信号也是在电路中鉴相器的输入信号，信号通过鉴相器后两路信号的相位差由Ui表示，同时将信号取反后的信号由Uj表示。同时为了避免信号在过零时受到干扰的情况出现，如图4完成相位检测电路的设计中采用LM339芯片。LM339类似一个三极管，只是其集电极不接电阻，它在使用过程中输出端一般连接一个阻值为（3-15k）的电阻，其作用是控制LM339输出的大小。在本设计高精度双钳相位伏安表中，选取的上拉电阻值大小为10k。

4.稳压电路的设计

通过稳压电路的设计为系统提供5V直流电压，主要为单片机以及串口、模数转换电路等提供其正常工作的电压。

图6　稳压电路的设计原理图

如图6所示，组成该稳压电路的主要元器件为LM7805型稳压管，输入端信号为12V的直流电压，通过稳压电路能够输出稳定的5V电路，而外部稳压电路可为继电器正常工作提供电源。

5.晶振电路的设计

在单片机系统的实际运行过程中，实际上是一个复杂的时序电路，为了能够保证单片机系统的正常运行，必须在电路中增加一个时钟信号才行。本设计高精度双钳相位伏安表校准装置晶振电路的设计如图7所示：

图7　单片机晶振电路的设计原理图

三、结论

本文在简要分析了双钳相位伏安表的校准现状后简要介绍了一种基于单片机的双钳相位伏安表校准装置的设计方法，并分别从测量原理和电路设计两个方面做出了简要的介绍。该设计解决了双钳相位伏安表全参数的溯源问题和客户现场计量的问题，具有较强的实用性。

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