单片机实现交流参数检测论文.doc

摘 要
对于电力参数进行高精度、多参数的测量，是充分了解电网的运行状况，寻找并解决电力系统中出现问题以及实现电力系统自动化的重要途径。因此对于电力参数的测量，尤其是高精度、多参数、低价格、便携、稳定的实时测量就显得尤为重要，也一直是人们研究的一个重要的方向。
本文简述了交流采样原理的产生和发展，对交流采样法中的二种主要方法即同步采样法和准同步采样法做了基本介绍，并分别对其特点进行了比较。而硬件同步采样法因其硬件开销不是很大，软件量相对较小，测量所需时间短，适宜做在线实时检测。因而，本文采用此种方法。系统采用STC89C54单片机来实现电力参数的交流采样，通过液晶显示器显示频率、电压和电流的实时值。结果表明，采用交流采样方法可以进行数据采集,并采用运算获得电压、电流、频率等电力参数，它们均有很好的精确度和稳定性。单片机测量交流电量参数方案是进行电能监控系统的一部分。通过对本系统进一步完善，能够作为电力部门及用户收费，付费系统。因而，该系统具有广泛的应用前景。

关键词 交流采样原理 电参数 测量系统

ABSTRACT
It is very important for acquiring the running state and solving the problems of the power supplying system to perform high accurate, multi-parameter, low-cost, portable, real time and stable measurement of power parameters. It is also one major subject on which the researchers have focused for many years.
In this paper, the production and development of the Alternating Current (AC) sampling principle is simply explained. And the two main methods, namely, in-phase sampling and standard in-phase sampling technique are basically introduced and compared by their characteristics. However, the hardware in-phase sampling method fits for the real-time detection because the hardware spending is not very great, the software has the less proportion and the less measurement time is needed. Thus, this method is adopted in this paper. The STC89C54 Single Chip Microcomputer (SCM) is utilized to realize the AC sampling of the electric power, then, the real-time frequency, phase difference, voltage and voltaic is displayed by the LCD. The results demonstrate that the AC sampling method can get data and the power parameters of the voltage, electric current, power, which have the high precision and stability. The SCM scheme is used to measure the AC parameter, which is a part of the power supervision system. More improving of the system can utilize as the power corporations and consumers of charge and pay out system. So the system possesses the very broad application foreground.

Keywords Digital Sampling Principle Electric Parameter Measuring System

目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.2 课题研究的发展及现状 2
1.3 本文的主要工作 3
第2章 系统的总体设计方案 4
2.1 交流采样技术 4
2.2.1 同步采样法 5
2.2.2 准同步采样法 6
2.2 系统方案的确定 7
2.2.1 实时测频算法 8
2.2.2 实时有效值算法 8
2.2.3 实时功率算法 9
第3章 系统的硬件设计 10
3.1 系统硬件的构成 10
3.2 单片机的选型 11
3.2.1 STC89C54单片机的组成 11
3.2.2 STC89C54单片机的I/O端口分配 12
3.2.3 STC89C54单片机的复位和时钟电路 13
3.3 数据采集电路 14
3.3.1 电压及电流输入回路 14
3.3.2 A/D转换 15
3.3.3 锁相倍频电路 17
3.4 LCD显示电路 21
3.4.1 LCD显示模块的简介 21
3.4.2 LCD显示电路的原理 22
3.5 频率测量电路 23
3.5.1 低通滤波电路 24
3.5.2 过零比较电路 25
3.6 电源电路 26
3.7 系统的硬件电路图 27
第4章 系统的软件设计 29
4.1 系统主程序的设计 29
4.2 系统初始化子程序的设计 30
4.3 频率测量程序设计 31
4.4 显示子程序的设计 32
4.5 数据采样处理子程序的设计 33
结论 34
致谢 35
参考文献 36

35

第1章 绪论
1.1 课题研究的背景与意义
随着电力工业的不断发展，电力电子装置和非线性的使用日益增多，造成大量谐波电流注入电网，引起电力系统的电压，电流的正弦波形发生严重畸变，这对于电力系统本身和广大的电力用户来说都会造成不良的影响和危害。因此，进行有效的电力参数测量已成为一个迫切而又重大的任务。对电力系统进行高精度、多参数的测量，是充分了解电网运行状况，寻找并解决电力系统出现的问题的重要途径。因此对于电力参数的测量，尤其是高精度、多参数、低价格、稳定的实时测量就显得尤为重要。
现代社会中，电能是一种使用较为广泛的能源。其使用程度是一个国家发展水平的标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。电能质量的指标若偏离正常水平过大，会给发电、输配电和用电带来不同程度的危害，供电系统的电能质量对用电设备的性能、效率和寿命等均有重要影响，随着高新技术、尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器的管理、分析、检测、控制的用电设备和各种电力电子设备在电力系统中大量投入使用，它们对系统干扰比一般机电设备更加敏感，对供电质量的要求更苛刻。
然而电力系统负荷中具有非线性、冲性以及不平衡等用电特征，如：炼钢、轧钢、化工、电气铁路、电力电子设备等负荷，使电网的电压、电流波形发生畸变、谐波含量加大、电压产生波动和闪变、电压骤降以及三相不平衡等电力污染问题，严重影响了供电质量。根据发达工业国家电力部门的统计资料显示，频繁发生的电力运行事故、输配电设备和电器损坏事故，其主要原因是电力污染。电力污染导致电能的生产、传输、和使用的效率降低，使电气设备过热、振动和绝缘损坏，引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量设备出现偏差。发达工业国家近年来对于电力污染问题非常重视，建立了完整的检测监督和管理制度。深入分析和研究电能质量问题，探寻在一定条件下发生电磁干扰的因果关系，明确责任和义务，是电力工业适应市场竞争和可持续发展所必须的。
在我国，目前电力供应不足的现象已基本解除，随着电力改革的深入，厂网分开，竞价上网，电力供求逐步走向完善的市场化。一方面大容量的非线性负荷越来越多，电力污染问题日趋严重；而另一方面伴随着高技术的新型电力负荷迅速发展，它们对电能质量不断地提出更高的要求，致使电能质量问题逐渐受到电力企业和用户的共同关注。因此，为了电力系统的安全运行，为了终端用户的安全用电，实现电力系统自动化，以及达到电力设备的用电要求，降低用电过程中的损耗，提高用电效率，改善电气环境，准确、快速的了解和监控电力的质量正变的越来越重要。
1.2 课题研究的发展及现状
电力工业的迅猛发展，使改造现有的输电和配电网络，建立新型变电站成为广泛的需求。微处理器技术的发展和人力维护的高昂成本是电力公司建立新型自动化变电站主要原因。而实现电力系统参数的高精度、多参数的测量，是实现电力系统自动化的前提。
测量与仪表是一项涉及面很宽的多学科结合的技术，它已经日益成为现代科技和工业发展不可或缺的一环，在各个领域都发挥着技术基础保证的作用。就电测及仪表技术而言，在过去的一个多世纪里，伴随着工业化的蓬勃发展，电测量理论及仪表技术也持续快速发展，大致经历了早期、初期、中期和近期等四个阶段。
在进入中期发展阶段前，电测量技术主要是以模拟测量为主，各种磁电、电磁及电动系的电压表、电流表、功率表等是这一时期电测仪表的典型代表，这些模拟式仪表具有功能单一、精度低、响应速度慢等特点。20世纪50年代初期，数字技术的出现使得各种数字仪表得以问世，电测与仪表技术的发展逐步加快。进入20世纪70年代以来，微电子技术和微计算机技术发展迅速，1974年，美国国家标准局(NBS)的R.S.Turgel博士首次提出等间隔数字采样技术，数字采样测量法(Digital Sampling Measurement)由此诞生，此后数字电子与计算机技术在电测和仪表领域进一步渗透，成为电测与仪表技术步入中期发展阶段的标志。20世纪80年代中期以来，电测与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段。近几十年来，随着大规模集成电路、计算机技术、网络及通信技术的飞速发展，电测与仪表技术的发展也是日新月异，各种新的技术和概念不断涌现，各学科技术日趋融合，测量系统与计算机、网络、通信以及控制系统的界限越来越模糊，测量系统由传统的集中模式逐渐转变为分布模式，成为具有开发性、交互操作性、分散性、网络化和智能化的测控系统。
我国对电力参数监测技术的研究与应用起步较晚，但随着电力企业的快速增长及电网改造工作的深入，电力监测的相关研究和应用的到了迅速的发展。随着电子技术和微机技术的飞速发展，微机广泛地应用于电力系统测量中。但是电力系统对检测装置的实时性、计算能力及大数据量运算速度等各方面要求的不断提高，单片机技术的高速发展为电力参数测试技术带来了新的变革，特别是在电力系统电压和电流的测量和分析中，单片机以其运算速度快、精度高、显著的计算能力与实时性、数据输入输出能力强等特点而被广泛应用，并且采用单片机开发的测量装置体积小，集成度高;随着单片机芯片的性价比不断提高，开发工具越来越完善，单片机的应用成为目前电力参数测试开发的一大突破。
1.3 本文的主要工作
由前面讨论知，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算方法，研制功能齐全、性能优良、使用方便的电力参数测量系统，是十分必要的。电力参数测量涉及到大量的数据计算，采用原来的装置显得力不从心。在借鉴众多电力参数测量仪器的功能和特性的基础上，设计了基于STC89C54单片机为核心的电力交流参数测量装置，对交流电力参数进行交流采样，通过液晶显示器显示频率、相位差、电压和电流的实时值。实践证明，采用交流采样方法进行数据采集，通过运算获得的电压、电流、有功功率等电力参数有很好的精确度和稳定性。本文的主要工作包括：
（1）首先分析了电力参数测量的重要意义，对电力参数检测的发展概况作了简单的回顾，简要的讨论了电力参数检测中的主要测量方法以及它们的优缺点；
（2）了解交流采样原理，并对其原理及算法进行系统的介绍；
（3）基于单片机技术，采用了STC89C54为处理核心，设计了电力参数测量系统，并对此系统进行了相应的硬件设计和软件设计，包括了数据处理单元、A/D转换单元等；
（4）对装置的主要芯片进行了解，并画出硬件原理图；
（5）对本装置的设计作了总结，并提出了对未来工作的展望。

第2章 系统的总体设计方案
本文所设计的基于单片机的交流参数检测系统，其关键的环节是数据采集部分。根据采集信号的不同，分成直流采样和交流采样两种。直流采样通常是把交流电压、电流信号经过变送器转化为0～5 V的直流电压，此方法软件设计简单，对采样值只需做一次比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样仍有局限性，无法实现实时信号的采集，变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响，设计复杂等。交流采样是通过二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，并采用软件编程方法来实现硬件的功能，因而实时性好，相位失真小，硬件的投资大幅降低。所以，本系统采用交流采样的方法来测量电力系统的参数。　
2.1 交流采样技术
采样又称取样、抽样、对模拟信号在时间上离散化、幅值离散化。这样用在电参量测量中可以克服模拟运算准确度较低且模拟器件易受各种干扰影响的缺点，从同一批数据中可获得许多电参量信息，对于一个连续的时间信号f(t)，若其最高次谐波分量的频率为，当采样频率时，采样信号就将无失真地反映被测信号f(t)这就是香农(Shannon)采样定理。
本文所述交流采样技术主要应用于电参量测量领域，就是对周期或非周期的交流待测信号在CPU的控制下，由采样保持器进行采样和保持，再送给 A/D转换器进行模数变换、量化处理，将模拟量变为数字量，送存贮器存贮，最后由CPU进行一系列运算、处理、得到结果送显示器显示、原理框图如图 2-1 所示

采样
保持器
A/D
转换器
CPU
显示器
信号输入

图2-1 交流采样法原理框图
交流采样技术主要分以下二种方法：1.同步采样法 ；2.准同步采样法。下面分别加以介绍：
2.2.1 同步采样法
此法也是最初采用的方法，同步采样法（P.S.Wright,P.Pickering，1999）（A.A.Girgis, J.Qiu，1989）是指采样时间间隔 Ts与被测交流信号周期 T及m个周期内采样点数 N之间满足关系式 mT= NTs。
对于周期为T的信号，设采样由t =0处开始，在m个整周期中均匀采样N次，则采样时间间隔Ts= mT/N 那么第 i 次采样的时间为
（2-1）
以测功率为例，交流平均功率为
（2-2）
经等间隔同步采样后，各采样点的瞬时功率值为，经离散后m个整同期的平均值为

（2-3）

以上以功率测量为例来说明同步采样的原理，对电流、电压有效值的计算公式与功率相似，其它参量如功率因数、视在功率、无功功率等可通过计算得到。
同步采样法有两种实现方法，一是用硬件实现，由硬件同步电路向CPU
提出中断实现同步。硬件同步电路有多种形式，常见的有锁相环电路。但是这种电路较复杂，实现起来成本较高。典型的硬件同步电路如图2-2所示。二是用软件实现，常规的软件同步采样法首先要测量被测信号的周期T，然后除以一个周期内的采样点数N，得到采样间隔Ts，并确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。所以，软件同步采样的核心和前提是对被测信号进行精确和实时的测频，并以此计算出采样的时间间隔。软件同步的原理框图如图2-3所示。软件同步不需要专用的同步电路，省去了硬件环节，结构简单，节约成本，得到了广泛的应用。

图2-2 硬件同步法原理框图

图2-3 软件同步法原理框图
2.2.2 准同步采样法
准同步采样是从同步采样演变而来，在同步采样的基础上通过适当增加采样点及采用相应的算法进行数据处理的一种方法。它去掉了同步采样中的同步环节，节省了硬件开销，在被测信号的m个周期内，以等间隔同步采样（m×N+1）点。N为每周期采样点数，采样时间间隔Ts =（T为被测信号周期，为周期偏差的）对采样数据值进行m次叠代，最终得到测量值，准同步采样在算法上的主要依据是，为周期信号求其平均值，有下面的表达式：=，其中2为f(x)的周期，是积分起点对应的角值，在采样过程中，通过适当增加采样数据量，在满足一定条件时可采样3～5 周期，通过数值积分公式进行叠代运算，就可以获得对的高准确度估计。
设周期信号，其平均值为，经叠代处理后有
，显然的准确度取决于可忽略的近似程度。递推公式如下
n=2, 3, 4
（2-4）
对三次叠代的展开公式如下,每周期采样点数为64点。
= （2-5）
这样处理后，简化了软件计算过程，把三次递推运算均选用矩形数值求积公式，即用采样点形成的每个小矩形的面积之和来模拟整个曲线的下含面积。
2.2 系统方案的确定
虽然，准同步采样技术使测量装置简单，简化电路。准同步采样法的不足之处在于：它需要通过增加采样周期和每周期的采样点数，并采用迭代运算的方法来消除同步误差，其所需数据较多，计算量远大于同步采样，运算时间较长，不适合多回路、多参量实时性要求高的在线交流测量系统，而且受短暂突发性干扰影响的可能性要比同步采样大。由于同步采样技术运算速度最快，运算量也较小，故采用同步采样技术测量电流、电压有效值和有功功率值、并通过计算得到视在功率、功率因数、频率、有功、无功电能。由于本系统属于实时处理系统，因此所有算法都必须采用实时算法来进行，下面分别介绍实时测频算法，实时有效值算法和实时功率算法。
2.2.1 实时测频算法
测频电路的输出连接到单片机的外部中断引脚上，每个测频方波输出的下降沿都要申请一次单片机的外部中断，再通过定时器来测量出中断的间隔时间，最后根据采样点数计算出采样定时间隔，并使用定时器的中断方式来完成数据的等间隔采样。尽管在该电路中采用了施密特比较器电路，也不能避免单次测量产生误差。因此本系统采用了以下的测频方案。
本系统是使用了将多测量周期值进行筛选并加权平均的算法，来测量出电压信号的频率的。如果采用单次测量周期的来确定下一周期的采样间隔的方法，显然响应速度快，但会受到单次测量误差的影响，导致测量不准确。然而采用多周期测量值平均的算法显然克服了单次周期测量误差的影响，但同时也带来了缺点，就是所测得的频率只是前几个周期频率的平均值，显然只适用于固定频率的系统，而不适用于频率变化的系统。怎样才能既消除单次的测量误差，又能使测得的频率更接近于下一周期的频率呢？因此本系统采用的方法一，是运用了数据筛选法，从最新的5个采样周期数值中筛选出最接近的3个数值进行计算，通过此法来去除因干扰产生的错误周期测量值。方法二，是在系统中采用了多周期进行加权平均的周期测量方法。鉴于实时测量系统的需要，因为系统的频率变化又是相对缓变的，因此采用了加权平均的方法，即越新的周期测量值使用的权值越大。因此是将当前最新的5个周期测量值中最接近的3个进行加权平均的。
这样，采用软件和硬件共同的抗干扰措施后，可以计算出较为准确、实时
的信号周期值。保证了计算结果的真实、准确。
2.2.2 实时有效值算法
从有效值定义可知，是按照功率来定义的，即被测电压(或电流)与一直流电压(或电流)在相同阻值的电阻上在相同时间发热相等，就认为被测电压(或电流)的有效值等于该直流电压(或电流)的幅值。这里需要注意的是由于被测量不是纯交流量，因此决不能使用,或者从平均值折算
得出有效值，这样会带来很大的误差，因为不同的波形其波形因数也不同。因此，对于有效值，采用一个周期中所有采样点的平方和除以采样点数，然后开方的方法计算。这种方法符合有效值的定义，对任何波形都适合。
若将电压有效值U在一个周期内离散化，即U=，用有限个采样电压的数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则有：
(2-6)
式中:ΔTm 为相邻两次采样的时间间隔；um 为第m - 1个时间间隔的电压采样瞬时值；N 为1个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等,即ΔTm 为常数ΔT,考虑，则有，此式就
是根据一个周期各采样瞬时值及每周采样点数计算电压信号有效值的公式。 由于本系统属于实时测量系统，因此所有算法都是实时算法。也就是在数据处理时，每读入一个新的采样值就进行一次有效值运算。对于电流的有效值计算和电压有效值的计算方法类似，因此电流有效值的计算可以采用下面的公式计算：
(2-7)
2.2.3 实时功率算法
功率的测量主要指有功功率测量，无功功率测量，视在功率测量三个方面的参数测量。
由有功功率的原始定义式可知，有功功率可以表示为瞬时电压u和瞬时电流i的乘积在一个基波周期内的积分，然后再取平均值。利用类此有效值的计算方法，我们可以得到有功功率的离散表达式：
(2-8)
式中：为同一时刻的电流电压采样值。使用该公式省去了测量各次谐波的电压和电流之间的相角，但是要求电压和电流的采样值必须是同时进行采样所得到的。
第3章 系统的硬件设计
3.1 系统硬件的构成
本文所设计的基于单片机的交流参数检测系统由电压输入回路、电流输入回路、多路开关/采样保持/A/D转换器TLC2543、STC89C54单片机、低通滤波电路、过零比较电路、锁相倍频电路、LCD显示电路和电源电路组成。
其中电压输入回路由电压互感器和运放组成，电流输入回路由电流互感器和运放组成。A/D转换模块TLC2543，内部集成了多路开关和采样保持器。由于本系统用于交流参数测量，需要测量三相电流和三相电压。系统的测量原理为：交流电压、交流电流经过电压互感器(PT)、电流互感器(CT)变成1～2mA的电流信号、-5～+5V的电压信号, 高性能的运放组成的放大电路保证电压取样信号稳定、低噪声、低漂移。经过多路模拟开关的切换和采样保持器对变换后的信号进行采样保持然后送入A/D转换器转换为相应的数字量。单片机对采样值进行数据处理，处理结果可以储存在数据储存单元，也可在液晶显示器上显示所选择的处理结果。锁相环电路的作用是将输入的工频信号进行N倍频，并与输入信号严格同步，产生N倍频同步触发信号，控制采样及保持电路进行A/D转换。系统硬件的总体结构框图如图3-1所示。

图3-1 系统硬件的总体结构框图
3.2 单片机的选型
数据处理部分是将采集来的数据进行转换，主要是由CPU实现。本设计需要选择对数据处理速度要求不是很高，但要求无论是ROM还是RAM都相对比较大的单片机，所以选用宏晶公司生产的STC89C54RD+芯片。该芯片与MCS-51兼容，内部含16KROM、1024+256字节 RAM，并有E2PROM功能和硬件看门狗定时器功能。性能优良，使用方便，成本低。
3.2.1 STC89C54单片机的组成
STC89C54单片机主要包括电源部分、CPU部分、人机界面部分、串行通讯部分、接口应用部分、系统扩展部分。
1.电源部分
提供5V直流电源，正常工作电流0.2A左右，选择5V、1A的开关电源。为了下载程序，电源回路中增加了一微动开关，每次更新程序时，需按下微动开关，断开电源2秒左右。因有万年历芯片，还安装了3V钮扣电池，作为万年历芯片的备用电源。
2.CPU部分
CPU采用比较流行的SST公司的STC89C54，有16K程序存储器，晶振频率为22.1184M，最大可到80M。STC89C54内部具有上电复位功能，为了可靠，增加了手动复位按键；另外，还利用了万年历芯片的电源监控功能进行复位管理。
3.人机界面部分
可选择128×64点阵液晶屏、32字符液晶屏或8位数码管三种方式进行显示，还可安装8×8点阵屏。采用数码管、键盘专用芯片BC7281B，接线简单，几乎不占用CPU时间。
4.串行通讯部分
采用RS232和计算机或其他单片机通信，可在线下载程序。
5.接口应用部分
可控制2路微型继电器、一个蜂鸣器，通过2路温度传感器可采集外界温度。万年历芯片为X1227，它还有512字节的EEPROM存储器，可保存数据。2路12位模/数转换芯片为MCP3221，2路12位数/模转换芯片为DAC7571，它们采用I2C总线控制，体积小、速度快、精度高。8路I/O扩展采用串行芯片PCF8574，驱动能力强，可双向控制。2M字节Flash存储器芯片为M25P16,可存储大批量数据。
6.系统扩展部分
由于采用先进的总线切换技术，只使用了小部分CPU的I/O口线，大部分可用于系统扩展。
3.2.2 STC89C54单片机的I/O端口分配
单片机的I/O具体使用情况如下表1所示。
表1
I/O口线
使用情况
扩展性
P0.0～P0.7
液晶屏数据总线

P1.0
2片DAC7571的时钟线、P8574的时钟线
只有取消原功能，才能扩展
P1.1
控制继电器1，高电平接通
P1.2
液晶屏“有效”选择线
P1.3
X1227时钟线，2片MCP3221的时钟线
P1.4
液晶屏读/写选择线、第1片MCP3221的数据线、2片DAC7571的数据线、M25P16的数据输入/输出线、P8574的数据线
P1.5
控制蜂鸣器，低电平鸣响
P1.6
控制继电器0，低电平接通
P1.7
BC7281B数据线、X1227数据线、液晶屏数据/指令选择线、第0片MCP3221的数据线、M25P16的时钟线
P2.0～P2.7
未用
直接扩展使用
P3.0
串行通讯输入线
直接扩展使用
P3.1
串行通讯输出线
P3.2～P3.7
未用
直接扩展使用
P4.0
DS1820时钟线
只有取消原功能，才能扩展
P4.1
BC7281B的时钟线
P4.2
M25P16“片选”线
P4.3
BC7281B按键指示线（INT2中断）
3.2.3 STC89C54单片机的复位和时钟电路
1. 复位电路
单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位，外部复位电路是为了内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是VCC上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与VCC是的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。在本系统中，电容C取10uF，电阻R取10K，充电时间常数为100ms。复位电路如图3-2所示。
2. 时钟电路
XTAL1和XTAL2脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C1、C2构成并联振荡电路。当外接石英晶体时，电容C1、C2选30pF±10 pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C1、C2选47pF±10 pF。外接电容C1、C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在本系统中，选用12MHz的标准石英晶振，电容C1、C2选22pF。时钟电路如图3-3所示。

图3-2 复位电路 图3-3 时钟电路
3.3 数据采集电路
数据采集电路由点电流、电压输入回路、采样保持及模/数转换器TLC2543、锁相倍频电路构成。由于采集的对象为电压、电流等模拟量，所以必须经A /D转换器变成数字量以后，才能送入STC89C54进行处理。
3.3.1 电压及电流输入回路
被测的三相交流电压和三相交流电流信号首先经过互感器隔离变换和输入电路将其规范为A/D转换器的电压输入范围内的相应电压信号。下面以A相为例，分别介绍点电压输入回路和点电流输入回路。电压输入回路如图3-4所示，电路由电压互感器及高性能运放组成，电压互感器隔离了电网上的各种干扰，对内部电路起保护作用，高性能的运放保证电压取样信号稳定、低噪声、低漂移。

图3-4 电压输入回路
电流输入回路如图3-5所示，此电路由电流互感器及高稳定度的电阻和高性能运放组成，将电流信号变为与输入电流信号或正比的电压信号输出。

图3-5 电流输入回路
此电路中的取样电阻R非常重要，要求选用固有噪声小，温度系数低的精密金属膜电阻。设电流互感器次级电流为I，则运放的输出电压为U=IR，若温度变化了AT度，取样电阻R的湿度系数为appm/度，此时的输出电压为：
（3-1）
电压的变化量：
（3-2）
可见由温度变化引起的输出电压的变化量与取样电阻的温度系数成正比关系。所以在该系统中R选用100K的。此电路中的运放也应运用低失调电压，低噪声的精密运算放大器，本文选用OP27。
3.3.2 A/D转换
在智能化测量仪器中，为了能够实现对外界模拟信号的测量，必须要采用数据采集系统将信号送入仪表之中。数据采集系统是外部信号进入仪表内部的必经之路。多路数据采集电路包括多路模拟开关、采样/保持器、A/D转换器。模拟开关将多路被测模拟信号轮流送入采样/保持器，采样/保持器的作用是为了给A/D转换器提供一个稳定的输入信号以满足A/D转换器的动态特性。为了简化电路的硬件结构，本设计采用模数转换器TLC2543。
1.TLC2543芯片
TLC2543是一种12位开关电容逐次逼近式模数转换器，带有SPI（Serial Peripheral Interface）接口。它消除了以往许多AD芯片并行输出，连线复杂的特点，并在AD转换结果串行输出的同时，可以串行输入下次AD转换位的控制字。该芯片提供的最大采样速率为66ksps，供电电流仅需1mA（典型值）。TLC2543的内部结构框图如图3-6所示。它有3个输入控制端：片选（），I/O时钟（I/O CLOCK）以及数据输入端(Data Input),同时还可以通过串行的三态输出端与主处理器及其外围串行口进行通讯，以输出转换结果。除了高速的转换功能和通用的控制能力外TLC2543的片内还具有14通道多路器，可以选择11个模拟输入通道（AIN0—AIN10）或三个自测电压（self-test）中的一个。转换结束时，EOC输出变高，指示转换完成。编程器件的DATA INPUT管脚串行输入的8位数据通道/方式控制字节的高4位，可以选择11个模拟通道的任何一个。也可校正或其他用途。通道/方式控制字节的低4位用于选择输出数据的长度（8、12或16位）、输出数据的顺序（以MSB开始或以LSB开始）和是否需要单极性（二进制）或双极性（二进制补码）格式。

图3-6 TLC2543的内部结构框图
2. TLC2543的接口电路
TLC2543有十一路模拟输入通道，它将多路开关、采样保持12位A/D转换，基准电源，内部时钟等集成于一个芯片内，大大提高了可靠性，此部分电路将信号输入电路传来的信号进行 A/D 变换，将模拟输入量变成数字量，送给CPU进行处理。系统的采样时间间隔为0.5s。采样时，在1个信号周期内对一相电压、电流等时间间隔准确采样16点，并把结果送入片外数据存储器相应的存储页内。三相全采样完毕后，对采到的数据进行数字滤波，计算有效值。TLC2543和STC89C54微处理器的接口电路如图3-7所示。TLC2543的I/O时钟、数据输入、片选CS由并行双向I/O口1的管脚P1.0、P1.1、P1.3提供。TLC2543的转换结果数据通过口1的P1.2脚接收。通道选择和方式数据通过口3输入到微处理器。

图3-7 TLC2543的接口电路
3.3.3 锁相倍频电路
锁相环及分频器电路是将输入的工频信号进行N倍频，并与输入信号严格同步，产生N倍频同步触发信号，控制采样及保持电路进行A/D转换。具体方法是：用锁相环路来控制采样的定时和速率，如图3-8所示。锁相环路中的压控振荡器的输出，经分频器分频，变成一种接近输入同步信号基频的参考脉冲，在相位比较器的输入端，直接跟输入同步信号进行相位比较，相位比较器的输出，是比例于参考信号和输入同步信号之间的相位差的直流分量。用于控制压控振荡器的振荡频率，当达到锁相状态时，即可实现同步采样。

图3-8锁相倍频电路
1. 锁相环的基本原理
锁相倍频电路由整形电路、鉴相器、低通滤波电路、压控振荡器、分频器等组成。其中的鉴相器PD、低通滤波器LPF及压控振荡器VCO组成锁相环路，并形成一个闭环反馈系统。为参考频率，鉴相器将与进行相位比较，即产生一个正比于其相位差的误差电压，从而使得VCO输出频率与参考频率差减小。当与充分接近时PLL的闭环性质将迫使=，亦即PLL锁定，所以有关系：
（3-3）
式中为鉴相器增益系数；为参考频率的相位；为分频器输出频率的相位(即的相位)。设压控振荡器输出频率与控制电压呈线性关系：
（3-4）
其中，为VCO的斜率，由于频率是相位的导数，故有 （3-5）
取拉氏变换 （3-6）
则 （3-7）
其中，F(s)为LPF的传递函数。
将上述二式合并，整理有 （3-8）
一般环路滤波器RC低通或比例积分滤波器，其传递函数为F(S),F(S)为或。将F(S)代入H(S)中，对应的环路传递函数为二阶系统，只要选取适当的RC值就可以使得一阶系统能迅速锁定。
2. 器件的选择
本设计采用CD4046和可预置计数器CD4518组成100分频的锁相倍频电路。CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。图3-9是CD4046内部电路原理框图，主要由相位比较1、2、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。输入信号从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器1、2的输入端，图中开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号与输入信号作相位比较，从相位比较器输出的误差电压则反映出两者的相位差。经R3、R4及C2滤波后得到一个控制电压加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率，使迅速逼近信号频率。VCO的输出