1 概述
电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源，在现代社会中起着越来越重要的作用。电测量仪是一种测量电网中电压、电流、功率等参数的仪器，它在电力系统中起着非常重要的作用。
传统的功率测量仪的局限性一般体现在以下几个方面：第一，进一步提高精度十分困难，动圈式仪表目前只能做到一级，自动平衡仪表结构相对复杂，精度一般在 0.5 级，若采用闭环结构虽可以提高精度，但随之而来的却是结构相当复杂，成本也会大幅提高。第二，仪器的功能单一，进行综合测量时要携带多个仪器，操作人员工作强度大。第三，无法重新写入程序，实现软件升级，提高劳动生产率。
本课题研究的智能功率测量仪可用于在线进行交流电压电流有效值、有功功率、功率因数等电量参数的综合测量，采用LED显示，读数直观、准确。并且程序存储器采用了EPROM，可以很容易的实现软件升级，从软件方面提高仪器精度。具有广阔的市场和发展前景。
2 系统设计原理及其方法
2.1 交流数字化测量方法
测量[1]就是借助专用的器具，通过实验、计算来获得表征被测对象特征的某些参量的定量信息。目前，采样计算式测量方法主要分为两类[2]：直流采样法和交流采样法。直流采样法，即采样的是经过变换后的直流量。采用直流采样法通常是通过测量平均值来计算电压、电流有效值的。此方法软件设计简单、计算方便，对采样值只需作比例变换即可得到被测量的数值。但是直流采样方法存在一些问题，如：测量准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难, 而且受波形因数的影响较大等。
交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值，它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能。交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的连续曲线，其原理误差主要有两项：一项是用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差；另一项是将连续的电压和电流进行量化而产生的量化误差。
采用均匀采样方式对周期信号进行数字化测量时，把采样频率与信号基波频率之间是否存在整数倍的关系，称为同步采样或非同步采样。两者间满足整数倍关系的采样称为同步采样，否则便称为非同步采样。同步采样理论上可以达到精确的信号测量和分析的目的[3]。但实际同步采样中，尤其是在非正弦情况下，由于硬件锁相环路的跟踪误差或采样频率软件自动锁定误差的存在，总存在同步误差。准同步采样法，即在非同步度不太大的情况下,通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度的方法，它较好地解决了同步误差对测量准确度的影响。
2.2 非同步采样算法
本仪器的设计中，采样方法采用了非同步采样技术中的非过零起始采样算法[4]。由数学分析方法可知在区间[0，T]上的复化矩形数值求值公式为
（2—1）
复化梯形数值求值公式为
（2—2）
2.3 误差处理
在理想的线性系统中，系统的输入与输出之间成比例关系。但现实中理想的系统是不存在的，严格意义上讲，系统不但是非线性的，而且是时变系统，非线性和时变的程度决定了仪器的精度。
本设计中采用了自校准技术[5]来消除系统误差。
在智能仪器中，利用微处理器的数据处理功能，通过专门设计的校准程序，必要时增加少量附加电路，可对仪器自身进行校准，以消除系统误差对测量结果的影响，这种功能称为系统的自校准。在一定条件下，选择一个标准基准量代替被测信号进行测量，从而可以得到仪器的系统误差，将误差存储起来，在以后的实际测量中扣除此系统误差，就可得消除误差后的校准值。图 2.1 是用来克服智能仪器中增益和零漂对测量结果影响的自校准电路。
图 2.1 自动校准电路
自校准时，首先将多路开关接通地，因此系统输出电压为：
（2－3）
式中 G 是系统的总增益，ε为折合到系统输入端的增益及漂移的影响，其次将开关接通到基准电压输入端，测量电压为
（2－4）
最后接通待测电压V，得
（2－5）
由式（2－3）、（2－4）、（2－5）可解得：
（2－6）
上式中，已将仪器增益及零漂变化对测量结果得影响ε消除掉了，可见测量过程中只要将测试值存入仪器内存中，利用式（2－6）即可实现自校准。在上述校准过程时间较短，所以认为零漂和增益是常数。
安排内部自动校准时，设置了“自校准”按钮，只有在按此按钮时，系统才进行一次校准。
3 系统的硬件设计
3.1 系统硬件的总体设计
本设计采用 INTEL 公司的 8031 单片机作为处理器，系统主要由信号采集、人机接口、等几个功能模块组成。整个系统的图 3.1 所示。
图 3.1 硬件原理
它的工作过程是把被测交流电压、电流信号经过电压、电流传感器变换成-4.5～4.5的交流电压信号，再进行抗混叠滤波。采样模块对信号调理模块的输出进行采样，采样值进行 A/D 变换后存入数据存储器，采样过程结束后，CPU 对采样值进行数据处理。
3.2 存贮器扩展
本设计中扩展了2K数据存储空间和8K程序存储空间。分别选用了静态 RAM6116[6] 和 EPROM2764[6]。采用了带三态缓冲输出的八D 锁存器74LS373[7]。
3.3数据采集单元
3.3.1 模拟信号输入电路
由于电网并不稳定，常常会出现幅值很高的高压脉冲，要将其幅度加以限制才不至于损伤后级器件，最简单的方法就是用两个并联且方向相反的二极管接在电流/电压转换电路运算放大器的输入端上。
3.3.2 模拟抗混叠低通滤波电路
在实际应用中要获得模拟信号的全部信息，也要满足奈奎斯特采样定理的要求，防止发生频谱混叠。因此在进行采样前，要对信号进行滤波。为了获得较好的滤波性能本设计中采用了二阶有源低通滤波器[8]，如图 3.2所示。
图 3.2 二阶低通滤波器
本设计中，设计的滤波器截止频率为fC=50Hz ，根据2阶巴特沃兹低通滤波器中各参数计算公式：一般取R1＝R2＝R（R＝4.7K～10 K），这 里 取 R＝4.7K，则
3.3.3 整形二分频电路
本设计中的整形二分频电路如图 3.3所示。该电路中，电压输入衰减信号通过低通无源 RC 滤波器后加到集成电压比较器的反相输入端，在输出端整形为与被测信号同频率的方波信号。图 3.7 中的电阻 R1、R2 的作用[16]是在比较器的输入形成回差，使得输入信号中存在较大误差时，比较器输出波形的前后沿不产生抖动，改善了输出波形的质量。电阻R3的作用是使集电极开路输出的比较器输出的电压在0V到5V之间，符合 TTL 电平的要求。
图 3.3 整形二分频电路
3.3.4 采样和 A/D 转换电路
本设计中为了在计算功率时减小相位误差，要求电压、电流是同一时刻的采样值，我们采用了用两路采样保持电路进行同时采样，再通过多路开关输入到 A/D 转换器的方案，如图 3.4 所示：
图 3.4 多通道同时采样数据采集系统
这种方法既可达到同时采样的目的，又节约了一片较昂贵的 A/D 转换芯片，降低了成本。但这样处理也加大了对 A/D 转换器转换速率的要求，因此选用了转换速度较高的 AD574 为数模转换芯片。
本设计中，AD574与8031单片机的接口电路如图3.5所示。
图 3.5 AD574与8031单片机的接口电路
3.4 超量限判断电路
在单片机控制的数据采样电路中，超量限判断电路[9]起着重要作用。当仪器输入的电压或电流超过设定量程的最大值时，超量限电路应发出信号通知单片机显示过载信号。超量限判断电路通常采用将交流信号转换为直流信号，然后再与设定直流电压比较的方法。这种方法在设计中需要交直流转换电路，较复杂且成本高。本仪器的设计中，采用了交流信号比较的方法，其电路图示于图3.6中。
图 3.6 超量限判断电路
4 系统的软件设计
4.1 主程序设计
主程序的流程如图 4.1 所示。它完成主程序完成系统的各种功能初始化操作.
图 4.1 主流程图
4.2 功能模块
该模块完成电信号的采集、计算、显示等任务，流程如图 4.2 所示。进入测量功能模块，为了保障数据采样的实时性，需要将其他中断关闭。采集完毕，打开中断以响应校准请求。再根据非同步采样算法进行计算，可以得到电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数等参数。
图 4.2 功能模块流程图
4.3 中断管理
在本软件中只使用了一个中断：内部自动校准中断。校准方法流程图如图4.3所示。
图 4.3 内部自动校准的程序流程图
5 结束语
仪器设计时，以简化硬件电路、降低成本，充分利用微处理器为指导思想，因此仪器中硬件带来的误差不再成为仪器误差的全部来源。在误差构成中，除硬件带来的误差外，测量方法和软件实现上带来的误差占了很大一部分。仪器的误差主要表现在以下几个方面：
① 输入回路引起的测量误差
在仪器中被测信号是通过输入回路实现信号的变换和隔离的，输入回路的误差直接影响仪器的精度。本仪器采用的输入回路比值差为 0.1 级。
② 数据采集系统的量化误差
在数字化测量中，测量系统的系统误差来源于 A/D 转换的量化误差，量化误差的大小直接影响到数字化测量的精度[20]。
③ 采样方法引起的误差
当信号频率变化范围在 49～51Hz 之间，采用非同步算法进行计算误差小于 0.001%。但由于开始采样时是由软件查询形成的，系统进入采样的延时时间是个随机数，故对采样误差留10倍余量，即采样误差应小于0.01%，可以满足设计要求。
参考文献
[1] 赵新民，王祁．《智能仪器设计基础》[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999．
[2] 赵泰茂．《智能仪器原理及应用》[M] ．北京：电子工业出版社，1999．
[3] 李华．《MCS－51 系列单片机实用接口技术》[M] ．北京：北京航空航天大学出版社，1993．
[4] 周平，伍云辉．《单片机应用技术》[M] ．成都：电子科技大学出版社，2004．
[5] 徐维祥，刘旭敏．《单片微型机原理及应用》[M] ．大连：大连理工出版社，1996．
[6] 谢宜仁，谢炜，谢东辰．《单片机实用技术问答》[M] ．北京：人民邮电出版社，2003．
[7] 周航慈．《单片机应用程序设计基础》[M] ．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[8] 张志伟.《电测新技术及其发展》[J].电测与仪表，1997，(9).
[9] 丁丽娟.《数值计算方法》[M].北京：北京理工大学出版社，1997.
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