单相电源谐波测量检测作业

1、单相电源谐波测量1. 功能1）能够选择查看某一谐波幅值；2）最高谐波次数为20次；3）被显示的谐波幅值用相对值表示（谐波幅值 /基波幅值）2. 指标测量精度：0.1%二. 测量原理及其算法算法原理：一个周期为21的函数f（x）可用傅立叶基数展开为f(x)ao2/ n x(an cosn 1lbn sin 亍)(1)其中：ao1 1| | f(x)dx ,f(x)cos干dx , bnlf (x)sindx将连续函数的傅立叶基数展开式（1）离散化。为了离散化（1）式,在周期区间（o, 2l ）上等间隔的取 N个点，取样间隔为t，那么l NJ2这里要注意dx t 。则f（x）的离散化序列为xo，x

2、1,x2,xN 1 ，且X数，由此（1）式的离散化形式为:lNaoxi 2(ak cos2 ki其中:2 N 12 kia。Gx，akXi cos , bk2 N 1. 2 kixi sin在这里对做一个变换，对其分子分母同乘以t后变为：N2 （i t），由此可得出第Xk项为一个正弦和一个余弦周期函数之N t和'其频率同为：fk占半，其中T为所取序列总的时间长度。随 着k的增大，三角函数的频率逐渐增加，周期逐渐减小，其周期为:Tk N-t -。当k N 2时，谐波的频率最大为：fN ，该频 fk k k22 t率称为Nyquist频率，当k从N2取到N时，其结果与k从0取到N2是镜像对

3、称的。现在将（2）式的各次谐波写成如下形式：Xiao2Ck cos(2 kiNK)(3)其中：Ck - a2 bk2，为k次谐波的振幅；k arctan（鸟），为k次谐波ak的初相 实现方案：以单片机为核心，配以适当的硬件电路和软件的设计 ，实现对单 相谐波的测量。1. 通过互感器将输入信号线性变换为-5v - +5v 电压信号。2. 由于传感器、放大电路本身的影响，造成在信号进入采样保持器之前,所采信号中混有各种频率的信号。为保证谐波分析的精确性，采用前置滤波器进行抗混叠滤波，滤去谐波中的高频成分，使输入 到模数转换器的信号为有限带宽，防止信号的频谱发生混叠及高 频干扰。3. 采用集成锁相环

4、芯片CD4046和计数器74LS393组成锁相环 电路来解决由电网畸变波形周期波动造成的采样不同步和采样频率不是畸波频率整数倍造成的频谱泄露和栅栏效应。4.将滤波后的信号输入到芯片MAX12进行A/D转换5.利用AT89C55WID片机，C语言编程，对经A/D转换后的信号进行采集，采集的信号先存储到外接数据存储器。当达到所要求的点数时，进行DFT算法，计算出电参数，将数据存入存储器6.将计算的出的电参数进行液晶显示。电流互感器信号预处理电路电压互感器核心处理器AT89C55WDCM12864液晶显示外扩的数 据存储器62256和程序存储器 27C256通讯接口硬件电路原理图三. 硬件设计方案1

5、、电压电流互感器电路本系统选用HPT205A&压互感器和HCTZO电流互感器。这两种互感 器的信号频率范围为 20Hz3kHz本系统测量谐波的最高次数为 20 次，则测量最高频率为 1kHz,在其频带范围内。另外，HPT205A和 HCT204精度均为0.1%,能满足精度要求。HPT205A输入电流为O 2mA输出也为0 一 2mA使用时需要加限流电阻使得输入电流在 2mA 内。HPT204电压输入为05A输出为02.5mA由于互感器输出信 号均为电流信号，在使用时需要能将信号转换为电压。电压电流互感器采集2.滤波电路如图所示，为保证谐波分析的精确性对信号的滤波，滤去 谐波中的高频成分

6、， 使输入到模数转换器的信号为有限带宽， 防止信 号的频谱发生混叠及高频干扰。C2aC2b3电网频率不是一成不变的，因此以固定的采样频率对电信号进行采样就会产频生谱泄露。当电网频率发生波动时采样频率将不能与输 入信号同步，从而产生频谱泄露和栅栏效应。本系统采用锁相环同步电路来解决这些问题。此电路由集成锁相环芯片 CD4060和计数 器74LS393组成锁相环结构示意图INT1A 74LS3 9314飞MRQ0Q1Q2Q3>CLKQ0Q1Q2MRQ313128B 74LS3 931 11 09C420°PfR6671 0K404 6AINPCPBINPC1VCININHPC2CA

7、CBVCOUTR1R2SFZEN951 112R81MR72.2 u100KC54.信号预处理模块如下图所示，为保证谐波分析的精确性，用输 入时钟频率控制输出转角频率的方式来实现对信号的滤波，滤去谐波中的高频成分，使输入到模数转换器的信号为有限带宽， 防 止信号的频谱发生混叠及高频干扰。，这里芯片的CLK采用外接一个小电容的方式产生内部时钟信号MAX293接线原理图5. A/D转换模块如下图所示，A/D选用了 MAXIM公司生产的 同步采样数据采集芯片MAXI25是一种高速多通道的数据采集芯片， 14位字长，16MHz外部时钟，每个通道的转换时间为 3us。参考电 压可选用器件内部提供的2.

8、5V，也可选用外部参考电压。片上带有 4个采样/保持电路，每个采样/保持电路可同时用于2路输入。此 处用输入通道CHI来实现A/D转换cs处于低电平有效，WR也处于低电平有效，数据在CS或WR上 升沿被读入器件内锁存，之后等待转换。CONVST的一个地脉冲到来， 则可进行一次数模转换，每进行一次A/D转换，则检测一次INT信号， 若出现低电平，则转换结束。MAX125A/D转换电路6.转换后的的信号输出到单片机进行分析，但由于MAXI25非三态，因此不能直接与总线相连，且 MAXI25为14位，AT89C55W为8位。因此，需要增加2片74F245高速八总线收发器将8位I /O 口扩 展使用，

9、然后在送入单片机进行分析7显示模块如下图所示，CM12864-12汉字图形点阵液晶显示模块， 可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字 符（8X16点阵）及64X256点阵显示RA（GDRA）与MCU接口可选 8位或4位并行/3位串行。为节省单片机I/O 口，本系统采用3位 串行接口。显示电路8.设置三个按键A、E、C。A键开关机，B键用来增加显示谐波幅 值的次数，C键键用来降低显示谐波幅值的次数。四. 谐波分析软件流程图如下图所示主程序流程图单片机中断信号读转换后的数据组合数据的高位和低位写入存储器厂采集结束处理采集数据A/D转换流程图参考文献1. 谐波抑制和无功功率补偿 .机械工业出版社 .19982. 快速傅里叶变换电网谐波分析仪的研究 .哈尔滨理工大学 .20073. 窗函数特性及加窗插值FFT算法的研究.郑州大学.20104. 谐波分析的加窗插值改进算法 .中国电机工程学报 .200