畢業(yè)設(shè)計(jì)--- 電力系統(tǒng)接地電阻的智能測(cè)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　題 目： 電力系統(tǒng)接地電阻的智能測(cè)量 </p><p>　　的系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　院：

2、 電氣信息學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)： 0708 學(xué)號(hào)： 01 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　導(dǎo)師姓名：

3、 </p><p>　　完成日期： 2011 年 6 月 4 日 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　題目： 電力系統(tǒng)接地電阻的智能測(cè)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　姓名 李方元 院

4、電氣信息學(xué)院 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí) 0708 學(xué)號(hào) 01 </p><p>　　指導(dǎo)老師 職稱 副教授 教研室主任 </p><p>　　1、研究國(guó)內(nèi)外電力網(wǎng)接地電阻測(cè)試線裝。 </p><

5、p>　　2、完成電力系統(tǒng)接地電阻智能測(cè)試系統(tǒng)的總體構(gòu)思。 </p><p>　　3、研究測(cè)量原理與技術(shù)。 </p><p>　　4、完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

6、 </p><p>　　5、完成軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 </p><p>　　6、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。 </p>&

7、lt;p>　　進(jìn)度安排及完成時(shí)間： </p><p>　　1：第一周至第二周：查閱資料，撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報(bào)告。 </p><p>　　2：第三周至第四周：畢業(yè)實(shí)習(xí)。 </p><p>　　3：第五周至第六

8、周：完成智能測(cè)試系統(tǒng)的總體框圖。 </p><p>　　4：第七周至第八周：完成各單元電路設(shè)計(jì)。 </p><p>　　5：第九周至第十周：完成總體硬件電路設(shè)計(jì)。 &

9、lt;/p><p>　　6：第十一周至第十二周：完成系統(tǒng)軟件設(shè)置。 </p><p>　　7：第十三周至第十四周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。 </p><p>　　8：第十五周至第十六周：6-15至6-18，畢業(yè)答辯。

10、 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.1 課題背景介紹及研究意義3</p><p>　　1.2 接地電阻測(cè)試方法的發(fā)展現(xiàn)狀4</p>

11、<p>　　1.2.1 接地電阻測(cè)量的基本原理4</p><p>　　1.2.2 伏安法(電壓—電流表法)4</p><p>　　1.2.3 E型搖表法4</p><p>　　1.2.4 數(shù)字式接地電阻測(cè)試儀5</p><p>　　1.2.5 主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)5</p><p>　　1.3

12、應(yīng)用前景分析6</p><p>　　第2章 設(shè)計(jì)總體構(gòu)思及干擾分析7</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)總體構(gòu)思7</p><p>　　2.1.1測(cè)試原理7</p><p>　　2.1.2 硬件原理框圖8</p><p>　　2.1.2 軟件程序框圖8</p><p>　　2.2系統(tǒng)

13、干擾信號(hào)分析9</p><p>　　2.2.1 使用三重屏蔽，減少電磁干擾10</p><p>　　2.2.2 使用帶通濾波器，限制采樣信號(hào)帶寬11</p><p>　　2.2.3 特定頻率信號(hào)的DFT檢波12</p><p>　　2.2.4 同頻干擾信號(hào)分離19</p><p>　　第3章 測(cè)量系統(tǒng)的硬件

14、設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.1單片機(jī)硬件系統(tǒng)的配置21</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)選型21</p><p>　　3.1.2 C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)說明22</p><p>　　3.2 單片機(jī)外圍電路模塊設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.2.1 電壓偏移電路23</p>

15、<p>　　3.2.2 JTAG接口電路24</p><p>　　3.3 微弱電流信號(hào)前置放大電路設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.3.1 微電流測(cè)試基本原理26</p><p>　　3.3.2 微電流放大電路元器件的選擇26</p><p>　　3.3.3 放大電路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)27</p><p>

16、　　3.4 程控濾波器電路模塊設(shè)計(jì)28</p><p>　　3.4.1 硬件連接電路圖30</p><p>　　3.5 液晶顯示電路設(shè)計(jì)30</p><p>　　3.5.1 液晶管腳接口說明表31</p><p>　　3.5.2 液晶顯示電路硬件連接圖32</p><p>　　第4章 測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3

17、3</p><p>　　4.1 液晶顯示33</p><p>　　4.2 干擾信號(hào)頻率檢測(cè)33</p><p>　　4.3 正弦電壓激勵(lì)信號(hào)發(fā)生35</p><p>　　4.4 可編程濾波器軟件設(shè)計(jì)36</p><p>　　4.5 電壓電流數(shù)據(jù)采集38</p><p>　　4.6 數(shù)字

18、信號(hào)處理40</p><p>　　4.6.1 DFT選頻檢波及同頻信號(hào)矢量分解40</p><p>　　4.6.2 接地電阻計(jì)算42</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p>　　附錄：總電路圖44</p><p><b>　　第1章 緒論</b

19、></p><p>　　1.1 課題背景介紹及研究意義</p><p>　　為了維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，保障電氣設(shè)備與運(yùn)行工作人員安全，發(fā)配電設(shè)備的質(zhì)量和各種保護(hù)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)固然十分重要，而一個(gè)安全可靠的接地系統(tǒng)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和防止事故的發(fā)生同樣具有十分重要的意義，接地系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到電氣設(shè)備正常工作和人身的安全。因?yàn)榻拥夭涣级斐稍O(shè)備故障的情況屢有發(fā)生，全國(guó)各地就曾

20、多次發(fā)生因接地網(wǎng)的問題而造成重大事故的事例。衡量接地系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)包括接地電阻、跨步電阻、接觸電阻、均衡電位、泄流能力、抗腐能力等，而接地電阻的大小是判斷接地系統(tǒng)合格與否的主要判據(jù)之一。</p><p>　　接地電阻測(cè)試儀是檢驗(yàn)測(cè)量接地電阻的常用儀表，也是電氣安全檢查與接地工程竣工驗(yàn)收不可缺少的工具，傳統(tǒng)的接地電阻的測(cè)量方法，通常是斷開接地線與電力設(shè)備的連接，采用搖表法進(jìn)行測(cè)量，他是一種離線激勵(lì)測(cè)量方法，存在著明顯的

21、缺點(diǎn)；</p><p>　　⑴在測(cè)量時(shí)電力設(shè)備需要停電，影響了電網(wǎng)的正常供電和用戶的生產(chǎn)生活用電，會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，特別是在電力短缺、社會(huì)生產(chǎn)生活各方面對(duì)連續(xù)供電的迫切需的現(xiàn)實(shí)情況下，要一些大型樞紐發(fā)變電站停電或臨時(shí)斷開主變中性接地點(diǎn)的困難較大，所以這種離線測(cè)試方法明顯不適用于現(xiàn)在社會(huì)電力設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際要求。</p><p>　?、泼看螠y(cè)量時(shí)都要打兩個(gè)或兩個(gè)以上輔助地極，這不僅增加了維

22、護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度，浪費(fèi)大量的人力物力，而且許多現(xiàn)場(chǎng)情況無法打輔助地極，如果周圍是水泥地會(huì)更加不便;打地樁地點(diǎn)的選擇要經(jīng)過計(jì)算，測(cè)試結(jié)果受具體打樁地點(diǎn)地質(zhì)和周圍地形的影響，有時(shí)在打輔助地極時(shí)無法滿足在地網(wǎng)對(duì)角線方向上電流輔助極距地網(wǎng)約40m、電壓輔助極距地網(wǎng)20m這一要求。</p><p>　?、请x線測(cè)量方法測(cè)試到的僅僅是接地線的電阻是否符合要求，對(duì)于連接到電力設(shè)備之后，整個(gè)系統(tǒng)工作是否良好無法進(jìn)行判斷。因此，在電力系

23、統(tǒng)的接地電阻日常測(cè)試中，迫切需要一種不必?cái)嚅_接地線就能夠方便地測(cè)量接地電阻的在線智能測(cè)量系統(tǒng)，本課題就是應(yīng)此需求而產(chǎn)生的。研究的是一種新型的接地電阻測(cè)量系統(tǒng)，它改變了測(cè)試接地電阻傳統(tǒng)的測(cè)量原理和手段。無需打輔助地樁，無需斷開設(shè)備電源，無需將接地體與設(shè)備隔離，可在不斷開接地系統(tǒng)的條件下進(jìn)行接地電阻的在線智能測(cè)量。</p><p>　　1.2 接地電阻測(cè)試方法的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1

24、.2.1 接地電阻測(cè)量的基本原理</p><p>　　接地電阻測(cè)量的基本方法是設(shè)法在電流極和被測(cè)接地體之間注入交流電流I，此時(shí)在被測(cè)接地體和電壓極之間可獲得一電壓U，通過測(cè)量該電流和電壓值，根據(jù)歐姆定律，即可計(jì)算出被測(cè)接地體的接地電阻?？梢哉f各種接地電阻測(cè)試儀都是根據(jù)歐姆定律來設(shè)計(jì)的，只是實(shí)現(xiàn)的具體方式不同而己。</p><p>　　1.2.2 伏安法(電壓—電流表法)</p>

25、<p>　　最初對(duì)接地電阻的測(cè)量采用的是伏安法，這種方法是非常原始的。使用安培計(jì)、伏特計(jì)測(cè)量由電源兩電極流入地下的電流值，以及測(cè)量之間的交流電位差，由安培計(jì)和伏特計(jì)所得的數(shù)值就可以根據(jù)歐姆定律計(jì)算出接地電阻值。在使用伏安法測(cè)定電阻時(shí)須先估計(jì)電流的大小，選出適當(dāng)截面的絕緣導(dǎo)線，在預(yù)備試驗(yàn)時(shí)可利用可變電阻R調(diào)整電流，當(dāng)正式測(cè)定時(shí)，則將可變電阻短路，由安培計(jì)和伏特計(jì)所得的數(shù)值來計(jì)算出接地電阻。</p><p&

26、gt;　　伏安法測(cè)量地阻有明顯不足之處，首先是麻煩、煩瑣、工作量大，試驗(yàn)時(shí)，接地棒距離地極為20～50米，而輔助接地距離接地至少40～100米。另外測(cè)試受外界干擾影響極大，在強(qiáng)電壓區(qū)域內(nèi)有時(shí)無法測(cè)量。</p><p>　　1.2.3 E型搖表法</p><p>　　五六十年代，蘇聯(lián)的E型搖表取而代之了伏安法，它的基本測(cè)試原理是采用三點(diǎn)式電壓落差法，是在電流輔助極和被測(cè)接地體之間注入低頻交流

27、電流I，此時(shí)在被測(cè)接地體和電壓極之間可獲得一電壓U,通過測(cè)量該電流和電壓值，根據(jù)歐姆定律,即可計(jì)算出被測(cè)接地體的接地電阻。其測(cè)量手段是在被測(cè)地線接地樁(暫稱為X)一側(cè)地上打入兩根輔助測(cè)試樁，要求這兩根測(cè)試樁位于被測(cè)地樁的同一側(cè)，三者基本在一條直線上，距被測(cè)地樁較近的一根輔助測(cè)試樁(稱為Y)距離被測(cè)地樁20米左右，距被測(cè)地樁較遠(yuǎn)的一根輔助測(cè)試樁(稱為Z)距離被測(cè)地樁40米左右。測(cè)試時(shí)，按要求的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，測(cè)試儀通過內(nèi)部磁電機(jī)產(chǎn)生電能，在

28、被測(cè)地樁X和較遠(yuǎn)的輔助測(cè)試樁(稱為Z)之間“灌入”電流，此時(shí)在被測(cè)地樁X和輔助地樁Y之間可獲得一電壓，儀表通過測(cè)量該電流和電壓值，即可計(jì)算出被測(cè)接地樁的地阻。</p><p>　　上述儀器由于手搖發(fā)電機(jī)的關(guān)系，測(cè)量精度也不是很高。這種測(cè)量方法還有其它缺點(diǎn)：</p><p>　?、艤y(cè)量都要打輔助地極，需要在現(xiàn)場(chǎng)布置幾十米以上的電極引線，增加了作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。</p><p

29、>　?、朴捎谡麄€(gè)測(cè)量過程從打輔助地極到測(cè)量都是人工操作，因此測(cè)量結(jié)果受人為因素影響很大，如測(cè)量時(shí)手柄搖動(dòng)速度過慢、頻率不均勻等都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響。</p><p>　　⑶測(cè)量時(shí)需將接地體與設(shè)備斷開，以避免設(shè)備自身接地體影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，從而不能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。</p><p>　　1.2.4 數(shù)字式接地電阻測(cè)試儀</p><p>　　近年來由于計(jì)算機(jī)技術(shù)

30、的飛速發(fā)展，因此接地電阻測(cè)試儀也滲透了大量的單片機(jī)處理技術(shù)，其測(cè)量功能、內(nèi)容與精度是傳統(tǒng)儀器所不能相比，例如仿“搖表”式數(shù)字地阻儀，它與傳統(tǒng)接地?fù)u表的主要區(qū)別是將電流電壓與接地電阻的采集處理數(shù)字化，其電源由電池提供，無需手搖。仿“搖表”式數(shù)字地阻儀投入使用給接地電阻測(cè)試帶來了生機(jī)，雖然測(cè)試時(shí)的接線方式同E型搖表沒什么兩樣，但是其穩(wěn)定性和精度遠(yuǎn)比搖表指針式高得多。</p><p>　　而真正接地電阻測(cè)試儀的一個(gè)突破

31、性創(chuàng)舉是在九十年代鉗口式地阻儀的誕生，他打破了傳統(tǒng)式接地電阻測(cè)試方法。如法國(guó)CA公司生產(chǎn)的6411單鉗式接地電阻測(cè)試儀稱得上接地電阻測(cè)試的一大革命，CA6411鉗式接地電阻測(cè)試儀外形酷似鉗形電流表，其最大特點(diǎn)測(cè)量時(shí)不需輔助地極，無須切斷設(shè)備電源或斷開地線就可以對(duì)使用中的設(shè)備的地阻進(jìn)行在線測(cè)量，只需往被測(cè)地線上一夾，幾秒后即可獲得測(cè)量結(jié)果，極大地方便了接地電阻測(cè)量工作。但是，這種測(cè)量方法具有如下缺點(diǎn): </p><p&

32、gt;　?、庞捎趦x器向接地回路注入的低頻交流電壓只有單一的測(cè)試頻率，當(dāng)其頻率與電氣設(shè)備地網(wǎng)泄漏電流頻率接近時(shí)，測(cè)量精度很低，嚴(yán)重時(shí)甚至無法進(jìn)行測(cè)量；</p><p>　?、朴捎陔妷鹤⑷刖€圈與電流測(cè)量線圈組合在同一鉗口內(nèi)，故線圈與線圈之間的互感效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度有較大影響；</p><p>　　⑶不能滿足以下地阻的測(cè)量要求；</p><p>　?、茹Q口內(nèi)徑小(一般為25m

33、m的圓口)，對(duì)引線寬度大于25mm的地網(wǎng)無法測(cè)量。</p><p>　　1.2.5 主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種接地電阻在線測(cè)量?jī)x，通過運(yùn)用單片機(jī)控制技術(shù)和變頻測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)新的傳感器探頭，可以克服上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)接地電阻的準(zhǔn)確在線測(cè)量。為了提高測(cè)量?jī)x的抗干擾能力，電壓線圈產(chǎn)生的低頻交流電壓的頻率是可變的頻率可以在94Hz，105Hz，111Hz，128H

34、z等4種頻率中自動(dòng)選擇。測(cè)量前，儀器先對(duì)接地網(wǎng)中干擾電流頻率進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)干擾電流的頻率啟動(dòng)選擇低頻交流電壓的頻率，從而避開了干擾電流的頻率，大大增強(qiáng)了該儀器的抗干擾能力。運(yùn)用雙鉗口法，無需打樁放線即可進(jìn)行在線直接測(cè)量?？勺詣?dòng)檢測(cè)整個(gè)接地回路接口連接狀況及地網(wǎng)的干擾電壓、干擾頻率。</p><p>　　本課題的目的是實(shí)現(xiàn)接地系統(tǒng)接地電阻的智能在線測(cè)量，為此需要有非接觸的電壓和電流傳感器來傳輸和感應(yīng)電信號(hào)，還需要有

35、一個(gè)激勵(lì)信號(hào)源；此外，由于電流傳感器感應(yīng)到的電流信號(hào)十分微弱，在微安級(jí)，因此初級(jí)的微電流放大對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理十分重要；而如何去除來自系統(tǒng)外部及本身的各種干擾，特別是近頻干擾和同頻干擾，從強(qiáng)干擾背景中提取出有用信號(hào)，是系統(tǒng)測(cè)試精度高低的關(guān)鍵。</p><p>　　本儀器的關(guān)鍵技術(shù)和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是將傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)，傳感器技術(shù)與數(shù)字信號(hào)濾波處理技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起來實(shí)現(xiàn)接地電阻的測(cè)量。</p><

36、p>　　本儀器主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：</p><p>　　⑴高精度，能抗強(qiáng)干擾的傳感器的設(shè)計(jì)；</p><p>　?、茖?duì)微弱電流信號(hào)的前置放大電路設(shè)計(jì)；</p><p>　?、强勺冾l的正弦信號(hào)激勵(lì)源的設(shè)計(jì)；</p><p>　?、扔布V波及數(shù)字濾波處理，近頻及同頻干擾下有效信號(hào)的提取。</p><p>　　1.3 應(yīng)

37、用前景分析</p><p>　　智能接地電阻測(cè)試儀具有測(cè)試精度高，操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，能夠在不停電的情況下檢測(cè)接地回路的電阻，具有較大的實(shí)用價(jià)值。除了應(yīng)用于電力系統(tǒng)接地電阻的測(cè)試外，隨著移動(dòng)通信和建筑業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，也可廣泛應(yīng)用于電信系統(tǒng)、建筑大樓、機(jī)場(chǎng)、鐵路、油槽、避雷裝置、高壓鐵塔等接地系統(tǒng)接地電阻的日常檢測(cè)中。</p><p>　　第2章 設(shè)計(jì)總體構(gòu)思及干擾分析</p>

38、<p>　　2.1 設(shè)計(jì)總體構(gòu)思</p><p><b>　　2.1.1測(cè)試原理</b></p><p>　　接地電阻的測(cè)量原理圖如圖2-1所示</p><p>　　圖2-1 接地電阻的測(cè)量原理</p><p>　　圖2-1中，Nv為繞在儀器電壓傳感器內(nèi)的電壓發(fā)生器線圈的圈數(shù)，Ni為繞在儀器電流傳感器內(nèi)的電

39、流接收線圈的圈數(shù)。測(cè)量時(shí)，電壓線圈產(chǎn)生一個(gè)已知的恒定低頻交流電壓U，在被測(cè)接地引線回路中通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電壓u:,該電壓u在地線回路中會(huì)產(chǎn)生電流i：，該電流i被電流接收線圈轉(zhuǎn)換為電流I，，根據(jù)下式即可計(jì)算出接地電阻 Rx ：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中：通常Nv，Ni取值為1。</p><p>　　

40、為提高測(cè)量?jī)x的抗干擾能力，電壓線圈產(chǎn)生的低頻交流電壓的頻率是可變的，頻率可以在94Hz，105Hz，111Hz，128Hz等4種頻率中自動(dòng)選擇。測(cè)量前，儀器先對(duì)接地網(wǎng)中干擾電流的幅值和頻率進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)干擾電流的頻率，自動(dòng)選擇低頻交流電壓的頻率，從而避開了干擾電流的頻率，大大增強(qiáng)了該儀器的抗干擾能力。</p><p>　　2.1.2 硬件原理框圖</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)上述的接地電阻

41、測(cè)量方法，系統(tǒng)硬件的原理框圖如2-2所示：</p><p>　　圖2-2 系統(tǒng)硬件原理框圖</p><p>　　測(cè)量系統(tǒng)主要由單片機(jī)構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，程控有源濾波器，前置放大電路等組成，具有按鍵控制，液晶顯示及JTAG通信接口。</p><p>　　2.1.2 軟件程序框圖</p><p>　　根據(jù)接地電阻的測(cè)量原理和硬件框

42、圖，作為測(cè)試核心的單片機(jī)主要完成以下軟件功能：</p><p>　?、畔到y(tǒng)開機(jī)后的端口初始化設(shè)置，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置；</p><p><b>　?、埔壕э@示程序；</b></p><p><b>　?、歉蓴_頻率測(cè)量；</b></p><p>　?、日也?lì)電壓信號(hào)的合成及DAC輸出；</p>

43、;<p>　　⑸電壓電流信號(hào)的采樣；</p><p>　?、孰妷弘娏鞑蓸有盘?hào)的離散傅立葉檢波和同頻干擾的去除；</p><p><b>　?、私拥仉娮璧挠?jì)算。</b></p><p>　　根據(jù)上述軟件功能整個(gè)系統(tǒng)軟件總流程框圖如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 系統(tǒng)軟件總體流程框圖</p&

44、gt;<p>　　2.2系統(tǒng)干擾信號(hào)分析</p><p>　　接地電阻測(cè)量一般在發(fā)電站和變電站中使用，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量中會(huì)遇到各種各樣的干擾，電流傳感器采樣到的信號(hào)除了有用的電流信號(hào)之外，也含有其它一些干擾成分。主要包括外部環(huán)境中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾及接地回路中的干擾，按照干擾的傳播途徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。</p><p>　　根據(jù)分析，各種干擾成分對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生較

45、大的影響，當(dāng)接地電阻值較大時(shí)，干擾信號(hào)強(qiáng)度甚至?xí)h(yuǎn)大于有用信號(hào)，因此有必要采取相對(duì)應(yīng)的措施減小或去除不需要的干擾信號(hào)，從采集到的混合信號(hào)中提取出有用的信號(hào)供后續(xù)信號(hào)處理，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。</p><p>　　由于采用變頻測(cè)量方法，使系統(tǒng)的工作信號(hào)頻率避開了干擾信號(hào)頻率，所以主要是針對(duì)與信號(hào)頻率相接近的近頻干擾及從電壓傳感器發(fā)射的同頻干擾進(jìn)行濾波處理。可以通過采用三重屏蔽、帶通濾波、離散傅立葉變換(DFT)選頻

46、檢波、檢相方法去除干擾。其去干擾的流程示意如圖2-4：</p><p>　　圖2-4 系統(tǒng)干擾信號(hào)處理過程示意圖</p><p>　　2.2.1 使用三重屏蔽，減少電磁干擾</p><p>　　由于接地電阻測(cè)試儀一般在發(fā)電站和變電站中使用，外部空間環(huán)境中存在較強(qiáng)的電場(chǎng)以及磁場(chǎng)干擾，通過空間傳輸?shù)絺鞲衅鞯木€圈當(dāng)中，引起波形失真，更重要的是電壓傳感器的線圈同電流傳感器的

47、線圈之間的電磁耦合作用，使得電流傳感器中接收到一個(gè)與有用信號(hào)相同頻率的干擾信號(hào)，在接地電阻較大時(shí)，干擾信號(hào)甚至大于有用信號(hào)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。由于采樣信號(hào)是從電流傳感器感應(yīng)進(jìn)來，而系統(tǒng)希望采樣到的只是接地回路中的信號(hào)，所以要采取措施從源頭上減少或完全去除從外部環(huán)境空間和電壓傳感器耦合到電流傳感器的干擾信號(hào)，而在傳感器鐵心外側(cè)加入屏蔽層，可以去除大部分外部空間的電磁干擾及同頻信號(hào)的干擾。</p><p>　　

48、為此采用特有的三重屏蔽方法，通過三重屏蔽層，能有效隔離或減弱外部環(huán)境中的電磁干擾及電壓傳感器中的同頻干擾。三重屏蔽的主要原理如下：</p><p>　　屏蔽技術(shù)是利用金屬材料對(duì)電磁波具有良好的吸收和反射能力進(jìn)行抗干擾的，根據(jù)電磁干擾的特點(diǎn)選擇良好的低電阻導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧?，?gòu)成合適的屏蔽體就可以減小電磁千擾。屏蔽體所起的作用好比是在一個(gè)等效電阻(儀表)兩端并聯(lián)上一根短路線，當(dāng)干擾信號(hào)竄入時(shí)直接通過短路線，對(duì)等效電

49、阻(儀表)幾乎無影響。</p><p><b>　　⑴電場(chǎng)屏蔽</b></p><p>　　對(duì)電場(chǎng)的屏蔽采用導(dǎo)電率高的材料，其原理是使用接地的金屬體包裹或隔離信號(hào)傳輸線，在屏蔽體接地后，干擾電流經(jīng)屏蔽罩外層短路入地，為了達(dá)到較好的電場(chǎng)屏蔽效果，需要選用低電阻的金屬材料(導(dǎo)電性好)，并且金屬體必須要有良好的接地。</p><p><b>

50、;　?、拼艌?chǎng)屏蔽</b></p><p>　　對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽采用高導(dǎo)磁率的材料做成磁屏蔽罩，在磁場(chǎng)頻率比較低時(shí)(100kHz以下)，通常采用鐵磁性材料如鐵、硅鋼片、坡莫合金等進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽。由于鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很大，其磁阻遠(yuǎn)小于被干擾電路與屏蔽罩之間的空氣隙之間的磁阻，所以干擾磁場(chǎng)的磁力線大部分通過屏蔽罩而不通過空氣隙進(jìn)入被干擾電路，從而減小了外部雜散磁場(chǎng)的影響。屏蔽體殼壁的相對(duì)磁導(dǎo)率越大或殼壁越厚，進(jìn)

51、入到屏蔽體內(nèi)的磁場(chǎng)越弱。</p><p><b>　?、请姶牌帘?lt;/b></p><p>　　電磁屏蔽主要是抑制高頻電磁場(chǎng)的干擾，高頻磁場(chǎng)屏蔽材料采用導(dǎo)電性良好的低電阻金屬材料。當(dāng)高頻磁場(chǎng)穿過金屬板時(shí)在金屬板上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于金屬板的電導(dǎo)率很高，所以產(chǎn)生很大的渦流，渦流又產(chǎn)生反磁場(chǎng)，與穿過金屬板的原磁場(chǎng)相互抵消，同時(shí)又增加了金屬板周圍的原磁場(chǎng)。其總的效果是也是是使

52、干擾磁場(chǎng)的磁力線在金屬板四周繞行而過。根據(jù)電磁屏蔽的原理，其屏蔽罩不一定要接地，但是為了使其兼顧有電屏蔽的作用，一般將電磁屏蔽層接地。</p><p>　　2.2.2 使用帶通濾波器，限制采樣信號(hào)帶寬</p><p>　　通過電流傳感器從接地回路中感應(yīng)到的信號(hào)，包含有各種頻率的干擾成分，從上MHz的高頻干擾到只有幾Hz的低頻干擾或直流干擾成分。這樣整個(gè)采樣信號(hào)頻率帶寬較寬，根據(jù)奈奎斯特采樣

53、定律，為了避免時(shí)間信號(hào)在頻域上的混疊，系統(tǒng)的采樣頻率必須大于或等于信號(hào)最高頻率的2倍，此外如果信號(hào)中含有高頻分量，則系統(tǒng)的采樣頻率必然需要提高，對(duì)單片機(jī)的工作速度要求也相應(yīng)提高。如果要降低系統(tǒng)采樣頻率，應(yīng)該去除信號(hào)中的高頻分量。在單片機(jī)對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣之前，需要使用帶通濾波器，通用的帶通濾波電路原理圖如圖2-5，感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過帶通濾波處理后，可以濾除信號(hào)中的高頻及較低頻干擾，得到一個(gè)較窄的在信號(hào)頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)，便于后續(xù)的信號(hào)采

54、樣及數(shù)字濾波處理。</p><p>　　圖2-5 帶通濾波電路原理圖</p><p>　　2.2.3 特定頻率信號(hào)的DFT檢波</p><p>　　帶通濾波器是一個(gè)窄帶濾波，帶通濾波后的信號(hào)仍然有一定的帶寬，一般可以達(dá)到3db，但是如果接地回路中含有與信號(hào)頻率比較接近的周期干擾信號(hào)，正好處于窄帶濾波的信號(hào)頻帶內(nèi)，這一近頻干擾用一般的方法是很難濾掉的。原始的信號(hào)為時(shí)域

55、信號(hào)，反映的是以時(shí)間為自變量的幅度的關(guān)系，從中無法看出信號(hào)的具體成分，可以設(shè)法把信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理。由傅立葉級(jí)數(shù)的基本概念可知，任意一個(gè)函數(shù)都可以分解為無窮多個(gè)不同頻率正弦函數(shù)之和。正弦信號(hào)是最規(guī)則的信號(hào)，由幅度、相位和頻率三個(gè)參數(shù)即可完全確定，因此，對(duì)一個(gè)任意信號(hào)，都可以用多個(gè)不同頻率、幅值、相位各異的正弦信號(hào)疊加來表示。此時(shí)，對(duì)于任一個(gè)信號(hào)又可以用其不同的頻率、幅值組成來確定，這樣，對(duì)信號(hào)的認(rèn)識(shí)就由時(shí)域轉(zhuǎn)變到了頻域。當(dāng)有用信號(hào)的

56、頻域特征與干擾背景噪聲不同時(shí)，采用頻域處理方法可以有效地將特定頻率的有用信號(hào)分離出來。利用離傅立葉變換(DFT)對(duì)波形的采樣值進(jìn)行頻譜分析，可以得到一系列譜線，每一條譜線對(duì)應(yīng)一定頻率的幅值或相位值，得到了幅度、相位和頻率就可以確定一個(gè)正弦信號(hào)成分。</p><p>　　1. 離散傅立葉變換(DFT)的定義</p><p>　　時(shí)域上的連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)經(jīng)等時(shí)間間隔采樣N點(diǎn)后，得到一個(gè)列長(zhǎng)

57、為N的離散數(shù)字序列x(n)，他的離散傅立葉變換定義為:</p><p><b>　?。?，）（2-2）</b></p><p>　?。ǎ?（2-3）</p><p>　　假定x(n)與y(n)是兩個(gè)長(zhǎng)度為N的有限長(zhǎng)數(shù)字采樣序列，其各自的離散傅立葉變換分別為:</p><p><b>　　， </b

58、></p><p>　　根據(jù)離散傅立葉變換的定義，可以計(jì)算得出:</p><p>　?。╝，b為任意數(shù)） （2-4）</p><p>　　可見離散傅立葉變換具有線性特性，多個(gè)正弦信號(hào)登加后的合成信號(hào)的離散傅立葉變換，與單個(gè)信號(hào)進(jìn)行離散傅立葉變換后再進(jìn)行相加后的結(jié)果是一致的。</p><p>　　2. 離散傅立葉變換的檢波濾波特性&l

59、t;/p><p>　　假設(shè)有M個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)益加在一起合成一個(gè)信號(hào)x(t):</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　為第i個(gè)正弦波信號(hào)的幅值，頻率，相位</p><p>　　對(duì)疊加信號(hào)Y(t)的進(jìn)行N點(diǎn)等間隔采樣，可得到一個(gè)離散數(shù)字序列Y(n)，根據(jù)離散傅立葉變換的線性特性有:</p

60、><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　所以可以先對(duì)單個(gè)正弦波的采樣序列進(jìn)行離散傅立葉變換分析，假設(shè)有一正弦波信號(hào)：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　分別為此正弦波信號(hào)的幅值、頻率、相位設(shè)定系統(tǒng)信號(hào)采樣頻率為，則采樣時(shí)間；采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為N，即采樣序

61、列長(zhǎng)度為N，得到正弦波的N點(diǎn)離散采樣數(shù)字序列x(n):</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　此N點(diǎn)采樣序列的離散傅立葉變換:</p><p>　?。ǎ?</p><p><b>　　（2-9）</b></p><p><

62、;b>　?。W拉公式）</b></p><p><b>　　令 則有：</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　由式(2-7)只有可知當(dāng)即只有當(dāng)信號(hào)頻率時(shí)，第k點(diǎn)的離散

63、傅立葉變換才有一個(gè)值，而其它不同頻率的正弦波信號(hào)在第k點(diǎn)的值為0，通過計(jì)算X(k)，可以得到頻率時(shí)的正弦波信號(hào)的幅值和相位?？梢?，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為時(shí)，X(k)的N個(gè)值中只有，其余皆為零。因此如果輸入信號(hào)為若干個(gè)不同頻率的信號(hào)的組合信號(hào)，經(jīng)離散傅立葉變換后，在不同的k值上，X(k)將有一一對(duì)應(yīng)的輸出，所以，離散傅立葉變換實(shí)質(zhì)上對(duì)特定頻率額信號(hào)具有選擇性，具有檢波濾波的作用。為離散付里葉變換的頻率分辨率，采樣的點(diǎn)數(shù)N越多，頻率分辨率越高。

64、如圖2-6所示為離散傅立葉檢波濾波示意圖，相當(dāng)于一個(gè)梳狀濾波器，只有處的頻率信號(hào)才能通過濾波器。</p><p>　　圖2-6 離散傅立葉檢波濾波示意圖</p><p>　　對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散傅立葉變換時(shí)，系統(tǒng)的采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)選擇應(yīng)符合以下原則：</p><p>　?、女?dāng)信號(hào)中最高頻率為時(shí)，采樣頻率應(yīng)滿足奈奎斯特采樣定律，即：</p><p

65、>　　也就是說采樣時(shí)間間隔T需要滿足: </p><p>　　⑵信號(hào)采集的持續(xù)時(shí)間為， </p><p>　　式中N為信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)，為譜分析的頻率分辨率</p><p>　?、请x散傅立葉變換的采樣點(diǎn)數(shù)N需滿足:</p><p>　　上式是滿足給定標(biāo)準(zhǔn)的最少采樣點(diǎn)數(shù)。</p><p>　　3. 采樣信號(hào)幅頻特性，相

66、頻特性</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　其中:為信號(hào)的實(shí)部， </p><p><b>　　為信號(hào)的虛部</b></p><p>　　信號(hào)的頻率: （2-13）</p><p>　

67、　信號(hào)的幅值: （2-14）</p><p>　　信號(hào)的相位: （2-15）</p><p>　　根據(jù)以上分析，通過離散傅立葉變換對(duì)采樣數(shù)字序列進(jìn)行變換后，可以對(duì)信號(hào)成分進(jìn)行頻譜分析，得到特定頻率正弦波分量的幅頻特性及相頻特性。</p><p>　　4. 檢波中的實(shí)際問題及解決方

68、法</p><p><b>　?、艝艡诂F(xiàn)象</b></p><p>　　對(duì)離散采樣信號(hào)進(jìn)行離散傅立葉檢波時(shí)，頻譜上第k點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率，這樣頻譜只給出了信號(hào)在一系列離散點(diǎn)處的幅值。而對(duì)于相鄰兩點(diǎn)之間頻率的信號(hào)，離散傅立葉頻譜是無法顯示出來的。這就好像是在百葉窗內(nèi)觀察窗外的景色，看到的是百葉窗窗縫內(nèi)的部分景色，而無法看到被百葉窗擋住的部分。這就是柵欄現(xiàn)象。</p&g

69、t;<p>　　在理想狀態(tài)下，激勵(lì)信號(hào)的頻率f同單片機(jī)程序設(shè)定的頻率是一致的，ADC采樣頻率也是根據(jù)這個(gè)頻率設(shè)置，一個(gè)周期信號(hào)中的采樣點(diǎn)數(shù)是固定不變的。采樣序列經(jīng)過離散傅立葉變換后可以認(rèn)為：有用信號(hào)正好處于頻譜圖上的第k點(diǎn)上：。第k點(diǎn)處的幅值即為所需頻率信號(hào)的值。實(shí)際中，激勵(lì)電壓信號(hào)是由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的，本身就會(huì)有一定的偏差，單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過濾波放大等硬件電路處理后，其實(shí)際信號(hào)頻率會(huì)產(chǎn)生一定的偏移，與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)定的頻

70、率實(shí)際上并不相符合；如果還是根據(jù)事先設(shè)定的激勵(lì)信號(hào)頻率f來設(shè)置采樣頻率，則計(jì)算出的處的值并不能真實(shí)的反映原始激勵(lì)信號(hào)，被測(cè)信號(hào)與設(shè)定頻率稍有偏離，就會(huì)出現(xiàn)較大誤差。所以，如何根據(jù)實(shí)際的激勵(lì)信號(hào)頻率來設(shè)定ADC采樣頻率，是DFT檢波能準(zhǔn)確提取出特定頻率信號(hào)的關(guān)鍵所在。</p><p>　?、菩盘?hào)的頻率跟蹤采樣及其實(shí)現(xiàn)</p><p>　　根據(jù)公式可知，在采樣點(diǎn)數(shù)N固定N的情況下，要使與信號(hào)頻

71、率相等，只用根據(jù)實(shí)際的f值來調(diào)整系統(tǒng)采樣頻率，使系統(tǒng)采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤激勵(lì)信號(hào)頻率變化。</p><p>　　為此采用變化采樣間隔和固定的采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)激勵(lì)信號(hào)(頻率為0采樣，現(xiàn)設(shè)定系統(tǒng)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)固定采樣128點(diǎn)，則系統(tǒng)采樣頻率，采樣時(shí)間間隔。采樣時(shí)間間隔由鎖相環(huán)倍頻電路來控制，再造一個(gè)與信號(hào)嚴(yán)格同步的信號(hào)來直接控制信號(hào)的采樣和轉(zhuǎn)換，這樣可以實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)頻率，保證采樣頻率和信號(hào)頻率的比值為固定的128，也就是每一

72、個(gè)信號(hào)周期都能夠采樣128點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)頻率跟蹤采樣。</p><p>　　①鎖相環(huán)倍頻的頻率跟蹤原理</p><p>　　由鎖相環(huán)和計(jì)數(shù)器組成的鎖相環(huán)倍頻器可以實(shí)現(xiàn)相位鎖定和頻率倍增的功能，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-7所示:</p><p>　　圖2-7 鎖相環(huán)倍頻結(jié)構(gòu)原理框圖</p><p>　　由上圖，鎖相環(huán)由三部分組成：即相位比較器(

73、鑒相器PD)，低通濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)。這是一個(gè)相位自動(dòng)跟蹤的負(fù)反饋系統(tǒng)。相位比較器將和兩信號(hào)之間的相位差轉(zhuǎn)換成脈沖寬度信號(hào)，經(jīng)低通濾波器平滑后，輸出一個(gè)直流電壓信號(hào)，正比于兩信號(hào)之間的相位差。壓控振蕩器是一種輸出振蕩頻率受輸入直流電壓控制的振蕩器，直流電壓信號(hào)控制壓控振蕩器的頻率變化，使輸入和輸出信號(hào)頻率之差不斷減小，直到兩者之間的差值為零。如果和有相位差變化時(shí)，就可導(dǎo)致振蕩頻率的變化。經(jīng)計(jì)數(shù)器N(N為正整數(shù))分頻后

74、，作為負(fù)反饋信號(hào)，環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)保證了此負(fù)反饋回路是穩(wěn)定的。和只要有絲毫差別，其相位差就會(huì)不斷地增加或減少，負(fù)反饋環(huán)路設(shè)計(jì)保證了相位差為零的趨勢(shì)。因此，只要電路增益足夠大，系統(tǒng)又穩(wěn)定工作（鎖定狀態(tài))，準(zhǔn)確無誤，即，實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的倍頻要求，而且相位上也是鎖定的。</p><p>　　如果周期信號(hào)在鎖相環(huán)的輸入端每周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，輸出端就會(huì)有N個(gè)脈沖信號(hào)輸出，用輸出脈沖去觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣，就實(shí)現(xiàn)了N倍頻的整周期

75、采樣。這種采樣方式與時(shí)間無關(guān)，稱為空間采樣。</p><p>　　②頻率跟蹤的硬件電路實(shí)現(xiàn)</p><p>　　系統(tǒng)頻率跟蹤電路的核心部件是鎖相環(huán)，鎖相環(huán)選用集成數(shù)字鎖相環(huán)芯片CD4046，CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2-8：</p><p>　　圖2-8 CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　CD4046內(nèi)部集成有2個(gè)不同類型的相位比

76、較器、1個(gè)壓控振蕩器、輸入信號(hào)源極跟隨器和穩(wěn)壓管。相位比較器有2個(gè)共同輸入信號(hào)端(3腳和14腳)，一般14腳為外部信號(hào)輸入端，3腳為PD反饋信號(hào)輸入端。相位比較器I是異或門，它有較好的噪聲抑制性能，但捕獲頻率范圍較窄，使用時(shí)要求輸入信號(hào)的占空比為50%的產(chǎn)生1個(gè)數(shù)字信號(hào)(2腳)，并在外部輸入信號(hào)與PD反饋輸入信號(hào)之間的中心頻率處維持相移；相位比較器n由邏輯門控制的4個(gè)邊沿觸發(fā)器和3態(tài)輸出電路組成的邊緣觸發(fā)雙穩(wěn)電路，不要求輸入信號(hào)的占空比

77、為50%,產(chǎn)生數(shù)字誤差信號(hào)(13腳)和相位脈沖輸出(1腳)，并在外部輸入信號(hào)與PD反饋輸入信號(hào)之間保持嚴(yán)格同步，產(chǎn)生相移。線性壓控振蕩器VCO產(chǎn)生1個(gè)方波輸出信號(hào)，最高頻率可達(dá)1.5MHz，其實(shí)際輸出頻率與VCO輸入的電壓以及連接到引出端的電容值及的阻值有關(guān)，并且輸出范圍為～其中：</p><p><b>　　(2-16)</b></p><p><b>　

78、　(2-17)</b></p><p><b>　　其中:；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　相位脈沖輸出端(1腳)，用于表示鎖定或2個(gè)信號(hào)之間的相位差。如果相位脈沖端輸出高電平，表示處于鎖

79、定狀態(tài)。在信號(hào)輸入端無信號(hào)輸入時(shí)，壓控振蕩器被調(diào)整到最低頻率上。</p><p>　　以CD4046為核心設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)倍頻電路如圖2-9所示，可以選擇實(shí)現(xiàn)2，4，8，16，32，64，128，256多種倍頻的電路。</p><p>　　圖2-9 鎖相環(huán)倍頻硬件電路</p><p>　　R3，R2和C2組成低通濾波器，第12管腳開路以實(shí)現(xiàn)最低輸入頻率接近于零，C1的大

80、小控制倍頻的中心頻率；通過雙四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)74LS393實(shí)現(xiàn)2的整數(shù)次冪倍頻，從VCO的4端輸出的信號(hào)，輸入到計(jì)數(shù)器74LS393的1端，計(jì)數(shù)器74LS393對(duì)輸入信號(hào)可進(jìn)行2，4，8，16，32，64，128，256分頻，分頻后的輸出信號(hào)接到相位比較器的輸入端3，與輸入的原始信號(hào)進(jìn)行相位比較，直至3端和4端的輸入信號(hào)的相位差不再隨時(shí)間變化而變化，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，此時(shí)VCO的4端輸出的信號(hào)即為對(duì)實(shí)現(xiàn)了N倍頻的信號(hào)。</p>

81、<p>　　2.2.4 同頻干擾信號(hào)分離</p><p>　　經(jīng)過DFT選頻后可以提取出一個(gè)與系統(tǒng)信號(hào)頻率相同的信號(hào)，此信號(hào)是兩個(gè)同頻信號(hào)的疊加值：一個(gè)為同頻干擾信號(hào),與激勵(lì)電壓信號(hào)的相位是相同的；另一個(gè)是經(jīng)電而電壓轉(zhuǎn)換后的有用信號(hào)，相位滯后激勵(lì)電壓信號(hào)。</p><p>　　現(xiàn)需要將有用的電流、電壓轉(zhuǎn)換信號(hào)給提取出來，傳統(tǒng)的方法是采用互相關(guān)軟件鎖相方法來濾除同頻正交干擾。但

82、是無論是采用互相關(guān)正交檢測(cè)法還是采用正交矢量分解法，都必須保證激勵(lì)電壓信號(hào)采樣序列與電流信號(hào)的采樣序列是一一對(duì)應(yīng)的，即兩采樣序列是要保持同步，表明電流信號(hào)是在激勵(lì)電壓信號(hào)作用下的結(jié)果，這樣計(jì)算出來的電阻值才是真實(shí)的值。如果兩個(gè)信號(hào)不是同時(shí)采樣，則各通道采集的信號(hào)并不是同一電角度下的數(shù)據(jù)，兩者之間的相位差是不真實(shí)的，若用這樣的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)使用，將帶來相應(yīng)的系統(tǒng)誤差?，F(xiàn)采用電壓電流輪流采樣的方法(如圖2-10)：即先采樣一個(gè)電壓點(diǎn)，完成

83、后馬上切換到電流采樣，采樣一個(gè)點(diǎn)，然后回到電壓采樣，如此循環(huán)直到完成系統(tǒng)所需的采樣點(diǎn)數(shù)為止。</p><p>　　圖2-10 電壓電流同步采樣示意圖</p><p>　　己知系統(tǒng)信號(hào)最高頻率為128Hz，最低為94Hz，現(xiàn)一個(gè)周期要等間隔采樣128個(gè)點(diǎn)，則每一個(gè)信號(hào)的最低時(shí)間采樣間隔，；儀器采用的高速單片機(jī)，內(nèi)部集成有一個(gè)8通道的ADC，通過模擬選擇開關(guān)AMUX切換轉(zhuǎn)換電壓電流采樣通道，其

84、采樣/保持的建立時(shí)間為, ADC轉(zhuǎn)換采樣時(shí)間最大為，可見完成兩個(gè)信號(hào)的切換采樣時(shí)間最多為，在系統(tǒng)采樣時(shí)間間隔規(guī)定的范圍內(nèi)，從而可以保證對(duì)電壓電流信號(hào)的同步采樣。從而可以得到準(zhǔn)確的電壓電流信號(hào)相位差。</p><p>　　通過使用三重屏蔽設(shè)計(jì)、帶通濾波器、特定信號(hào)的DFT檢波及同頻干擾信號(hào)的分離后，可以基本上能去除測(cè)量過程中存在的干擾，從而得到準(zhǔn)確的有用信號(hào)值，為后續(xù)的處理提供了很大的方便，確保了測(cè)量的接地電阻阻值

85、的準(zhǔn)確性。</p><p>　　第3章 測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1單片機(jī)硬件系統(tǒng)的配置</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)選型</p><p>　　根據(jù)前面介紹的測(cè)試原理，單片機(jī)系統(tǒng)是接地電阻測(cè)量系統(tǒng)的核心部分，單片機(jī)系統(tǒng)需要完成如下基本功能：</p><p>　　⑴DAC器件作為數(shù)字正弦信號(hào)

86、發(fā)生器，產(chǎn)生正弦波信號(hào)</p><p>　?、艫DC器件完成數(shù)據(jù)采集，測(cè)量電壓電流信號(hào)</p><p>　?、菙?shù)據(jù)采集結(jié)果的檢波濾波及其運(yùn)算</p><p>　　⑷測(cè)試結(jié)果的液晶顯示</p><p>　　傳統(tǒng)的80C51單片機(jī)通常內(nèi)部資源少，需要外接專門的DAC和ADC器件，還要用數(shù)據(jù)鎖存器，存儲(chǔ)器等一些輔助器件，這樣不僅增加了儀表電路板的面

87、積及布線難度，而且控制起來也較麻煩，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)序紊亂，動(dòng)作失控，數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的現(xiàn)象，而且其運(yùn)算速度慢，影響到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。為此，我們選用了Cygnal公司C8051F系列單片機(jī)中的C8051F005作為檢測(cè)核心，只需要一片指甲大小的芯片就可以完成上述所有的系統(tǒng)功能，無需外圍器件，配置十分簡(jiǎn)單，整機(jī)的穩(wěn)定性更好，數(shù)據(jù)精度更高?，F(xiàn)介紹C8051F系列單片機(jī)單片機(jī)的特點(diǎn)如下。</p><p>　　Cygnal公司推出的

88、C8051F系列單片機(jī)既彌補(bǔ)了80C51系列的不足，又與MCS-51指令集兼容。C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。在單片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：ADC、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(P

89、CA可實(shí)現(xiàn)捕捉、軟件定時(shí)、高速輸出、PWM), Flash存儲(chǔ)器、非易失性存儲(chǔ)器、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時(shí)器及電源監(jiān)視器等。這些外設(shè)部件的高集成度為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了很大的方便，同時(shí)也可以使整體系統(tǒng)的成本大大降低。CIP-51微控制器內(nèi)核CIP-51與MSC-51指令完全兼容。CIP-51內(nèi)核廢除了原51的機(jī)器周期概念，指令以時(shí)鐘為運(yùn)行單位，創(chuàng)建了CIP-51的CPU模式，以流水線方式處理指令，標(biāo)準(zhǔn)

90、的8051一個(gè)機(jī)器周期要占用12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，執(zhí)行一個(gè)指令至少要一個(gè)機(jī)器周期，而CygnalC8</p><p>　　C8051F系列單片機(jī)的I/O口由固定方式改為交叉開關(guān)配置，可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)是一個(gè)大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，它允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳?？赏ㄟ^設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器（XBR2、XBR1和XBR0）將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微

91、控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號(hào)配置為在端口I/O引腳出現(xiàn)，這就使用戶可以根據(jù)自己特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和需數(shù)字資源的組合。而不同于8051單片機(jī)的引腳基本是固定分配的。</p><p>　　交叉開關(guān)是一個(gè)多路選擇器，它用于為器件內(nèi)部的硬件外設(shè)分配I/O端口，例如它可以決定UART的RXD和TXD連到哪一個(gè)端口引腳，交叉開關(guān)負(fù)責(zé)SMBusSPIUART，定時(shí)器捕捉模塊，外部PCA輸入，比較器輸出，定時(shí)器外部輸入SYS

92、CLK以及A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入的引腳分配必須在訪問這些外設(shè)的I/O之前配置和允許交叉開關(guān)，未指定的端口引腳作為通用I/O。</p><p>　　C8051F系列單片機(jī)具有片內(nèi)JTAG和調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口，并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進(jìn)行非侵入式全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該JTAG接口完全符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)，為生產(chǎn)和調(diào)試提供完全的邊界掃描功能。</p><p>　　

93、3.1.2 C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)說明</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，我們?cè)趶腃8051F系列中選用了C8051F005單片機(jī)作為檢測(cè)儀器的核心。在該接地電阻測(cè)量?jī)x中：采用片內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）子系統(tǒng)產(chǎn)生低頻可變頻率的正弦波信號(hào)；采用片內(nèi)可編程增益放大器（PGA）實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換；采用片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）子系統(tǒng)測(cè)量電壓傳感器的耦合電壓和電流傳感器的感應(yīng)電流以及地線回路中的干擾電流；采用片內(nèi)可編程

94、定時(shí)器陣列（PCA）測(cè)量干擾電流的頻率；采用片內(nèi)串行口將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。由此可見，只要采用C8051F005單片機(jī)單個(gè)芯片即可完成接地電阻測(cè)量?jī)x的大多數(shù)功能，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)成本和功耗?，F(xiàn)具體說明C8051F005單片機(jī)內(nèi)部資源如下：</p><p><b>　　1. 模塊外設(shè)</b></p><p>　　⑴一個(gè)8通道12位逐次逼近型ADC，可

95、編程轉(zhuǎn)換速率最大100Ksps，帶可編程放大器（增益：16、8、4、2、1、0.5）；</p><p>　?、苾蓚€(gè)12位DAC；</p><p>　?、莾蓚€(gè)模擬比較器，16個(gè)可編程滯回電壓值，可用于產(chǎn)生中斷或復(fù)位。</p><p>　　2. 高速8051兼容的微控制器內(nèi)核</p><p>　　流水線指令結(jié)構(gòu)，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)

96、系統(tǒng)時(shí)鐘周期；速度可達(dá)25MIPS（時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí)）。</p><p>　　3. 片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描</p><p>　　片內(nèi)調(diào)試電路提供全速非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試不需仿真器，支持?jǐn)帱c(diǎn)單步觀察點(diǎn)堆棧監(jiān)視器。</p><p><b>　　4. 存儲(chǔ)器</b></p><p>　　2304字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM

97、），32K字節(jié)閃速存儲(chǔ)器（FLASH）可以在系統(tǒng)編程。</p><p><b>　　5. 數(shù)字外設(shè)</b></p><p>　　⑴4個(gè)字節(jié)寬的端口I/O，32個(gè)I/O口，所有口線均耐5V電壓；</p><p>　?、瓶赏瑫r(shí)使用的硬件I2CTM/SMBusTMSPITM及UART串行通信；</p><p>　　⑶16位可編

98、程的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），帶5個(gè)捕獲/比較模塊，四種工作方式，每一個(gè)都配置為8位PWM；</p><p>　?、?個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；</p><p>　　⑸專用的開門狗定時(shí)器；</p><p><b>　?、孰p向復(fù)位。</b></p><p><b>　　6. 時(shí)鐘源</b><

99、;/p><p>　　內(nèi)部可編程振蕩器2～16MHz，外部振蕩器：晶體，RC，C或外部時(shí)鐘。C8051F005單片機(jī)采用64腳TQFP封裝，工作電壓為2.6V～3.6V。</p><p>　　3.2 單片機(jī)外圍電路模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 電壓偏移電路</p><p>　　C8051F005單片機(jī)的ADC子系統(tǒng)輸入可設(shè)置為單端或差分

100、方式，范圍為0～Vref，Vref為單片機(jī)內(nèi)電壓基準(zhǔn)（2.4V），這里將ADC子系統(tǒng)的輸入設(shè)置為單端方式。由于被測(cè)模擬量均為雙向交流信號(hào)，因此必須在A/D轉(zhuǎn)換之前對(duì)該信號(hào)進(jìn)行電壓偏移，將其變換為0V～2.4V的輸入范圍。ADC部分偏移電路原理如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 ADC部分偏移電路原理圖</p><p><b>　　經(jīng)計(jì)算可得：</b><

101、;/p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　從而得到0～+2.4V的符合ADC要求的輸入電壓。</p><p>　　C8051F005單片機(jī)的DAC系統(tǒng)輸出為單端輸出方式，輸出電壓Vo范圍為0～+2.4V，而我們需要的是一個(gè)雙向正弦信號(hào)，因此需要將產(chǎn)生的單端信號(hào)進(jìn)行偏移，將其變?yōu)?2.4V～+2.4V的電壓，DAC電壓輸出電

102、壓偏移電路原理圖如圖4-2所示：</p><p>　　圖3-2 DAC輸出電壓偏移電路</p><p><b>　　經(jīng)計(jì)算可得：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中為C8051F005內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，范圍為0～+2.4V，這樣可以得到-2.4V～+2.4V

103、的雙極性正弦波輸出。</p><p>　　3.2.2 JTAG接口電路</p><p>　　JTAG接口使用MCU上的四個(gè)專用引腳，他們是TCK、TMS、TDI、TDO，這些引腳都耐5V電壓，通過這四個(gè)JTAG引腳可以方便實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在系統(tǒng)調(diào)試，程序的下載以及日后的系統(tǒng)升級(jí)。相關(guān)JTAG引腳的定義為：TCK為測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測(cè)試

104、數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測(cè)試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測(cè)試模式；TRST為測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。JTAG引腳定義見表3-1： </p><p>　　表3-1 JTAG引腳定義</p><p>　　與單片機(jī)的接口電路如圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 JTAG接口接線圖</p>

105、<p>　　3.3 微弱電流信號(hào)前置放大電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于地線回路中感應(yīng)電流變化范圍較大，為幾十微安～幾十毫安，從電流傳感器內(nèi)感應(yīng)得到的微弱電流信號(hào)從～，電流十分微弱，并且最小值和最大值之間相差10000倍，其動(dòng)態(tài)范圍較大，如果采用某用一固定增益對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，顯然不能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求：當(dāng)設(shè)定增益太大時(shí)，大信號(hào)有可能會(huì)超出A/D轉(zhuǎn)換的量程，非線性誤差增大；當(dāng)設(shè)定增益太小時(shí)

106、，小信號(hào)有可能無法檢測(cè)到，且A/D轉(zhuǎn)換后將丟失較多的有效數(shù)據(jù)位，量化誤差較大，即使采用高位A/D轉(zhuǎn)換器也很難滿足測(cè)量精度要求。為了提高測(cè)量精度，采用兩步放大的方法：第一步進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換，使用合適的精密運(yùn)算放大器將電流傳感器感應(yīng)到的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)適當(dāng)?shù)男‰妷盒盘?hào)。第二步使用單片機(jī)內(nèi)置的可編程增益放大器，根據(jù)第一級(jí)輸出的電壓信號(hào)，通過寄存器設(shè)置即可自動(dòng)進(jìn)行增益調(diào)整，從而將不同幅度的微弱電流信號(hào)放大到某個(gè)特定范圍，輸出符合A/D轉(zhuǎn)換器

107、輸入范圍要求的電壓，從而提高了其轉(zhuǎn)換精度，便于后續(xù)的信號(hào)處理。</p><p>　　3.3.1 微電流測(cè)試基本原理</p><p>　　由于電流不能被直接測(cè)量，所以一般先要將電流轉(zhuǎn)換為電壓，目前微電流測(cè)量基本上是采用負(fù)反饋放大的運(yùn)算放大電路，其本質(zhì)就是一個(gè)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，一般要是用一個(gè)精密電阻接在被測(cè)電路中，再用電壓放大器對(duì)電阻上的電壓進(jìn)行放大，其基本測(cè)量原理電路如圖3-4所示:<

108、;/p><p>　　圖3-4 微電流放大電路原理圖</p><p>　　理想狀態(tài)下，放大器輸入阻抗為無窮大，輸入偏置電流為0，此時(shí)輸入電流和輸出電壓的理想關(guān)系式為：</p><p>　　式中: 微輸入被測(cè)電流，為取樣反饋電阻</p><p>　　3.3.2 微電流放大電路元器件的選擇</p><p>　　由上可知，運(yùn)算放大

109、器輸出電壓與輸入電流直接成比例關(guān)系，如果采用理想放大器和理想的安裝技術(shù)以及在理想環(huán)境中，此I/V變換器從理論上講，只要足夠大可以測(cè)量任何量級(jí)的微弱電流的。</p><p>　　但實(shí)際上，純理想的情況是不存在的，由于運(yùn)放的非理想狀態(tài)和外圍電阻組件R的精度及安裝技術(shù)等方面的影響，在微弱電流的實(shí)際測(cè)量中會(huì)引入多種誤差?，F(xiàn)對(duì)誤差進(jìn)行分析：</p><p>　　根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流方程式：</p>

110、;<p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4） </b></p><p>　　式中：—運(yùn)放失調(diào)電壓</p><p><b>　　—運(yùn)放輸入偏置電流</b></p><p><b>　　—運(yùn)放開環(huán)增益</b>&

111、lt;/p><p>　　比較兩式，實(shí)際運(yùn)算放大器所引入的誤差</p><p><b>　?。?-5） </b></p><p>　　可見只有當(dāng)，時(shí)，，(3-5)式才能滿足理想結(jié)果。實(shí)際上運(yùn)放的輸入阻抗并不是無窮大，偏置電流有分流作用，由于被測(cè)對(duì)象是微弱電流信號(hào)，放大容易引起電壓和電流的失調(diào)，以及零點(diǎn)漂移、自激干擾，上述因素對(duì)微電流的測(cè)試精度都會(huì)產(chǎn)

112、生影響，所以此時(shí)普通的運(yùn)算放大器已無法滿足精度要求，因?yàn)樗鼈兊妮斎胧д{(diào)電壓一般在數(shù)百微伏以上，失調(diào)電流也較大，要實(shí)現(xiàn)微電流的放大，運(yùn)放的選擇是關(guān)鍵，一般根據(jù)以下幾點(diǎn)來選擇：</p><p>　?、诺瓦\(yùn)放輸入偏置電流，運(yùn)放的輸入阻抗要大；</p><p>　?、票粶y(cè)電流所轉(zhuǎn)換成的電壓遠(yuǎn)大于運(yùn)放的失調(diào)電壓，低失調(diào)漂移；</p><p>　　⑶所選用的運(yùn)放要有足夠大的開環(huán)