高精度多功能标准电能表设计方法
多功能电表课程设计
多功能电表课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解多功能电表的基本工作原理和功能特点；2. 掌握多功能电表的使用方法，包括电压、电流、电阻的测量；3. 学会读取和解读电表测量数据，进行简单的数据分析和计算。
技能目标：1. 能够正确操作多功能电表，进行基本的电学实验测量；2. 培养学生动手实践能力，通过实际操作解决电学问题；3. 提高学生分析数据、解决问题的能力，形成科学探究的思维。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理实验的兴趣，激发学习热情和积极性；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验安全，遵循实验规范；3. 增强团队合作意识，培养学生相互协作、共同探究的精神。
本课程针对初中物理学科，结合学生年级特点，注重理论与实践相结合，以多功能电表为载体，培养学生实际操作能力和科学探究精神。
课程目标具体、可衡量，旨在让学生在掌握基本电学知识的同时，提高实践技能和情感态度价值观。
后续教学设计和评估将以此为基础，确保课程目标的实现。
二、教学内容本章节依据课程目标，紧密围绕多功能电表的使用和电学基础知识，选择以下教学内容：1. 多功能电表的结构与原理：介绍电表的组成部分、工作原理，结合教材相关章节，使学生理解电表的内部构造及其测量原理。
2. 电表的正确使用方法：详细讲解电压、电流、电阻测量的操作步骤，强调注意事项，确保学生能够正确使用电表进行实验。
3. 电表测量数据的读取与分析：教授如何读取电表显示的数据，并进行简单的数据分析和计算，结合教材实例，提高学生分析问题的能力。
4. 实践操作与实验：安排电学实验，如测量电压、电流、电阻等，巩固理论知识，培养学生动手实践能力。
5. 教学内容的安排和进度：- 第一节课：多功能电表的结构与原理，认识电表的各个部分及其功能；- 第二节课：学习电表的正确使用方法，进行简单的电压、电流测量实验；- 第三节课：读取和分析电表测量数据，进行实际操作练习；- 第四节课：综合实验，巩固所学知识，提高实践能力。
一款基于32位ADC的高精度直流标准表的设计
• 165•连接时将电流线圈并接或同名端接反则会烧坏保险管甚至功率表。
检修时先取出保险管，用万用表测量，如果保险管烧坏则更换即可。
如果保险管完好，则进一步检查功率表是否损坏，如果烧坏则更换。
（3）元器件故障，镇流器和启辉器性能比较稳定，烧毁的几率较小；并联不同的电容以后，电流表测量的数值如果不符合理论规律，则可能对应的电容烧毁，需及时打开内部电路观察并重新更换电容。
3.3 三相交流电路实验常见故障三相交流电路实验比较常出现的故障有三相电源异常和负载连接故障。
（1）三相电源缺相或电压数值异常：首先检查输入电压是否异常，如果异常则检修电源插座或插头；其次电流表短接会烧毁保险管，所以检查保险管是否熔断、破裂或乌黑，烧毁则更换；如果是变压器出现故障，需检修变压器；如果各相刻度盘指针偏转正常，但无输出电压，可能是输出电压插孔断开或损坏，用万用表测量各相电压是线电压找到问题插孔，重新焊接或者更换输出插孔（李洋洋，电工实验装置电源常见故障及维修：实验室科学，2015）。
（2）负载连接线路故障：三相电路实验需要用到三组灯泡，有星型和三角型两种接法，还要测量负责对称和不对称时电压与电流的情况。
由于接线较多，学生连接过程中稍不留意就会出现错接，从而出现烧毁保险管、烧毁灯泡、跳闸的情况发生。
此时需要更换保险管、灯泡并正确连接线路。
3.4 电动机控制电路常见故障电动机单向运转控制电路和正反转控制电路是电工技术中重要的实验内容，在电动机控制电路中，主要的故障有控制按钮、交流接触器故障等。
（1）控制按钮异常：电机控制回路中启停按钮有常闭、常开触点构成，如果发现电动机不能正常启停，可根据具体电路进行检查相应的常闭或者常开触点是否接触不良或者短路，从而进行修复即可。
（2）交流接触器通电后不能吸合，测试电磁线圈两端有无额定电压：若无电压，说明控制回路发生故障，应根据具体电路进行检查和处理；若有额定电压，则可能是线圈本身开路，可用万用表欧姆挡进行测量（若是接线螺丝松脱，应紧固；若是线圈内部开路，应更换线圈)。
多功能智能电表的设计
多功能智能电表的设计摘要目前，电力系统中仪器仪表已经进入了自动化和智能化的时代。
自动化和智能化特性不仅要求这些仪器仪表像传统计量表一样具有计量功能，而且还要具有测量、保护、控制、通信等多种功能，以反映电气元件运行状态和控制调节的信息。
随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已逐步成为电能表发展的主流。
国内仪器制造设计的电能表主要有远程监测仪表，手持式仪表，便携式多功能分析仪表。
而在技术解决方案中，传统的单片机不能满足多功能而且精度低，不适用于信息交互高速实时处理场合。
智能电表具有数据保护，报警，断电显示，负荷控制，防窃电，远程抄表等功能。
从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电表上长期使用的机械部件，随着智能化电表的发展，将最终取代传统电表在用户中的使用。
本文主要应用AT89C52单片机，RS485通讯各个单元来完成数据的传输，费率的计算，数据的显示，报警，远程抄表控制，使电表实现智能化。
关键词：智能电表；自动抄表；RS485通信；预付费；智能化Design on Multifunctional Smart MeterAbstractAt present, the power system instrumentation has entered the era of automation and intelligent. Automation and intelligent feature not only require these instruments the same as the traditional measurement meter measurement function, but also with the measurement, protection, control, communications and other functions in order to reflect the operational status and control of electrical components, regulation of information.Along with the high technology and new technology electronic information technology’s fast develop ment, the electronic formula, multifunction, the high accuracy, the multi-tariffs, copies product and so on table superiority to underline automatically particularly, and already gradually became the electrical energy table development the mainstream. Design of domestic equipment manufacturers are remote meter monitoring instruments, handheld instruments, portable and multifunctional analysis instruments. In the technical solution，the traditional single chip cannot meet the multi-function and low precision, high-speed information exchange does not apply to real-time processing applications. The intelligent electric instrument has the data protection, the warning function, the power failure demonstration, the load control, against steals the electric work energy, long-distance copies functions and so on table system, uses take the integrated circuit from the measurement to the processing as the core electronic device, thus has canceled on the electric instrument the long-term use mechanical part, along with the intellectualized electric instrument’s development, will substitute for traditional electric instrument in userpractical finally. In this dissert the hand-hold unit, the AT89C52 monolithic integrated circuit are used and so on each unit completes the data with RS485 communications the transmission, the tariff computation, the data demonstration, the warning, long-distance copies the table control, causes the electric instrument to realize the intellectualization.Keywords: Intellectual mater；Auto Read Meter；RS485 Communication；Prepayment；Intellectualization目录中文摘要 (I)外文摘要 (II)1绪论 (1)1.1引言 (1)1.2课题研究背景，目的及意义 (1)1.3国内外研究概况及发展趋势 (2)1.4智能电表设计的技术要求及主要研究内容 (3)1.4.1技术要求 (3)1.4.2主要研究内容 (4)2智能电表的总体设计方案 (5)2.1总体设计思想 (5)2.2系统总体功能 (5)2.3智能电表的硬件设计方法 (6)2.3.1微处理器或微控制器 (7)2.3.2传感器 (8)2.3.3信号调理 (8)2.3.4A/D转换器和D/A转换器 (8)2.3.5智能电表的接口通信 (9)2.4智能电表的软件设计方法 (9)3智能电表的硬件设计 (12)3.1单片机系统设计 (12)3.1.1AT89C52的主要特性 (13)3.1.2AT89C52各主要引脚功能 (13)3.2电能计量芯片ADE7758 (15)3.2.1ADE7758综述 (15)3.2.2ADE7758引脚配置及功能描述 (15)3.2.3ADE7758信号衰减电路设计及互感器选型 (17)3.2.4ADE7758与MCU接口设计 (18)3.3MCU外围电路及其它模块的设计 (19)3.3.1存储模块设计 (19)3.3.2时钟模块设计 (20)3.3.3液晶显示模块设计 (21)3.3.4按键模块设计 (22)3.3.5串口通信模块设计 (24)4智能电表的软件设计 (25)4.1主流程图 (25)4.2系统初始化 (27)4.3系统子程序模块 (27)4.3.1系统参数自校正模块 (27)4.3.2电量测量功能模块 (27)4.3.3电能检定功能模块 (28)5系统调试 (29)5.1软硬件调试 (29)5.2功能测试 (29)5.3误差的定性分析及改进措施 (30)总结及前景展望 (32)参考文献 (33)致谢 (35)附录1 外文参考文献（译文） (36)附录2 外文参考文献（原文） (41)1绪论1.1引言作为仪器仪表中的一个子类产品，电能表在电力系统的各个环节中占据着重要的地位。
高精度宽电流量程电表的设计
图２ 硬件设计
９Ｅ ４ 片具有三路模数转换器输入信道 ， ０ ２芯 分 别 采 样 一 路 电压 和 两 路 电流 包 括 一 路 Ｌ 和 一 线
路Ｎ线 。
电 压 输 入 通 道 的 模 数 转 换 器 的 范 围 为
１０ｔ ｍｓ ６ ０ｍＶｒ 之 问 ，电 压 采 样 采 用 电 ２￣ Ｖｒ 至 ０ ｍｓ
■融
ห้องสมุดไป่ตู้
的 一个 难题 。
为 此 目的 ，Ｉ 开 发 了９ Ｅ ４ 量 芯 片 。该 ＤＴ ０ ２计
这 是 一种 必 需 要 避 免 的危 险情 况 。 为 了 用 电安 全 电流 计 量 动 态 范 围 。 在温 度 系数 低 于 ｌ０ｐ ｒ ￣ ５ ｐｎ Ｃ ／ 需 要 ，电力 公 司 不 得 不 更换 大 量 处 于使 用寿 命 的 的 情 况 下 ，电 流 测 量 的精 确 度 维 持 不 变 。 电表 ，导 致 大量 的 资 源浪 费 。
需 求 可 能 会 在 电 表 安 装 后 的 几 年 出 现 较 大 的 增 芯 片使 得 设 计 电 流 规 格 为 １ １０ Ａ的 单 相 电 表成 （ｏ） 长 ，尤其 在每 年 都 出现 的 高峰 用 电 时 段 ，使 得 最 为 可 能 ， 同时 保 持 了 在 ２ ０ｍＡ 到 １ ０Ａ的 电流 范 ０ 大 用 电 负荷 可 能 接 近 甚 至超 过 电表 的 最 大 电流 ， 围 内 计 量 精 准 度 优 于 ０２ ，这 等 同 于 ５ ０ ：的 ．％ ００１
用 户 用 电 负 载 所 消 耗 电功 率 的精 确 程 度 ，通 常 言 ， 受 已 投 放 市 场 的 计 量 芯 片 动 态 范 围 限 制 ， 包 括 两 部 分 ：一 部 分 是 针 对 直 接 接 入 方 式 的 电 不 得 不 对 电 表 规 定 较 多 的 电流 规 格 ， 以 适 应 不
多功能数字电能表的设计
摘要随着我国经济的飞速发展，电能消耗日益增加，电能成为现代社会国民经济和人民生活的重要保障。
单相电子式电能表以其计量程度高、成本低等优势在我国开始逐步推广使用。
文章概述单相电子式电能表的发展与需求，介绍单相电子式电能表的原理与优点，提出单相电子式电能表的设计方案。
该系统主要由显示模块、键盘模块、时钟模块、存储模块、通讯模块、CPU 模块、CS5460电能表计量芯片模块和前端电路调理模块八部分组成。
前端电路调理模块采用2mA/2mA 的电流互感器和5A/2.5mA 电流互感器和精密电阻实现对市电的转换，并采用RC 滤波网络滤波，然后采用由美国CRYSTAL公司的新型电能计量芯片CS5460 芯片实现对电流、电压和电能的测量与转换；时钟模块采用DS1302 时钟芯片为系统提供时钟基准，存储模块采用AT24C16，为系统提供数据存储；显示模块用OCMJ4X8CM 液晶，通信模块采用Max232 芯片，并利用AT89S52 组成的CPU模块控制所有芯片的工作、测量、计算电能，送往显示模块和存储模块进行实时显示和存储，并通过标准RS-232 接口送往PC上位机进行同步显示，并且本电能表还设有GPIB 地址，以便于电能管理系统对电能的管理。
关键词CS5460；AT89S52；MAX232通讯；OCMJ4X8CM-I-AbstractAlong with the rapid development of China's economy, power consumption, increasing power becomes the modern society of national economy and people's life important guarantee. Because the degree of the single-phase watt-hour meter measure is high, low cost advantage in China began to gradually spread the use of it. Developed so far, the measurement circuit technology already from the analog circuit improve on time-multiplier for digital multiplier another one circuit, the market share has amounted to more than 60%. In the international market, China's production of single-phase watt-hour meter with strong competitiveness and wide prospect of market.This article summarizes the development of single-phase watt-hour meter and demand; this paper introduces the principle of single-phase watt-hour meter and advantages, and puts forward the design scheme of single-phase watt-hour meter.This system is mainly revealed the module, keyboard module, clock module, store module, communicate module, CPU module, CS5460 electric energy meter chip module and front circuit look after the part of the module to make up. The front circuit recuperates the module and adopts electric current mutual inductor and 5A/2.5mA electric current mutual inductor and accurate resistance of 2mA/2mA to realize the conversion of the city electricity, and adopt RC to strain the wave network and strain the wave, then adopt measure chip, CS5460 of chip, realize to electric current, voltage, measurement and conversion of electric energy by new electric energy of Company, CRYSTAL of U.S.A.; The clock module adopts DLS1302 clock chip to offer the clock basis for system, stores the module and adopts AT24C16, offer the data for system tostore; Reveal the module uses OCMJ4X8CM liquid crystal, the communication module adopts Max232 chip, and utilize CPU module that AT89S52 makes up to control the work of all chips; Measure, calculate electric energy, send to is shown the module and stores the module and pays revealing and storing in real time, send PC to location plane go on reveal and this electric energy meter have GPIB address also synchronously through standard RS-232 interface, so that the control over electric energy of administrative system of electric energy.Keywords CS5460; AT89S52; 232communication; OCMJ4X8CM- II -目录摘要 (I)Abstract (II)第 1 章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 研究目的与意义 (2)1.3 电子式电能表的发展及技术优势 (3)1.4 论文研究内容 (4)第 2 章总体方案设计 (5)2.1 单相电子式电能表的工作原理 (5)2.2 设计功能要求 (5)2.3 系统的整体设计方案 (5)2.3.1 电能计量部分 (6)2.3.2 前端调理电路部分 (10)2.3.3 主控芯片 (11)2.3.4 显示部分 (11)2.3.5 通信模块 (13)2.3.6 时钟模块 (13)2.3.7 存储部分 (15)2.4 本章小结 (16)第 3 章系统硬件设计与实现 (18)3.1 直流稳压电源的设计 (18)3.2 前端电路调理模块的设计 (18)3.2.1 电压调理部分 (18)3.2.2 电流调理部分 (18)3.3 电能测量模块的设计 (19)3.4 通讯模块的设计 (20)3.5 液晶显示的设计 (20)3.6 键盘的设计...................................................................................................... .21 3.7 本章小结 (21)第 4 章系统软件流程图的设计 (23)4.1 主流程图 (23)4.2 系统初始化 (23)4.3 系统初始化 (23)4.3.1 系统参数自校正模块 (24)4.3.2 电量测量功能模块 (25)4.3.3 电能鉴定功能模块 (25)4.4 系统初始化 (25)4.5 本章小结 (26)第 5 章系统的硬件调试及误差改进措施 (27)5.1 硬件调试 (27)5.2 功能测试 (27)5.3 误差的定性分析及改进措施 (29)5.3.1 空间电磁场的抗干扰设计 (29)5.3.2 模拟通道与数字通道之间抗干扰设计 (29)5.3.3 电源和接地系统的抗干扰设计 (31)5.3.4 印刷电路板抗干扰设计 (32)5.4 本章小结 (32)结论 (33)致谢 (34)参考文献 (35)附录B (41)第1章绪论1.1 课题背景电能是社会生产和人民生活必需的重要能源,随着国家的发展和人民生活水平的不断提高我国对电力的需求急剧上升,电力供应出现了相对不足,一些地区和一些企业能耗非常高,一些省份和地区出现电力短缺问题,这不但阻碍国民经济的发展,也妨碍了人民的生活,所以电能的节约与电能的有效利用具有非常重要的意义。
一种高精度数字多用表的设计与实现
图2 交流电压放大检波电路 2.2 电阻测量电路
电 阻 测 量 电 路 如 图 3 所 示 ，使 用 标 准 精 密 电 阻（R3 ～ R7） 对 待 测 电 阻 进 行 分 压 ，检 测 待 测 电 阻 两 端 电 压 ，则 可 根 据 欧
图4 电流测量电路 2.4 STM32嵌入式系统
嵌 入 式 系 统 需 要 实 现 读 取 ADC 数 据 ，数 据 滤 波 、计 算 和 处 理 ，LCD 可 视 化 ，切 换 测 量 模 式 和 量 程 等 功 能 。 因 此 ， STM32的硬件设计需要至少两个按键，两个SPI通信接口分别 与 ADC和 LCD通 信。 另 外 ，需 要引 出 自 带的 ADC 通 道 、串 口 、 I2C等其他常用拓展功能的引脚。 2.5 AD转换电路
姆定律计算电阻值。图3中各个开关用于量程选择，原理同上。
图1 数字多用表设计框图
2 硬件设计
2.1 交流电压测量电路 交 流 信 号 输 入 不 同 量 程 的 放 大 电 路 后 ，经 过 检 波 电 路 ，
可转换为直流信号，然后输入A/D转换器，在 ADC转换完成 后 ，传 输 给 STM32，由 STM32 进 行 数 据 读 取 、处 理 和 计 算 。 获 得直流电压值后，则可计算交流电压有效值。
设计与分析◆Sheji yu Fenxi
一种高精度数字多用表的设计与实现
丁越昌 梁福杰 龙 云 高月镜 曹文旭
（西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010）
摘 要：设计了一种精度高、误差小、使用方便的数字多用表，分析了系统的硬件、软件设计过程，并建立了数据拟合曲线。测试表 明，该系统测量值与实际值误差≤1%，电压可精确到1 mV，电流精确到0.1 mA，电阻精确到1 赘，可应用于对测量精度有一定要求的 场合。
多功能电能表设计
功能模块 计量
存储器 RTC 通讯接口
存储器 计量 MCU
LCD MCU 通讯
资源需求 带方向的有功无功计量
FLASH及EEPROM需要有相应的容量 需要RTC 至少需要两路UART
FLASH及EEPROM需要有相应的容量 提供电压/电流检测 占用相应的GPIO数量
v(t) 2.V.sint
i(t) 2.I.sin(t q)
Wt vtit V I cosq V I cos2t q
有功功率值P为瞬时有功功率的直流分量部分，即P = V.I.cos(q)
12
无功功率计算
无功功率的计算可以通过将电流或电压之一移相90度后与另外一个 通道结果相乘得到 – Hilbert变换
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多功能电子式电能表设计
第1部分：前言
内容概述
电子式电能表设计的一些基本方法 整表方案设计思路 各功能模块设计软硬件设计要点 常见问题案例分析 设计中的一些注意事项
CT 电阻分压
CT 电阻分压
CT 电阻分压
单相计 量芯片
单相计 量芯片
单相计 量芯片
SPI/GPIO
MCU UART
LCD
RTC
其它输入 输出外设
变压器A 变压器B 变压器C
整流 稳压
电源1 电源2
光电隔离 RS485
25
方案1 vs 方案2
方案1：电流互感器+3相计量芯片
最典型的三相多功能表方案 电流互感器的隔离使得计量芯片与MCU之间可以直接连接且共用同一组
最新多功能数字万用表设计与制作
最新多功能数字万⽤表设计与制作多功能数字万⽤表设计与制作1、摘要随着科技的⽇新⽉异，电⼦产品发展也⾮常之快，在电⼦电路测试、家⽤电⽓设备的维修、电⼦仪器检修、电⼦元器件测量中，万⽤表是最普及、最常⽤的的测量仪表。
由于它操作简单、功能齐全、便于携带、⼀表多⽤等特点，深受电⼯、电⼦专业⼯作者及⼴⼤⽆线电爱好者的喜爱。
事实证明，万⽤表不仅能检测电⼯、电⼦元器件的性能优劣，查找电⼦、电⽓线路的故障，估测某些电⽓参数，有时还能代替专业测试仪器，获得⽐较准确的结果，基本上可以满⾜电⼯、电⼦专业⼈员和业余⽆线电爱好者的需要。
因此，推⼴万⽤表的应⽤技术，实现⼀表多⽤，既符合节约精神，⼜可以在⼀定程度上克服专⽤仪器的困难。
多功能数字万⽤表是在电⼦⽅⾯的学习、开发以及⽣产⽅⾯应⽤相当⼴发的⼀种仪器⼯具，整机电路设计以⼤规模的集成模拟和数字电路组合，采⽤STM32F103RBT6为核⼼，⾼精度的运算放⼤器，低功耗⾼效率的开端电源转换器，全电⼦调校技术赋予仪表⾼可靠性，⾼精度。
仪表可⽤于测量交直流电压、交直流电流、电阻、电感、电容，RS232C接⼝技术的应⽤使其和计算机构成可靠多种的双向通讯。
仪表采⽤独特的外观设计，采⽤OLED3.1液晶显⽰器，仪表采⽤220V交流供电使之成为性能更优越的⾼精度电⼯仪表。
⽬录1摘要 (2)多功能数字万⽤表的设计与制作 (11)2项⽬概述与功能需求 (11)3项⽬论证 (12)3.1 总体⽅案论证 (12)3.1.1设计⽬标 (12)3.1.2总体设计⽅案 (12)3.2⼩模块⽅案设计： (15)(18)4 项⽬设计 (18)4.1 系统模块设计 (18)4.1.2测直流电压模块 (19)图9 测直流电压原理图 (19)4.1.3测交流电压模块 (20)图11 测交流电压原理图 (20)4.1.4测电阻模块 (21)图13 测电阻原理图 (21)4.1.5测电容模块 (22)图15 测电容原理图 (22)4.1.7液晶显⽰模块 (22)1、原理分析： (22)2、原理图如图所⽰： (23)图19 液晶显⽰原理图 (23)4.1.8电源显⽰模块 (23)1、原理分析 (23)2、原理图如图所⽰： (23)图21 电源原理图 (24)4. 2接⼝设计4.2.1外部接⼝ (24)四个外部接⼝和两个外部开关功能分别如下： (24)外部接⼝1：测电容、交直流电压、直流电流； (24)外部接⼝2：测电阻； (24)外部接⼝3：测⼆极管（蜂鸣器）； (24)外部接⼝4：接地端。
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*高精度多功能标准电能表设计摘要：介绍一种高精度、多功能三相标准电能表的设计方法。
采用硬件锁相环电路，控制单片6通道16位高速并行A/D转换器ADS8364实现对三相电压、三相电流同步整周期均匀采样。
TMS320F2812 DSP 对采集的三相电压、电流数据进行运算和处理，并用软件方法产生高低频标准电能脉冲。
给出了系统总体结构、模拟通道设计、倍频锁相电路、数据采集电路、各种电参数测量算法及系统软硬件抗干扰措施。
主要指标的准确度等级优于0.05级。
其设计方法对于高精度电力测量仪表的研制具有实际参考价值。
关键词：标准电能表；同步采样；锁相环；ADS8364；TMS320F2812Design of High-precision Multi-functional Reference Energy MeterAbstract: Design method of high-precision, multi-functional three-phase reference energy meter is introduced. A hardware phase-locked loop circuit is used to control 6 channels 16 bits high-speed parallel interface converter ADS8364, realize the function of synchronous and full period collection of three-phase voltage and current. TMS320F2812 DSP processes and analyzes the acquired voltage and current data and generates standard electric energy pulses using software. The system hardware structure, analog channels circuits, data acquisition circuits, measurement algorithms of electric parameters and anti-jamming methods are given. Measuring accuracy grades of main parameters excelled 0.05%. Its design method has practical reference values for high-precision electrical measuring equipments.Keywords: Reference energy meter; Synchronous sampling; Phase-locked loop; ADS8364; TMS320F28120 引言课题背景电力是国家经济发展的命脉，随着工业技术的不断进步，对电力的需要越来越大，电力部门需要及时、准确的对供、用电量进行计量并监测电网的相关参数以便采取相应的措施保证整个电网的安全和稳定，电能表是必不可少的监测设备。
传统的机械感应式电能表具有寿命较长的优点，但由于机械机构，计度器和转子摩擦造成启动电流大，精度较低等缺点不能克服，更不能实现复费率功能。
电子式电能表是国外在70年代发展起来的一种替代传统机械式电能表的新产品，它和传统的机械式电能表相比有许多优点:低功耗，宽量程，高精度，高可靠性，体积小，防窃电等优点，还具有多功能计量、数据分析、数据通信等功能，电子式电能表己逐渐取代传统的机械式电能表。
我国的电子式电能表是90年代初期开始研制生产的，早期的计量电路主要采用上海贝岭的BL0932，原理是:电压电流两路信号进行模拟相乘后送低通滤波，再经过V/F变换成一个输出频率和被测功率成正比的脉冲信号，经过分频得到代表一定当量的电能脉冲，然后驱动电子式步进电机进行电能计量。
但由于电能计量采用的是模拟技术，受到芯片制造工艺的限制，电路的可靠性和温度稳定性较差，整表调试比较困难，性能扩充差。
随着电子技术的发展，高精度的ADC和高速的微处理器的产生，使电子式电能表进入快速发展阶段，电子式电能表产生了两种硬件结构，其一是采用ADC+专用DSP构成专用电能计量电路，其原理是:电流、电压两路信号经过放大后进行A/D转换，转换后的数据经过数字乘法器相乘得到功率数据，再转换成正比于功率信号的脉冲，经过分频，驱动步进电机进行计量。
由于采用数字技术，使得电路的稳定性和一致性比模拟乘法技术有了很大的提高。
应用该方案，开发的周期可以大大缩短。
另外一种是采用单片式ADC加可编程DSP单元或微处理器的计量方式，这种计量方式的原理是电流电压两路采用信号隔离放大后进入单片ADC，转换后的数字信号送到微处理器，电表设计者需要编写程序对信号进行处理，其优点是可以满足不断变化的用户需求，但这种方式对编程人员要求较高，而且相应的成本较高，其缺点是可编程DSP由于算法都是通过软件来实现，对DSP的资源要求比较高，且算法是否合理性会影响到数字处理滤波运算量的大小，对设计者的专业知识要求比较高;而专用DSP则是IC设计厂家根据设计要求定制的DSP，由IC设计厂家对算法进行验证，实际应用时不需要涉及内部算法，由此可见，专用DSP计量电能表有更大的优势。
1.2本课题的目的和内容1.2.1选题的背景和意义随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，各行业对电力能源的需求不断增加，电力供应十分紧张，国家在加大电力建设投入的同时，全面推行峰谷分时电价，调整用电曲线，用经济手段引导，鼓励用户合理用电。
峰谷电价政策涉及到新的电能计量方法和计量装置，原有的单费率电能表不能满足其计量要求，新的政策需要能对费率进行设置，可以划分时段，并包含辅助检测和计量功能的多费率电能表。
工业用户是用电大户，对于调整用电曲线有巨大的推动作用，目前我国电网常用的电能表计量精度一般为2级、1级、0.5级，在很多用电大户，往往采用高倍率的互感器，这时电能表计量1度电，供电部门要按电能表计量的度数乘以互感器的倍率来收费，因此提高计量的准确性是非常有必要的。
研究和开发高精度、高可靠性的三相多功能电路，具有很好的应用前景和市场意义。
在研制各类电能表和电能计量装置时，保证测量精度的关键措施之一，就是要求对相互关联的三相电压、三相电流信号进行同时、同步（信号周期是采样周期的整倍数）数据采样。
使用6片采样保持器和单片A/D转换器，再辅以多路模拟开关和同步信号产生电路，可满足设计要求，但结构复杂、成本昂贵、编程麻烦[1]。
目前，新型单片多路独立通道A/D转换器的出现，可以方便地实现多通道同时采样，省去了外部采样保持电路，但要实现同步整周期均匀采样，还必须采取软件或硬件同步措施。
本设计系统介绍高精度、多功能三相标准电能表的设计方法，它采用硬件高速锁相环电路，控制单片6通道16位高速高精度A/D转换器ADS8364，实现三相电压、三相电流同时、同步采样，且能够跟踪信号频率变化。
强大的32位定点DSP TMS320F2812对采集到的电压电流信号进行高速运算和处理，独特的软件产生电能脉冲的方法大大节省了硬件电路和系统成本。
本设计重点介绍标准表的总体硬件结构、主要部分设计原理、软件测量算法及抗干扰措施等。
1模拟通道设计三相标准电能表总体硬件结构如图1所示。
三相电压（0~480V）、三相电流（0~100A）分别经精密电阻分压变换、精密电流互感器变换和高性能程控增益量程切换后转换为适合ADC输入电平要求的交流信号。
电压档位设置五档：480V、240V、120V、60V和30V；电流档位也设置五档：100A、20A、5A、1A和0.2A。
档位的选择是通过软件判断当前电压、电流的测量值的大小后，控制程控增益自动切换，保证每个量程的40%~120%作为工作范围，充分利用了线性度最佳的区间[2]。
选择高性能程控增益AD526C，通过编程可提供1，2，4，8和16倍增益，增益误差为0.01%，线性度优于0.0035%。
电流通道没有采用线性范围较宽的电阻取样，是考虑到长期工作后电阻阻值易受温度等因素影响。
采用互感器采样电路的优点是长期稳定性好，实际电路中采用电子补偿变换电路和非线性补偿措施扩大互感器电路的线性范围，使线性误差控制在0.01%以内，提高了模拟通道的测量精度。
精密电阻分压变换电子补偿式电流互感器变换程控增益程控增益ADC ADS8364DSP TMS320F2812MCU Atmega 16L LCD KEYBD E 2PROM CPLD 倍频锁相电路ua f i f o =Nf i f H f LCHA0FLASH RAMu b u ci a i b i c CHB0CHC0CHA1CHB1CHC1光电隔离HOLDX 图1 标准电能表总体硬件结构图2 采样电路设计为了保证标准电能表的测量精度，需要对模拟通道调理输出的三相电压、三相电流信号进行同步整周期均匀采样。
采样电路由同步信号发生电路和A/D 转换与信号处理等部分组成。
1 .2 同步采样的实现方法当采样速率是被测信号频率的整倍数, 采样点包含整个周期, 且满足采样定理时, 用DFT 频谱分析, 频域不会发生泄漏, 可完全消除误差[2]。
因此采用硬件锁相环电路产生整倍于被测信号频率的方波来控制Σ-ΔA/D 转换器实现同步整周期采样。
倍频锁相电路如图3所示。
为使锁相环准确锁定在被测信号(u i 或i i )的基波频率上, 输入电压信号经3阶有源低通滤波器滤除60Hz 以上高次谐波, 经过零比较器输出对称方波, 作为高速锁相环的输入信号f i 。
f i 同时也用作DSP 测量信号频率的信号源。
被测信号频率f i 与反馈信号f 0/N 进行相位比较, 其相位差信号经过低通滤波后, 控制压频振荡器输出频率f 0 发生相应的变化, 再经N 分频后反馈到相位比较器,通过负反馈环路的快速调整, 最终达到环路锁定。
锁定时f0/N 与f i的频率之差趋于零, 即f0=Nf i。
将锁相环产生的倍频信号f0作为Σ-ΔA/D转换器的主时钟信号, 可以控制Σ-ΔA/D转换器实现同步数据采集[3- 4]。
被测50Hz信号每周期采样1024次, 则采样率f s为51.2kHz, 压控振荡器中心频率f0=f s×256=13.1072(MHz)。
压控振荡器上、下限频率设计为16MHz 和10MHz, 当被测信号在60～40Hz 范围变化时, 可以实现同步数据采集。