交流输入电压、电流监测电路设计

　　单相交流电压、电流监测电路

　　在图3所示电路中，我们采用了一片Microchip公司的RISC结构的高性能嵌入式微控制器PIC16F873。其内置的主同步串行端口MSSP模块具有两种模式：串行外设接口SPI和集成电路内部I2C总线。SPI同步串行输入/输出可应用于外接移位寄存器、串行E2PROM、串行A/D和D/A转换器、LCD显示器等。SPI模式使用串行数据输入SDI、串行数据输出SDO、串行时钟SCK这三个I/O口通信，根据情况还常常需要其他引脚配合使用(例如提供片选信号)。I2C模式是IC之间的串行总线，只需要串行数据SDA和串行时钟SCL两个I/O端口。通过定义同步串行端口状态寄存器，我们可以方便的选择其中一种工作模式，但两种串行通信仅能选择其中之一进行工作。如图3所示，在交流电压采集通道，我们选用了一片LTC1966真有效值RMS-DC转换器和一片LTC2420A/D转换器。

　　LTC1966采用∆∑计算技术，内部的增量累加电路使用更为简便、准确度更高和功耗更低，与传统的对数-反对数RMS-DC转换器相比，表现出更大的灵活性。LTC1966可接受单端或差动输入信号(可抑制EMI/RFI)。差动输入范围为1VPEAK，提供优异的线性度。具有独立的输出基准电压引脚，可进行灵活的电平调整。LTC1966对电路板的焊接方式、应力及工作温度都不敏感。与对数/反对数方案相比，该拓扑结构具有本质更好的稳定性及线形度。

　　LTC2420的 ADC是一个过采样∆∑ADC，具有本质性抑制RMS平均纹波的特性。将F0引脚接电源，内置的数字滤波器即可以滤去50Hz纹波。数据输出为三线制接口，兼容SPI和MICROWIRE协议。在采样时它的输入阻抗是6.5M，如果直接连接负载LTC1966，将会造成-0.54%至-0.73%的增益误差。而且，LTC2420 DC输入电流在0V时并不为零，而是其基准的一半，这会造成输出偏移和增益误差。但是对于特定的LTC1966和LTC2420组合，该误差是固定的，因此可以通过校准系统消除这些误差。

交流电压采样过程：LTC1966对衰减后的交流电压信号进行RMS-DC转换。PIC16F873的RA1端口输出低电平选中LTC2420的CS片选端启动A/D转换。PIC16F873通过SPI接口接收LTC2420的转换数据，再对数据进行处理。

　　在电流检测通道，首先由电流传感器将电流信号转化为电压信号。因为PIC16F873内部嵌入了一个10位A/D转换模块，将其一路输入通道与LEM电流传感器的电压输出端连接，由PIC16F873进行A/D转换后，直接通过软件计算处理得到交流电流瞬时值、有效值和峰值。有效值计算原理依据公式4。

　　显示通道由一片带串行接口的多位译码驱动器MAX7221和四个LED数码管组成。因为监测过程需要显示的数据主要为数字量，所以选择7段LED数码管作为显示输出部件。而且LED数码管较LCD显示器适应低温、震动环境能力更好，价格更低廉。MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器秒，它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8×8的静态RAM用来存储每一个数据。MAX7221与SPI、QSPI以及 MICROWIRE相兼容，同时它能通过限制段驱动电流来减少电磁干扰。使用MAX7221驱动LED数码管，不仅简化了硬件电路，也减少了PIC16F873的软件编程工作。

　　报警输出通道，采用一只压电蜂鸣器发出音频报警，通过一只TLP421-1光耦和一只直流电磁继电器控制外围保护电路动作切断电源输入进而保护电子设备。

　　按键部分较为简单，只有四个按键：“↑”、“↓”、“←”、“OK”。恰好可以利用B端口RB4~RB7四个I/O口的电平变化中断功能，实现所有“显示模式”、“电压、电流值校准测量”、“高低限报警值设定”、“高低限切断值设定”、“复位确认”等功能选择操作。

　　结语

　　设计实现了交流电压、电流的真有效值测量电路。该电路选用了一片PIC16F873单片机，利用其SPI串行通信接口连接一片LTC2420A/D转换器实现电压采集，利用其内部嵌入的A/D转换器连接外部的LEM电流传感器实现电流采集，一片MAX7221驱动器完成显示功能。在实际使用中，该电路实现了精确的交流电压、电流检测，抗干扰能力强，配合外围保护电路能有效防止电子装备在异常情况下发生损毁。外围还可以考虑增加远程通信模块和记录模块，实现更完备的监测记录分析功能。

　　参考文献

　　[1] 沙占友，杜之涛，许云峰. 数字仪表新颖电路原理与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

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　　[5] Make a Delta-Sigma Converter Using a Microcontroller's Analog Comparator Module[EB/OL]. [2002-01-18].http://www.microchip.htm.