时间：2022-10-19 10:55:04
单片机只能处理数字量而不能处理模拟量，而实际上模拟量随处可见，如电压、电流、温度、压力等等。它们都需要通过单片机进行测量和处理，这就需要将这些模拟量先通过A/D转换（模/数转换）后变为数字量后再由单片机进行处理。随着单片机的集成度及功能的增加，目前已有很多的单片机内集成有 A/D转换器，使用上很方便。在模拟量的测量中最常见的莫过于交流电压及交流电流的测量，而单片机内的A/D转换器通常是用来测量直流或脉动直流的，测量交流量并不方便，因输入脚不允许输入负电平。这需要增加一些电路方能实现对交流电的测量。下面介绍两种交流量的测量方法。
1. 半波交流量测量法
当我们认定交流量是正负对称的波形，那我们只需对其正半周的波形进行测量即可，这实际上就是将交流量的负半周削去，只剩下正半周，然后进行测量（也即前面所讲的脉动直流量测量）。半波交流量测量的电路如图1。
交流电压Vin通过电阻R2、R1分压后，获得A/D转换所需的输入电压，并由单片机A/D输入端AN0输入。通常该输入电压的峰值为+5V，通过R2、R1换算，Vin的峰值为100V，合有效值71V左右。当然也可以改变R2之值来获得不同的电压Vin。Vin通常是通过电压传感器（变压器）或电流传感器（变流器）与被测源耦合而得。
必须指出：AN0输入端的电压峰值（也即允许最大值）必须是+5V，这样才能充分地利用A/D转换中的所有位来达到我们预期的精度。另外一点是，在前面的分压电路中我们还没有考虑到AN0输入端所呈现的输入阻抗（A/D转换器输入端均有一定的输入阻抗，视单片机不同而异），所以最后我们还需用实测来确定R1的值。方法是在Vin端输入直流电压+100V，调整R1之值，使AN0端的直流电压值为+5V。半波测量法的工作原理并不复杂，当Vin为正半周时，二极管D不导通，故正半周的波形能全部保存下来；而负半周时，D导通短路，负半周被削去，此时测量值为零。在正半周时，我们用采样点的方法测量瞬时值，也即将正半周均分为若干等分，每一等分对应的时刻采用A/D变换测出其瞬时值，再代入有关公式中算出有效值或其它的值。
采样点的数量越多，测量的精度也越高，但计算也越复杂，因为这些计算都得通过软件来实现。在实际的测量中，因正半周的起点（0相位点）甄别比较麻烦，通常的办法是测量一个完整的周期，因负值均为0，在计算中不起作用，故其结果和只测量正半周时相同，但却可以从任一时刻开始测量，给测量提供方便。实际上，当波形为正弦波或接近正弦波时，采样点在24点就可以了，本例中采样点为32点。公式：
为计算交流电压有效值的公式，将一周期内各采样点值代入该式便可算出该交流电压的有效值。
内含A/D转换器的单片机种类很多，最常见的有8位A/D和10位A/D，均内带采样保持电路。8位的有51系列中的P87LPC767等，10位的有51系列中的C8051F019、C8051F018，96系列中的80C196KB、80C196KC等，PIC系列中的P16F87X等等。考虑到测量的精度，我们最好选用10位A/D的单片机。10位A/D转换器相对于二进制而言有1024个单位（LSB），当模拟输入的电平为+5V时，其分辨率为每 LSB = 4.88mV，相对误差K为0.1%左右。
在图1中我们选用的单片机为当前较为流行的PIC单片机P16F877，它有8路10位A/D的模拟输入端，且内带采样保持电路，可顺序对8路模拟量进行A/D转换。图中，我们仅用了第一路。A/D转换过程都是通过软件编程来实现的，不同类型的单片机除了编程语言不同外，其工作过程都雷同。图2给出了A/D转换过程的软件流程图。由图可知，A/D转换过程由主程序和中断子程序两部分构成。首先我们将被测交流量的一个周期均分为n等分，本例n取32。对于50Hz的交流信号，每等分的时间间隔约为625μs。
在主程序中先要给定时器T0置初值，开T0中断，使定时器T0在经过625μs后溢出产生T0中断，并进入中断子程序，由中断子程序来完成采样点的A/D转换过程。在中断子程序A/D变换之前还必须延时数μs作为采样保持，A/D转换完成后再将结果（10位数字量，分两个单元存放）存入规定的RAM缓冲区内，再返回主程序。由于n取32，故需中断32次后方能测量完一个周期的交流量。这32次的中断过程都是在主程序Ta～Tb循环等待的时间段内进行的。然后取出32个采样点值代入前面的公式中进行有效值的计算（由软件实施）。之后再进行下一次的测量。在本刊的网站上给出的源程序清单，提供了A/D转换的全过程，32个采样点的结果值如何处理，视要求的不同需再行编程。
2. 全波交流量测量法
当我们测量的交流量正负半周并不完全对称时，特别是电力系统中出故障时，正负波形将会严重失真。此时若用半波测量法显然不能真实地反映被测量的实际值，故必须采用全波交流量测量法。半波测量法是将被测量量削掉负半周，仅将正半周引入测量范围。全波测量法不存在削波，而是将正负半波全部纳入测量范围。要做到这一点，关键的问题是要在电路上设置一个电平移动电路，将被测量的零值锁定于转换范围的中点位置上。对于常用的单片机而言，A/D转换的电平输入范围通常是0～+5V，显然中点电平值是+2.5V。
图3给出了8路全波交流量测量的电路简图，单片机P16F877共有8路模拟量输入端AN0～AN7，因而可以对8路模拟量进行A/D变换。由R1、R2将+5V分压为+2.5V（要求电压+5V稳定），输入交流电压Vin由电压传感器W0～W7隔离而得，其零端接+2.5V，显然已将信号源的零点平移至+2.5V。Vin的电平范围为0～+5V。
A/D转换后的最大值对应于1024位（十六进制为400H），负的最大值对应于0位。零值电平对应于512位（200H），这在编程时应注意。8路A/D转换的过程比图2稍复杂一些，每次进入中断子程序都应按顺序对W0～W7的8路进行A/D转换，并将各路的结果依次存入规定的缓冲区域，才能退出子程序。应该注意的是：8路转换的时间（即子程序运行的时间）比一路要长，但必须小于两相邻采样点的时间间隔（625μs），在本例中，时间是有余的。在主程序中，应取出各路的采样值，分别进行计算与显示。采样点值可代入有关公式求出有效值，也可代入傅氏算法（请参考有关书籍）算出基波及各次谐波值。图3中W0是第一路，其它各路，情况与第一路相同。应该说明的是：图3中的P16F877的第4、第5脚有模拟基准电压（Vref-、Vref+）的功能，它是通过软件对片内的专用寄存器ADCON1进行设置而得（图中设定Vref- =Vss、Vref+ = Vdd，故4、5脚可拿出来做模拟输入端），有的人认为将Vref-（4脚）设置为单独引出接－5V， 使A/D的变换范围扩大到+5～－5V，于是不通过电平移动便可直接对交流量进行A/D变换。实际上这种方法是行不通的，因为4脚作为输入脚接有正、负电压的箝位二极管（作保护用），它的电压输入范围为：+5.7～－0.7V，不可能低到－5V。其实，单片机所有的输入脚（包括AN0～AN4）均接有箝位二极管，模拟输入电压值也不可能低于－0.7V，故而从这些脚输入负电压是无效的。图3的电路虽然简单，但有不足之处。因为Vin为某定值（+2.5V），故电压传感器T0初级的输入电压V由变压比确定而不能随意变动。另外一点是，Vin的零端和单片机的模拟地（Vss）不能相连，这样不利于抗干扰。
图4是一种采用运算放大器构成的电平移动电路，它是利用运算放大器构成的加法器，具有输入阻抗高、输出阻抗低等特点，能与输入电路及单片机很好地匹配。通过加法器可以方便地进行零值电平的设定。输入电压的范围可以通过反馈电阻Rf的大小灵活地进行调节。而且，输入电压的地端可以和单片机的模拟地（Vss）连接，增强其抗干扰性。
由图4可知，运算放大器IC构成一个强负反馈电路，其负输入端（-）Σ为虚地点，可以与地电平等同考虑，但它不消耗电流，并且各路因接虚地点，回路各自独立，计算起来很方便。它们有如下的关系式：
If = I1 + I2
Vo = - If Rf = -（Vin/R1 + V2/R2）Rf
即 Vo =-〔Vin/R1 + （－15V/R2）〕Rf
Rf与R1之比确定该电路的放大倍数，由图中的数据可知，放大倍数为1/2。该结论也可以由上述计算式中得出，当括号中第2项为0时，便可得出上述结果。当改变Rf与R1之比，即可改变Vin的数据，从而可以灵活地改变模拟电压的输入范围。电阻R2的作用是产生电平的平移。在上式中，当括号中的第一项为0时，即可求出R2的具体值。若我们想将零电平移到+2.5V，可求出R2 = 300kΩ。故图4的最后的结果是：当Vin的变化是由+5.0V、0V到－5.0V时，则Vo的相应变化是0V、+2.5V到+5.0V（因从负输入端输入，故输出相位相反）。这样就完全满足了我们的要求，对该电路的实测也证明了上述结论。
当我们要进行多路A/D转换（如8路转换）时，IC可以采用两片四运放芯片。为了满足测量的精度，一是IC采用开环增益尽可能大、精度尽可能高的运算放大器，二是采用稳压的+/－15V供电，电源电压范围宽、线性度好。■