電子鎮(zhèn)流器測(cè)試儀的信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

電子節(jié)能燈是走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)的產(chǎn)品，提高它的品質(zhì)對(duì)于提倡節(jié)能的現(xiàn)代化建設(shè)有重要意義，對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)則是增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的必由途徑，電子節(jié)能燈實(shí)現(xiàn)節(jié)能的主要原理是以電子鎮(zhèn)流器代替?zhèn)鞑ル姼墟?zhèn)流器，提高電子節(jié)能燈品質(zhì)最重要的是要保證電子鎮(zhèn)流器的品質(zhì)，我校受企業(yè)的委托研制了本綜合測(cè)試儀，用于生產(chǎn)過(guò)程中的分析，測(cè)試電子鎮(zhèn)流器的性能。

1 、電子鎮(zhèn)流器主要測(cè)試項(xiàng)目

電子鎮(zhèn)流器原理可以簡(jiǎn)化為圖1所示的電路，影響電子鎮(zhèn)流器性能的主要指標(biāo)有：?jiǎn)?dòng)階段的預(yù)熱燈管電壓，預(yù)熱燈絲電流和預(yù)熱時(shí)間，穩(wěn)定后的燈管電壓、燈管電流、燈絲電流、振蕩頻率、輸入電流、輸入功率和功率因素，為此須放置傳感器采集輸出端的燈管電壓，燈絲電流，陰極電路和振蕩頻率，采集輸入端的功率、電流和功率因素等數(shù)據(jù)，然后分析、計(jì)算采集的數(shù)據(jù)得到電子鎮(zhèn)流器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

2、 測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)思路

圖2是測(cè)試儀的總體框圖，本測(cè)試儀由計(jì)算機(jī)和嵌入式測(cè)試儀兩部分組成，嵌入式測(cè)試儀采集并分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)RS232串口上傳到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上顯示并保存測(cè)試結(jié)果。

嵌入式測(cè)試儀以MSP430F133為核心，MSP430F133是TI公司生產(chǎn)的低功耗16位混合信號(hào)單片機(jī)，最高處理能力為8MIPS，具有8KB Flash型存儲(chǔ)器和256字節(jié)RAM，2個(gè)16位計(jì)數(shù)器和1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，1個(gè)串行通信接口，還有一個(gè)最高轉(zhuǎn)換速度200ksps的12位ADC模塊，MSP430F133單片機(jī)非常適合于本測(cè)試儀中的設(shè)計(jì)要求，具有非常高的性?xún)r(jià)比，例如他內(nèi)部豐富的外設(shè)資源，可以大大簡(jiǎn)化本測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)。

電子鎮(zhèn)流器的振蕩頻率一般在40KHz左右，啟動(dòng)時(shí)燈管電壓（峰-峰值）通常超過(guò)1000V，而在穩(wěn)定后燈管電壓（有效值）不到100V，具有頻率高、電壓高及變化幅度大等特點(diǎn)，因此，信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)是本測(cè)試儀設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3、 主要功能模塊的設(shè)計(jì)

3.1 燈管電壓和工作頻率信號(hào)采集硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀燈管電壓（有效值）測(cè)試量程為0-500V。為了與信號(hào)變換及ADC電路相適應(yīng)，必須將該燈管電壓信號(hào)衰減到0-2.5V，即200：1的分壓衰減。

通過(guò)對(duì)多種電阻器件分布電感和電容特性的深入研究及實(shí)例，發(fā)現(xiàn)3386型單圈玻璃釉電位器具有極小的分布電感和電容，用它制作4MΩ：20KΩ（分壓比為200：1）的分壓取樣電路，分壓得到的信號(hào)非線(xiàn)性和畸變均小于1%，完全滿(mǎn)足測(cè)試儀精度的要求。

電子鎮(zhèn)流器輸出燈管電壓信號(hào)的頻率和幅度都極不穩(wěn)定，隨著燈管和器件發(fā)熱會(huì)發(fā)生顯著變化，通常頻率和電壓信號(hào)包絡(luò)被電網(wǎng)的工頻信號(hào)調(diào)制，采用常規(guī)的峰值檢波電路或平均值檢波電路等方法來(lái)測(cè)試燈管電壓有效值，都會(huì)有較大的誤差，因而采用真有效值測(cè)量專(zhuān)用集成電路AD637，將雜亂的燈管電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的有效值直流電壓，然后送MSP430F133內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換器。

測(cè)試儀中的頻率測(cè)量電路是將衰減取樣到的燈管電壓信號(hào)送由LM393構(gòu)成的具有遲滯特性得比較器，將交流信號(hào)整形為脈沖信號(hào)，然后送MSP430F133的計(jì)數(shù)器輸入腳，由MSP430F133內(nèi)部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

3.2 燈絲電流和燈管電流采集硬件設(shè)計(jì)

電流傳感器選擇受諸多因素限制，燈絲電流在預(yù)熱階段達(dá)幾百mA，而在正常時(shí)只有幾十mA；燈絲電阻有多種規(guī)格，從幾Ω到幾十Ω；波形是雜亂的，頻率在40KHz左右，頻率和幅值均受電網(wǎng)工頻信號(hào)的調(diào)制，因此，電流采樣電路使用常規(guī)的采樣電阻取樣或者線(xiàn)圈感應(yīng)取樣設(shè)計(jì)，存在帶寬窄、非線(xiàn)性和畸變嚴(yán)重，影響電子鎮(zhèn)流器的工作狀態(tài)等問(wèn)題，都不能滿(mǎn)足測(cè)試儀的要求。

為此，選擇閉環(huán)式霍爾電流傳感器作為測(cè)試儀的電流傳感器，閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁芯中磁通量近乎為0，因此，插入損耗很小，幾乎不會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生影響，并且可以測(cè)量從直流到100kHz各種波形的電流，另外與被測(cè)定對(duì)象之間是物理隔離的。

閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理如圖4所示，如果霍爾元件有磁場(chǎng)通過(guò)，則有電壓輸出，該電壓放大并轉(zhuǎn)換為電流輸出給補(bǔ)償線(xiàn)圈，由補(bǔ)償線(xiàn)圈產(chǎn)生與被測(cè)電流方向相反的磁場(chǎng)，經(jīng)動(dòng)態(tài)反饋使磁芯中的磁通為0，此時(shí)

I1×N1=I2×N2即I1=I2（N2/I1）=（Uo/Rs）（N2/I1）

式中，I1為被測(cè)電流，N1為其對(duì)應(yīng)初級(jí)繞組的匝數(shù)；I2為補(bǔ)償線(xiàn)圈中的電流，N2是補(bǔ)償線(xiàn)圈中的匝數(shù)；Uo是I2流經(jīng)取樣電阻Rs產(chǎn)生的壓降，由上式可知，當(dāng)磁場(chǎng)平衡時(shí)，只要測(cè)量Uo即可計(jì)算得到被測(cè)電流。

經(jīng)測(cè)試，閉環(huán)式霍爾電流傳感器完全滿(mǎn)足測(cè)試儀電流取樣的各項(xiàng)要求，確保了測(cè)試儀電流測(cè)量的高精度，有效值變換電路如圖5所示，與電壓通道相同。

3.3 電流、功率和功率因素采集模塊設(shè)計(jì)

直接利用遠(yuǎn)方公司生產(chǎn)的PF9805型智能電量測(cè)試儀測(cè)量輸入電流、輸入功率以及功率因素，PF9805型電電量測(cè)試儀帶有RS232接口。本測(cè)試儀所需要做的是利用它提供的接口，適時(shí)讀取輸入電流等數(shù)據(jù)。

由于MSP430F133只有一個(gè)串行通信接口，但是需要與PF9805型電量測(cè)試儀、PC兩個(gè)對(duì)象通信，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析工作時(shí)序，設(shè)計(jì)了圖6所示的串行通信切換電路，以很低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)了串口的擴(kuò)展。

4、 軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)，需要根據(jù)電子鎮(zhèn)流器的工作時(shí)序，依序采集對(duì)應(yīng)的電壓、電流和頻率等數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，得到各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，最后將測(cè)試結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī)。 圖7是MSP430F133中程序的流程，在該程序當(dāng)中，從通信角度而言，單片機(jī)是主機(jī)，與PC和PF9805型電量測(cè)試之間的通信只能由它發(fā)起，以避免串口沖突。

在燈管點(diǎn)亮前，燈管電壓不斷提高，在點(diǎn)亮后，燈管電壓則快速下降，根據(jù)這一特性，程序中連續(xù)檢測(cè)燈管電壓，當(dāng)出現(xiàn)拐點(diǎn)并下降到最大電壓的20%（可設(shè)）時(shí)，判定預(yù)熱結(jié)束燈管已經(jīng)點(diǎn)亮。

預(yù)熱燈管電壓：鎮(zhèn)流器加電后，一直檢測(cè)燈管電壓并記錄最大值，直到預(yù)熱階段結(jié)束，該最大值就是預(yù)熱燈管電壓。

預(yù)熱燈絲電流：鎮(zhèn)流器加電后，一直檢測(cè)燈絲電流并記錄最大值，直到預(yù)熱階段結(jié)束，該最大值就是預(yù)熱燈絲電流。

預(yù)熱時(shí)間：從鎮(zhèn)流器加電開(kāi)始啟動(dòng)計(jì)時(shí)，到預(yù)熱階段結(jié)束停止，所計(jì)的時(shí)間就是預(yù)熱時(shí)間。

預(yù)熱結(jié)束后，延遲10s（可設(shè)），認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)行各項(xiàng)穩(wěn)定指標(biāo)的測(cè)試，需要注意的是，無(wú)論電壓、電流還是頻率，均是工頻50Hz的函數(shù)，因此，各項(xiàng)測(cè)試均以20ms的整數(shù)倍為周期，進(jìn)行平均處理，以盡量減少由于工頻信號(hào)調(diào)制所帶來(lái)的誤差。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)軟件用Delphi7編寫(xiě)，主要完成三項(xiàng)功能：與測(cè)試儀通信、參數(shù)設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示和保存。

與測(cè)試儀通信，共定義了3條指令：向測(cè)試儀加載參數(shù)請(qǐng)求、加載參數(shù)及返回測(cè)試結(jié)果，雙方約定波特率為19200bps，計(jì)算機(jī)為從機(jī)，平時(shí)處于接收狀態(tài)，只有收到加載參數(shù)請(qǐng)求時(shí)才向測(cè)試儀發(fā)送各項(xiàng)設(shè)置參數(shù)，通信部分軟化流程如圖8所示。

5、 小結(jié)

本測(cè)試儀巧妙地利用了玻璃釉電位器構(gòu)成分壓取樣電路；使用新型閉環(huán)霍爾電流傳感器采樣電路，以及AD637高性能真有效值轉(zhuǎn)換芯片變換諧波豐富的電壓和電流信號(hào)，選擇MSP430F133新型16位低功耗混合信號(hào)單片機(jī)為主處理器，并最大限度地利用其片上ADC、UART、Flash、Timer等資源，從實(shí)際設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品看，具有精度高、成本低、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中電子鎮(zhèn)流器性能分析監(jiān)控的要求，如果在軟件中引入校準(zhǔn)、補(bǔ)償?shù)忍幚恚摐y(cè)試儀還可以用于電子鎮(zhèn)流器研發(fā)等場(chǎng)合的分析測(cè)試。

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