二．硬件电路设计

硬件电路的设计主要包括AFE电路设计、计量电路设计、控制电路设计、通信与控制电路设计、显示电路设计等。

2.1 AFE模拟前端

AFE的功能是将220V交流电压与较大的电流转换为可以测量的低压信号。电压取样一般用PT（电压互感器）、电阻分压等。电流取样一般采用CT(电流互感器)、锰铜片。

2.1.1 电阻分压

图2 电阻分压取样

如图所示：Ra 为分压电阻，RF 为采样电阻。在这种采样模式下，电阻分压网络的拓扑结构可以保证正电压和负电压输入之间的相匹配。抗混叠滤波器

可以防止混迭效应，也保证了正负电压输入之间的匹配。

2.1.2 PT

图3 电压互感器用法1

使用时需在初级串接限流电阻，输入输出都为mA级电流，输入电压不能直接施加于初级绕组，需串入限流电阻将电压信号转换为mA级电流，次级输出的mA级电流信号经并联一个电阻或外接I/V转换电路将电流信号再转换成电压信号。

图4 电压互感器用法2

次级电路不允许开路使用,初级不允许短路使用。

2.1.3 锰铜分流器

       如图所示：

图5 锰铜片电流取样

作为电流测量方式，锰铜分流电阻网络具有价格低、线性度高、相移最小的优点。在这一电路网络中，电流信号经锰铜片采样，经RC滤波，最后有IP IN输入数字处理单元。比较难度的是选用锰铜片的阻值，随着阻值增大，采样信号也会变大，电路的功耗会变大，从而影响电流计量的量程。电阻太小，采样的信号也会变小，也影响精度和量程。

 取样电阻的功耗较大： P=I*I*R=63*63*R=3969*R；

表1 电流取样

2.1.4 CT电流互感器

电流互感器为一变压比一定的线圈，初级绕组串接在电线上。其原理如下：

图6 电流互感器原理

有两种接法，即电阻法或IC法，

如下图为电阻法电流输入信号从电流互感器输出后，流经采样电阻（R0）变成采样电压信号，后由RC 滤波电路（由RF 和CF 组成）滤波，最后经由IP 和IN 差分输。

Vo=I *R0;

图7 电流互感器接法1

如下图为IC法：

图8 电流互感器接法2

Vo =I2 *R2;  C1用于相位补偿，采用这种方法，线性度更好，测量精度更高。

次级电路不允许开路使用。在选型上，应注意电流的最大值。

2.1.5 电压互感器电流互感器的选型

由以上可以知道各种采样器的优缺点，根据本次设计的要求，拟采用电流互感器+电压互感器的方案。采用这种方法，可靠性高，系统消耗功率较小。

电流互感器的主要参数有IB,IMAX，精度，二次额定电流，初级与次级的匝数比等。对于本系统，选用IMAX=80A,IB=10A即可。精度方面对于本设计来说选用大于0.5S的电流互感器既可以满足要求。如CT222101（20A/10mA ）其规格参数如下：

表2 CT222101参数

比较便宜的是电流型的电压互感器，精度也比较高，因此本设计拟采用电流型的电压互感器。如PT262301（2mA/2mA ）的规格参数如下：

表3 PT262301参数