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一． 方案设计与论证
1．总体方案设计与比较
方案一：系统对电压、电流信号分别测量，测量功率时则将电压、电流信号取出，送到功率测量模块进行测量，原理框图如图一所示。整个系统是采用模拟控制方式，硬件电路实现复杂，功率因数测量难以实现，系统不能实现复杂的控制和运算。
图一 原理框图
方案二：采用89C52单片机来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示测量值。对于电压、电流信号采样值的大小不同分别进行放大预处理。在测量工频交流电压、电流信号时，利用锁相环对信号倍频，所得脉冲控制89C52对电压、电流信号的相位测量。另外测量功率时，采用双路保持器对信号采集，因此，采用单片机系统使整体结构简单。
比较以上两种方案，方案一是模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制和计算，控制方案的改善也比较麻烦。方案二是采用以89C52为核心的单片机系统，可以实现显示、打印、与微机通信等功能，大大提高了系统的智能化程度，并且系统所测结果的精度很高。经过对两种方案的比较，本设计及制作采用方案二。
图二 系统总体框图
二． 模块设计与比较
系统硬件以89C52单片机为核心，包括三个模块电路：数据信号采集模块，单片机系统数据处理模块，工频表显示模块。
1． 数据采集模块
（1）电流、电压信号的放大电路
方案一：采用集成运放芯片OP07对电压、电流信号进行放大处理。根据理论公式进行计算可得电路的放大倍数为
K=Vout/Vin＝1＋R1/R2
选择不同的阻值就可以得到不同的放大倍数，但是这种放大处理不能同时满足对大小信号的放大要求。
方案二：考虑到要满足对大小信号的处理，采用可编程运算放大器件PGA103，对电压、电流信号进行放大，通过单片机对可编程器件PGA103的管脚1和管脚2进行控制，使放大倍数可以为×1（A0=A1=0）、×10(A0=1,A1=0)两种不同值。这样能满足对大小不同的信号的放大要求，硬件电路简单，容易实现。但PGA103价格较贵，性价比不高。
方案三：综合上述两个方案，采用模拟开关配合运放来实现对信号的程控放大。使用时，由于模拟开关导通时存在电阻，故采用较大的反馈电阻来减小误差，结果证明这种方法是可行的。本设计采用了这种方案。
（2）数据保持部分
方案一：对电压、电流信号进行分开测量，先在一个周期测电压值，再在下一个周期测电流值。方案电路简单，全部通过软件实现。由于所测电压电流信号不是同时采样，所以功率值会有误差。
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