为测功放功率，检测稳定性，打造一台电功率测试计
设计缘由：当初设计那台A类怪兽级功放时，就很渴望有一台电功率测试器。特别是装完机器试听时，若能随时检测了解温度上升时，功率的变化是否仍在安全范围，会令人安心许多。要测量电功率，主要挑战在取得电流值，只要取得电流值，其他问题就可以轻易解决。但是在完机测试阶段，串入电流表，或用电流勾表测量都不是很方便。
其实，市面上已有许多现成的数字电流表头可用，要喝牛奶，是在不太需要自家养只奶牛，但若要理解奶牛如何吃草产奶，养只奶牛就有必要了。因为电流表头成品通常未提供其他的弹性应用，加上自己对电流的检测充满好奇。也很久没有基础数字电路，蛮怀念享受随心所欲驾驭元件实现目的的乐趣，因此兴起自己打造一台玩玩的年头。再者，念头兴起正直天气炎热，节能省电一直是最热门的议题，若能实际了解家中电器的耗电量，谈论节能省电很有感的。因此，除了实际需求外，加上好奇心的驱使探索，遂决定付诸行动实际设计一台。另一方面，也籍此过程暂时逃避纷争的世界，遁入创作，忘我境地。
硬件设计概述
霍尔电流感测原件CSLA1CD
Honey well CSL Series Open Loop Current Sensor,0-57a,Sensed current type ac or dc,输出模式是将感测到的电流转换成电压输出。未找出原厂所提供的详细电流/电压转换比率曲线，这意味着一切必须自己来，这是挑战点，也是有趣的地方。使用者必须根据自己的需求寻找适合自己的转换比率曲线。
我需要测量AC 0-15A，这个感测器规格有些大，直接使用解析度会打折扣，解决之道是先放大，再选取0-57范围前段的输出转换。
第一步：知己知彼
直接加上电流实验，是了解手上霍尔电流感测原件(CSLA1Cd)基本特性的好方法。我的做法是，用自耦变压器调整电压施加在电阻上，流经电阻的电流就会随着电压的改变而变化，实验时把其中一条电阻引线穿过电流感测原件预留的线孔，然后用直接使用使示波器观测电流感测原件的输出波形。
从示波器上初步观测到的波形含有许多的杂讯，波形也不是很漂亮的正弦波，直接拿来用会有很大的误差。这个步骤得到的结论是，需要滤波电路把杂讯滤掉，并做适度的放大，让0-20A输出峰值电压小于5V，以确保ARDUINO于A/D转换时不会产生溢位失真。
第二部：去芜存菁
电流感测原件的工作电压是8V，输出端在理想状况下无电流时中点电压是4V，但是由于周遭游离电磁场的干扰，无电流时的输出会有些许的正或负偏移。要选取有意义的60HZ的正弦信号，首先要隔离直流信号。下图是C16/R19组成高通滤波器，用于阻隔直流成分，让感测到的交流信号通过。U1A将拾取的感应信号做100K/5.6K倍缓冲放大，以利后续处理。U1B运算放大器与R17.R18，C15，C17组成二阶低通滤波器，把60HZ以上不要的高频杂讯滤除，留下纯净的60HZ正弦信号。
转折频率：
（P3 选取感测到的60HZ正弦信号电路图）
P5-U1B输出：滤波后的纯净60HZ正弦波
第三步：取正半周
电流感测器把电流转换成对应的正弦电压后，接着就是要把正弦信号取出正半周，让ARDUINO作A/D转换，将半周正弦信号转换成RMS(ROOT MEAN SQUARE)值。下图是精密半波整流电路，交流信号由左方输入，完整的正半周将由右方输出，输出端的4.7V ZENERDIODE是防止输出端输出大于5V时，保护ARDUINO输入端不致受损。
P7全波输入只剩正半周输出
第四步：计时中断
本制作采用Arduino NANO开发板处理一切转换显示事宜。一直交流电压为110V，加上所得测量电流值就可以推算消耗功率，若只是这样似乎太糟蹋Arduino NANO的强大功能了。而且LM324有4组OPA，已经用3组，剩下一组也可以利用一下。心里盘算着，若是加上计时电路，累计功率消耗时间，就可以功率转换成电量，让物尽其用，不增加硬件成本就能提升功能。
要达到计时的功能，可以取自60HZ的交流信号，以每一周期计数一次的方式，累计计数到60次就得到一秒的计时值，再以秒往上累计分、时、日，达到计时累积的功能。
前面的电路已经取出漂亮的60HZ正弦波信号，只要用简单的零交越侦测电路，当正半周输入电压跨过零点时，令接成开集的极电晶体Q2导通，集极会汲取Arduino外部终端触发脚位(D2)的电流，将该脚位驱至LOW电位。反之，由正半周跨过零点进入负半周时，电晶体Q2截止，arduino外部终端触发脚位会恢复到HIGH电位。这部分外部触发硬件完成后，后续只需要开发软件就可达到计时目的，下图是Arduino外部中断触发电路图。
（P9正弦不转换成60HZ外部中断触发信号）
（P10完整电路图）
P11 电路完成实体图
软体设计概述
第一步：变数宣告
一般而言，为节省记忆体应尽可能使用区域变数，而少用全域变数，因区域变数只存在于STACK内，程序结束会消失，但全域变数会一直占用记忆体。然后本程式因程序结构加单，加上有计时中断程式。若程式可正常执行，个人觉得使用全域变数程式可读性较高，程式执行时可减少区域变数配置的程序，让之行时间更稳定，规划或除错也比较容易。基于此原则就将整个程式的变数设成全域变数，但仍尽可能谨慎使用，例如能用INT就不要用FLOT.
本程式最吃记忆体的地方是，宣告两个阵列用以储存A/D转换后的资料，太小，会遗失资料折损转换值精确，太大，系统记忆体不足程式无法执行。
第二步：正弦信号转换成RMS值
要将已感测到并且整理好的正弦信号，透过A/D转换成RMS(ROOT –MEAN-SQUARED)值，可以透过对正弦信号逐点取样来取得各点的电压值，再经一下数学式转换成RMS值。
P13正弦信号逐点取样示意图
（a） 寻找A/D转换进入点程式
交流信号瞬时值随着时间一直在变化，要在正弦信号正半周期内取样，必须用体与软体彼此配合。硬体电路已经将交流信号正半周取出，软体要如何在适当时机取样？参照下图，T1-T3是一个已经滤除负半周的完整正弦波周期，软体可能你在此周期内的任一点进入取样。最理想的起始取样点是在T3，但是要每次精确直接由T3切入有困难，只能运用些技巧来达此目的。
参照图P14，假设程式是T1-T2期间切入取样，则无法确保取样能涵盖整个正半周，要避免在此区间取样，程式规划在T1-T2期间侦测并等待。一下这段程式可以确保T1-T2期间切入时，只等待不取样。
程式一旦离开上面整个回圈跨入T2-T3区间，就可以开始取样;考虑另一种情况，若程式一开始切入就得到SAMPLE ADC=0，表示切入点已经落在T2-T3区间，因此，不会进入等待回圈，而直接开始取样。
以上两种情况取样都会先得到一些连续冗余的"0"值，然后才进入取样有效区间，得到所需的V1-VN个电压值。这些冗余的"0"值后续利用程式控制舍弃即可，不会造成困扰，只是较占记忆体。
（b） A/D取样转换与储存程式
要确保每个转换周期转换值稳定精确，取样过程程式必须简洁，心无旁骛，全速A/D转换，才能使所得值稳定精确。
P14 正弦信号取样周期示意图
取样转换程式只做A/D转换与将资料储存于阵列中。为确保阵列不致满溢影响精确性，经过几番测试，取样有效区的取样资料几乎一致为75笔。考虑最坏的情况，从T2就开始取样，取样资料会有150笔。为使阵列有宽裕，因此宣告一个unsigned int ac_temp[300]的阵列，以确保能完整把取样有效区的所有取样资料存入。
（C）去芜存菁，取出正弦信号
这个步骤主要是把冗余的"0"舍弃，并按照上述RMS转换数学式，计算感测所得正弦信号的RMS值。
第四步：电压/电流转换程式
转换程式是用类似查表的方式完成。作法是用一只自耦变压器当做电压源，并接上三个100W/10.5欧姆，误差1%的电阻当做负载，然后改变电压值，读取Arduino NANO转换所得的VRMS值，同时量测输入电源电压、数位勾表读取实际电流值，详实记录这些实测资料转换。这样可以由输入电压/负载电阻，计算得到电流值，另外可由数位勾表直接得到电流值，二中资料可交互比对参考。
测试时由于电阻的瓦数不够大，自耦变压器的最大输出电流是10A，思考这两者都稍有韧性，只要速度够快应不会烧毁。还好完成前有些许焦味但没有烧毁。转换的精确度就由以上各原件的精确度决定，解析度大约是0.1A，读值和其他矫正过的数位勾表相较也相差在0.1A以内，这个精度家庭使用已具有参考意义。
P15 用面包板测试取得各转换点数值
P16 测试时电压表、电流表与负载电阻实体图
P17测试所得资料
P18电流/电压转换线性度
P19 电流/电压转换比值（0-15A）图
数列1（蓝色）是经由电压/电阻计算值（还算平坦）
数列2（红色）是数位勾表读值（小电流受环境杂讯影响较不平坦）
查表转换的方式，只要电压表、电阻越精确，测试点越多，所得电流值就越精确。其实要找到精密的电阻十分不容易，因为电阻加载会发热，发热后电阻值会变化。掂量手边资源与需求决定在1A以内，每0.1A取一个测试点，计算电压与电流的比值，大于1A就每增加1A取一个测试点，直到15A。
程式中V_A_Slop这个全域变数记录每个转换点的电压/电流比值。
第五步：中断服务常式
中断服务常式必须配合硬体协同一致才会正确运作，在前述硬体已经将正弦信号转换成TTL位的矩形波。软体中将VOID SETUP 0中断设定在每个周期的正缘触发，并在VOID LOOP0主程式置入中断服务程式。程式执行时，每当外部中断触发接脚PIN2侦测到正缘上升信号，就会暂时中断正在执行的程式，跳到中断服务常式执行。中断程式执行完又再回到原来的程式执行。
中断服务常式内容非常简单，就是每个1/60秒产生中断时，程式先侦测是否有电流流动，若有就开始计时，并计算功率。若无电流就什么事情也不做直接返回。计时动作也十分简单，每中断60次就是一秒，然后一次计时累进分，时，日。这些储存时间的变数都是全域变数，中断常式执行完返回后，现实程式会从这些时间变数读取资料并显示。
计算电功率，是用积分的概念，配合计时程式每个1/60秒执行功率读取，累加一次。程式依下列数学式实现。
P21计算电功率示意图
计时与电功率程式
第六步：不闪烁显示程式
Arduino驱动LCD显示资料简单方便，但是要让LCD字幕看起来不闪烁，就需要利用一些显示技巧。
首先，对一直快速变动的资料，规范每次显示刷新间隔时间，并取得资料刷新的技术性与字幕稳定不傻说的平衡点。本程式设定每次LCD显示幕刷新间隔时间为一秒。
其次，显示字幕格式与位置为尽量保持固定，使没有改变的资料保持在固定位置。例如：时间单位通常以二位数显示，若计时值只有一位数时就要补成两位数，如计时值为"1"要补成"01"，这样保持二位数就可以减少字幕跳动。
P22要让LCD字幕不闪烁需要一些技巧
第七步：校正与测试
为了得到较精确的测试值，完成后，再度验证。做法是借一支经校正过的数位电流勾表，并配合负载电阻交互参考调整。因只要调整软体不需要调整硬体，所以过程并不复杂也不困难。因受限于电压源与负载的精确与稳定，精确度实在难以确保，但经过交互参考比较，已具有一般用途所需的精确度与参考价值。
P23整体完成后再度校正
大同电锅测试
电锅规格700W。电锅加入一杯水，实测电流6.52A_6.35A间变化，换算成功率为712W-698.5W。变化的原因就是因为电锅的电热器电阻值，会随着温度改变而改变。加热至电源跳脱时间为12分32秒，累计好点量为0.15度。若直接以规格值计算：700*12.5/60/1000=0.145度，算是相当接近。
国际牌变频电冰箱测试
变频冰箱的特性是压缩机几乎不停，一开机测试，电流值就一直从0.36——1.72A改变，换算成功率约为40W_190W。连续测试48小时，累积运转时间为41小时14分43秒，累计耗电量为2.6度。若以此值推算，每月耗电量为2.6*15=39度，每年耗电量为39*12=468度。此值与冰箱贴纸上每年耗电量360度有108度的差异，推测应该是二者测试条件不同，我是在冰箱实际使用状况下测试，厂商应该是在较理想的状态下测试。
应用与展望
历时数月终于大功告成，一如预期可以测试小于15A的各式家电耗电量，了解自己使用的家电到底有多好点。另一方面这些简单的功率量测的技术可运用控制系统的功率检测，功率调整，设备保护，计算烘焙食物电功率等。
P29 过载警示设定为150W，进行测试
如何检测功放的额定输出功率、频率响应、信噪比、总谐波失真？
在功率放大器制作完成后，一般需要对功率放大器的性能指标进行检测，以确定所制作的功率放大器的技术指标是否达到预定的数值。但检测功率放大器需要一些设备，如：音频电压表、失真度检测仪等。这里简要介绍一下检测方法，有条件的制作者可以对制作的功率放大器进行检测。
1、额定输出功率的检测
额定输出功率是指在放大器的谐波失真度为额定值（1％）时，于规定负载上所能得到的输出电压或功率有效值。具体的检测电路如下图所示。
在检测时，RL为8Ω的假负载电阻（应能承受规定的功率）。测量时，调整信号源（正弦波信号发生器或CD测试片的正弦波信号）的频率和输出幅度，给放大器输入 1000Hz的正弦波。当失真仪指示达到0.1％时，读取音频电压表的电压指示值（有效值）U。，并可通过下式计算该放大器的额定输出功率。
Porms＝U0 2/ RL
若需要测量“最大不失真功率”可进一步增大信号发生器的输出幅度。当失真仪指示值达到10％时，根据这时音频电压表指示的 U0 求得的功率即为最大不失真功率。
2、频率响应的检测
频率响应指放大器在额定输出电压或功率状态下的通频带宽度，它常用频响曲线来表示，测试电路与上图完全相同。测量时保持上面测得的额定输出电压不变，然后改变信号发生器的频率，使之从 1Hz开始按倍频关系逐点升高到 100kHz上（无信号发生器时可用CD测试片的20Hz～20kHz信号）。把各个频率点的输出电压U。记录下来，再以 1000Hz时的U。值为基准，在对数计算纸上作出频响曲线。在曲线低端和高端输出电压（电平）下降3dB的两个频率点之间的频带即为放大器的通频带。这时“通带不平度”也可以从曲线上较直观的表现出来。
如果要定量计算通带不平度，可从记录下来的通频带内各频率点的电压值中找出变化量最大的频率点电压值（均指有效植）ΔU。，再用下式计算。
通带不平度=22lg[U。/( U0 -ΔU。）]（dB）
3、信噪比的检测
信噪比（S／N）是放大器额定输出电压（或额定输出功率时的输出电压）与输出噪声电压的比值（用对数表示）。检测时先测得额定输出电压U。，然后撤去信号源，在放大器输人端并接一只6000电阻（电阻装在接地的屏蔽盒里，代替信号源内阻）。此时，音频电压表指示的值即为输出噪声电压UN。用下式计算，便可求出信噪比。
S／N＝20lg（U。／UN）（dB）
4、总谐波失真的检测
总谐波失真（THD）是输出信号波形中出现的二次、三次……等各次谐波信号电压均方根值与输出信号总电压值的百分比。
总谐失真的检测电路仍与上图相同。检测时在放大器输入端输入 20Hz～20kHz的正弦波信号，使输出电压达到额定输出电压值U。，再用失真仪测出20Hz～20kHz频率范围内输出波形的最大失真度Υ1（一般只测量 100Hz、1kHz、10kHz、20kHz几个频点的失真度，取其中之最大值），然后撤下信号源，测出信号源的失真度Υ2，再算出THD值。此时测出的是在额定输出电压或功率状态下的总谐波失真度。通常我们还需测量放大器在小信号工作状态时的失真度。这时，可把输入信号电压降低6dB或20dB再进行测量。
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