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。
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
如何测试电路中音频PA的功率
首先我们需要了解音频PA的型号，喇叭的规格。接下来我们以艾为AW8736音频PA为例.
AW8736-K类功放
常规8欧喇叭有三种输出功率0.8W,1W,最大输出为1.2W
4欧喇叭有三种输出功率1.6W,2W,最大输出为2.25W
8欧喇叭，额定功率1W
这个喇叭额定功率是指长时间能承受的最适合的功率，在这个功率下喇叭不会出现破音失真现象
音频信号输出基本步骤
根据以上流程，可以播放1kHZ音元，用示波器测量得到以下波形
示波器输出波形和相应电压
P=U²/R 我们这里的电压取均方根值 P= 2.61²V/8Ω=0.85W
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