基于單片機(jī)的工頻相角源

0概述

具有一定相位差的兩列正弦信號(hào)(簡(jiǎn)稱(chēng)相角源)，在電力系統(tǒng)各種計(jì)量?jī)x表的自動(dòng)化校驗(yàn)與繼電保護(hù)中使用的繼電器的檢驗(yàn)電源等領(lǐng)域中有著廣泛的使用，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種工頻相角源，該相角源的設(shè)計(jì)方法也是目前國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)及其他一些行業(yè)正積極推廣的新技術(shù)，它以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)間接頻率合成器 (IS)改變信號(hào)的頻率，通過(guò)數(shù)字波形發(fā)生器產(chǎn)生兩列信號(hào)并實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)角，通過(guò)程控衰減器實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整?？傮w框圖如圖1所示，可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)如下：頻率范圍為1Hz～1kHz，最小步長(zhǎng)為1Hz，相角范圍為0°～360°，最小步長(zhǎng)為0.5°，電壓有效值范圍為0～10V，調(diào)整的最小步長(zhǎng)為0.01V。?

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1間接頻率合成器(IS)

在相角源系統(tǒng)中，時(shí)鐘信號(hào)fCLK的穩(wěn)定是很重要的，無(wú)論是相角精度，還是信號(hào)的頻率穩(wěn)定度都與fCLK有關(guān)。為了達(dá)到要求，我們選擇了32768Hz的晶體振蕩器產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)，用定時(shí)/計(jì)數(shù)器8253以及CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成間接頻率合成器。電路圖如圖2所示。8253的T1作為固定的2048分頻器，則fr=32768÷2048=16Hz，T2用作可編程分頻器，分頻系數(shù)M=N×45(N=1,2,3,…，1000)于是，得到了fCLK=Mfr=N×45×16=N×720Hz。?

2數(shù)字波形發(fā)生器

該部分電路由兩個(gè)可預(yù)置的720進(jìn)制計(jì)數(shù)器，兩片EPROM，兩片DAC08320及運(yùn)放等組成。電路如圖3所示，把一個(gè)周期的正弦信號(hào)按每0.5°劃分成720個(gè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的量化數(shù)據(jù)分別存放在兩片EPROM2716中，以?xún)蓚€(gè)可預(yù)置的720進(jìn)制計(jì)數(shù)輸出與兩片EPROM的地址線連接，用同一時(shí)鐘fCLK同時(shí)讀出兩片EPROM的數(shù)值分別送給兩路D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩列正弦波。通過(guò)對(duì)兩個(gè)地址計(jì)數(shù)器預(yù)置不同的初值，產(chǎn)生所需的相角，兩列正弦信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率為上述分頻器中的N值。第1個(gè)計(jì)數(shù)器的置數(shù)端全部接地，設(shè)第2個(gè)計(jì)數(shù)器的預(yù)置初值為Z，可得v′01與v′02之間的相角為△φ=Z×0.5°，這兩個(gè)計(jì)數(shù)器用1片GAL器件實(shí)現(xiàn)。由于十進(jìn)制數(shù)720轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)后10位，而所用單片機(jī)為8位，我們用 74LS377，74LS74等實(shí)現(xiàn)了8位到10位數(shù)據(jù)的拼裝。0832接成直通型，第一級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)了電流到電壓的轉(zhuǎn)換，輸出電壓為0～-5V，第二級(jí)運(yùn)放把單極性的0～-5V轉(zhuǎn)換成雙極性-10.242V～10.242V，有效值為10.24V。?

3程控衰減器

該部分電路如圖4所示，只畫(huà)第一路，第二路與第一路相比只是程控衰減器的片選信號(hào)不同。在實(shí)際應(yīng)用中往往需要輸出信號(hào)電壓的有效值可調(diào)，為此，我們用AD7520設(shè)計(jì)了程控衰減器，使輸出信號(hào)的電壓有效值從0～10V，以0.01V為步長(zhǎng)可預(yù)置步進(jìn)調(diào)整。由于=0.01V，可達(dá)到步長(zhǎng)為0.01V的精度要求。8位單片機(jī)與10位AD7520之間需要接口轉(zhuǎn)換，可參考圖3中8位到10位數(shù)據(jù)拼裝的轉(zhuǎn)換電路。

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圖中低通濾波器的作用是濾除波形中的小臺(tái)階，功率放大器的作用是提高該信號(hào)源的帶負(fù)載能力，關(guān)于功放電器已有很多電路可供選用，此處不再贅述。?

4單片機(jī)最小系統(tǒng)及軟件流程

單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成如下：89C51單片機(jī)，鍵盤(pán)顯示專(zhuān)用芯片8279，譯碼器74LS154。軟件流程如圖5所示，由于篇幅所限，此處不再詳細(xì)介紹。需要說(shuō)明的是，上述設(shè)計(jì)我們只討論了兩路信號(hào)，采用與第二路同樣的電路可以擴(kuò)展第三路以滿足三相交流電路中儀表之用。??

參考文獻(xiàn)
1宋定華.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2001.4
2江大川.多功能電度表的功能自動(dòng)考檢系統(tǒng).電測(cè)與儀表，2001.1