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作品名称 

 三相工频信号源

申报单位名称 

                河南工程学院

（此处加盖单位公章）

参赛者姓名 

指导教师姓名

联系方式

联系人

朱振豪

电话

15343817015

手机

15343817015

邮箱

903737967@qq.com

作品简介

                            图1. 作品全景图

                                                        图2. 单相电压、 

                                                            电流波形图

                                                   （50HZ、60°）

开发背景：

随着电子技术的发展及国家“一户一表”政策的推行的快速发展，电能表越来越多的被应用在计量行业。仪表工业快速发展，每天要有数以万计的各类电表出厂，为了保证电表的测量精确度，需要在模拟电网的电源上进行校验。

模拟电网电源主要由信号源与功率放大器组成，而信号源的质量直接决定了模拟电网电源的品质。同时，移相技术是电子行业继电保护领域中模拟、分析事故的一个重要手段，利用移相原理可以制作、校验各种有关相位的仪器仪表、继电保护装备的信号源。所以工频信号源是很有意义、也是不可缺少的工具。

本设计采用基于DDS原理的嵌入式设计，仅用一片单片机、一片FPGA及一些外围的元件组成。并且经实际测试各项技术指标均达到设计要求。

结构说明：

该作品由四个部分组成，它们分别是：

①.电源模块：负责整个系统的供电；

②.单片机模块：负责液晶显示、数据通信、整体协调；

③.FPGA模块：负责波形数据的储存、调用；

④.波形生成模块：负责数模转换、幅值调节。

使用说明：

    ①.接通电源；

②.按下按键8，选择需要调整的参数（如频率、电流相位、电流幅  

值、电压幅值）；

    ③.通过按键1、2、3分别可以控制所选参数按不同步进增加；

    ④.通过按键4、5、6分别可以控制所选参数按不同步进减小；

    ⑤.读取12864液晶屏幕显示数据。

功能说明：

“三相工频信号源”可以产生两路三相正弦交流信号，包括电压A、B、C三相与电流A、B、C三相。A、B、C三相各相差120°。电流信号相对电压可以相移。

技术指标：

①.能产生电压、电流A、B、C三相标准正弦波，各相相差120°；

②.频率调节范围为40.00Hz—60.00Hz，最小步进0.01Hz。

③.电流相位调节范围为0.0°—359.9°，最小步进0.1°。

④.电压、电流幅值分别数控调节，调节范围0—5V，最小步进0.02V。

    ⑤.正弦信号失真度小于0.2％，频率精度0.01Hz以上，相位精度达到0.01°以上。

平台选型说明

该作品使用STC公司的IAP15F2K61S2单片机为控制核心。

设计说明

设计方案：

整个系统以IAP15F2K61S2为控制核心，控制整个系统的调频、调相、调幅、显示功能。开机后，单片机先发送初始数据，然后扫描按键，通过判断按键来确定频率、相位、幅度的数值，并将这些数据通过串行、并行方式分别发送给FPGA与调幅DAC。

利用DDS数字波形合成技术。每一个正弦波由3600个8位的数据组成，六路波形数据存放在FPGA中。FPGA内部定制可控分频器、及相位加法器、3600进制计数器。由单片机发送分频数据与相位数据确定波形频率、与相位，并驱动12864液晶显示。6路波形数据产生后送给6路DAC0832进行数模转换，便得到了电压、电流三相正弦波信号。再用两片个DAC0832输出作为上述6片DAC0832的基准电压，分别对电压、电流信号调幅。而单片机发送幅值数据给这两片DAC0832控制它们的输出电压，这样就达到了数控调幅。

                        图3. 方案框图

设计原理：

1.频相合成原理：

    在FPGA中定制可控分频器、相位合成计数器、3600进制计数器、6个ROM（用于储存波形数据）。

由单片机发送频率数据给FPGA定制的可控分频器，得到想要的频率。一个周期的正弦波3600个点，计数器时钟频率fclk=100M=108Hz，计数器容量为108，设：分频器分频后输出信号频率为为fout,单片机发送频率数据为x。

则有，                           Hz；       公式①

将信号fout送给3600进制计数器，再把计数器输出作为ROM的地址。

则得到正弦波的频率为：       

                                     Hz；   公式②

由公式①、公式②可看出单片机发送的频率数据为输出正弦波频率的3600倍，为正比例关系。且单片机所发频率数据每增加36HZ，正弦波就会增加0.01Hz。每个周期3600个数据，而电流数据的首地址每增加1，则会相移360°/3600=0.1°。

                        图4. FPGA内部电路图 

2.数控调幅原理：

FPGA内嵌的6个ROM，连接6个DAC0832即可得到6路正弦波。为了数控调节波形幅值，再用两片DAC0832，用单片机作为数字量输入，将其分别输出作为电压、电流波形合成DAC的参考电压，即可分别对电压电流信号进行数字调幅了。

最小幅值步进为，△V=5/256V≈0.02V。

                         图5. 波形生成

                         图6. 数字调幅

作品特色：

1.先进性：

以往的工频信号源多采用分立式元件做，电路复杂、干扰较多。本设计将波形数据与可控分频器等嵌入到FPGA中，并用IAP15F2K60S2做数据通信、协调整个系统，使整体性能大大提升。频率最小步进0.01HZ，精度0.01HZ，相位最小步进0.1°，精度0.01°，失真度达到0.2％。这几项技术指标是非常优秀的。

2.实用性：

该设计成本低、电路简单、体积小、深度嵌入、稳定性好、性能优良。可直接替代现有产品，或用该技术对现有的信号源进行改进。

3.创新性：

①.采用嵌入式设计，提高系统稳定性、抗干扰能力。

②.采用DDS技术，频率、相位精度比较高。

③.采用DAC器件数控调幅，起到数字电位器的作用。

④.FPGA内数字滤波技术，减小输出波形失真度。  

声明

本参赛队伍所有成员一致同意，在不涉及技术泄密的情况下，大赛主办方及相关技术支持单位，可以将该参赛作品用于大赛等有关活动使用。

                        代表签字：