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三相工频信号源

专家
2014-03-17 20:13:16    评分

作者:河南工程学院 朱振豪 王振冲 王亚鹏

指导教师:肖海红 瓮嘉民


  作品简介

  开发背景:

  随着仪表工业的快速发展,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,需要在模拟电网的工频功率源上进行校验。模拟电网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。所以工频信号检测源是很有意义、也是不可缺少的工具。

  本设计采用基于DDS的嵌入式设计,仅用一片单片机、一片FPGA一些其它的元件组成。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:电源模块、单片机模块、FPGA模块、波形生成模块。

  其中电源模块负责整个系统的供电;

  单片机模块负责显示、数据通信、整体协调;

  FPGA模块负责波形数据的储存、调用;

  波形生成模块负责数模转换、幅值调节。

  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,其中电压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,移相范围是0.0°—359.9°,最小步进0.1°。电压、电流三相信号同步调频,调频范围是40.00HZ—60.00HZ,最小步进0.01HZ。电压、电流信号可以分别数控调幅,调幅范围0V—5V,最小步进0.02V。

  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.正弦信号失真度达到0.2%以上,频率精度0.01HZ以上,相位精度达到0.001°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

  使用说明:

  ①.接通电源。

  ②.通过按键1、2分别可以控制相位或频率步进值。

  ③.通过按键3、4分别可以控制相位与频率值加减。

  ④.读取液晶屏幕显示数据。

  设计原理:

  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。

  该作品利用DDS数字波形合成技术。每一个正弦波由3600个8位的数字组成,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。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DAC0804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DAC0804输出作为上述6片DAC0804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DAC0804控制它们的输出电压,这样就达到了数控调幅。

  作品特色:

  一、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0.1°,失真度达到0.2%。这几相技术指标是非常优秀的。

  二、实用性:

  该设计成本低、电路简单、深度嵌入、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。

  三、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。




关键词: 嵌入式     单片机     信号源    

院士
2014-03-17 21:59:05    评分
2楼
学习了,谢谢分享。

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