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作者：河南工程学院 黄辉 岳俊爽 李梦元
指导教师：肖海红 蒋威

　　作品简介

　　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;为保证电能表能够准确计量电能，电能表的检定工作也越来越繁重。电能表的检定需要工频测试电源提供测试信号，先前的工频电源信号产生电路多采用数字集成IC产生，元件较多，故障率较高。为此，设计一种新型的信号产生电路成为必要。

　　结构说明：
　　从外观讲作品主要分为两层，底层是电源设备，为整个系统提供所需的电源;中间层放系统设计电路，主要由六部分组成：PSoC3系统开发板、显示模块、时钟脉冲产生电路、锁相环倍频电路、按键调节模块、两路DA转换输出模块。

　　指标及功能：
　　该工频信号产生电路主要实现三个功能：
　　幅值可调，调节范围0—4.096V，步进20mV;
　　频率可调，调节范围45HZ—55HZ,步进1HZ;
　　相位可调，调节范围0—360度，步进1度。

　　使用说明：
　　在使用前检测线路连接正常时，插上电源通过调节按键来实现各项功能，其中按键主要有以下：幅值+、幅值—(分别调节幅值的增加和减小，初始幅值为3.12V。)，频率+、频率-(分别调节频率的增加和减少，初始频率为45HZ。)，相位+、相位-(分别实现相位增加和减少，初始值为零度。)，确认键(在调节幅值频率时不需要按确认键，只需按相应的功能键;但在调节相位时，应当注意先对相位进行设定，通过相位+、相位- 来设定，设定之后按一下确认键，此时会发现输出信号消失，再按一下确认键相位设定结束，输出信号相位发生改变。)　　

 　　平台选型说明

　　开发板选择PSoC3，中文名字片上可编程系统，它是在一个专有的MCU内核周围集成了可配置的模拟数字系统的外围阵列PSoC块，利用芯片内部的可编程互联阵列，有效的配置芯片上的模拟数字块资源，达到可编程片上系统的目的。
　　作品中主要用到模块有：VDAC、Timer、LCD、Interrupt、按键模块、数字部分的分频器。

　　设计说明

　　设计方案：
　　工频信号产生电路是指能自动调节幅值、相位、频率的一类正弦信号。一般传统的方案是利用单片机与FPGA结合来实现各项功能，但这种方案用单片机控制FPGA显的较为复杂，特别是接口作起来较为麻烦;然而，随着电子科技的快速发展，特别是可编程嵌入式片上系统的发展，例如PSoC的发展，将控制系统、数字系统、模拟系统集成于一个芯片，从而实现了片上可编程控制。本作品中的设计方案就是以PSoC3为核心来实现工频信号产生电路。其主要思路：外部电路利用1.8432M的晶振和CD4060产生3600HZ的方波信号，作为锁相环的输入脉冲;内部主要是用PSoC3作分频器、LCD、VDAC、Timer等模块;外部脉冲与内部分频器实现倍频功能，倍频后的脉冲作为定时器的时钟，通过寻找地址将数据送给外部DAC，从而实现了信号的产生，实现了工频信号产生电路。　　

 　　设计原理：
　　1.3600HZ方波发生电路
　　利用1.8432M晶振与CD4060组合，通过9脚作为输出，从而实现了3600HZ的方波脉冲;输出的频率是通过公式：f=1843200/2^N计算出来的，其中N可以为4—14,想得到3600HZ的方波，N=9。

　　2.锁相环电路
　　利用HEF4046与分频器结合组成锁相环实现倍频电路。对于分频器是利用PS0C3中的元件生成的方法，利用Verilog语言写出来的分频器，通过调节分频器N的大小来改变频率，实现频率的调节。　　

 　　3.波形输出电路
　　利用DAC0832与运放组成波形输出电路，从而实现数字量变成模拟量。　　

 　　4.PSoC3中的相关模块
　　4.1 VDAC8_1模块：PSoC3自带的电压型数模转换器，是一种八位的DA，幅值调节范围是0—4.096V，利用此模块来调节输出外部的DAC0832的参考电压，从而实现幅值的调节。　　

 　　4.2 LCD模块：PSoC3自带的character LCD实现显示功能，主要显示幅值、频率、初相位。　　

 　　4.3 Timer_1模块：PSoC3自带的Timer实现定时的功能，使每隔相等的时间进行采点，从而实现正弦波的输出。　　

 　　4.4 分频器模块： PSoC3中的数字系统，可以用Verilog语言来生成一个元件;分频器就是运用此方式来得到的。　　

 　　4.5 按键电路　　

 　　作品特色

　　先进性：PSoC3是近几年开发出来的片上可编程控制系统，它由PSoC内核、数字系统、模拟系统、系统资源四部分组成。PSoC3开发丰富而成熟的用户模块，极大减少了设计者的外围设备，节省了模拟量处理电路调节及修改的精力和时间，此外PSoC3采用了一种新的构架，通过可配置的数字及模拟区灵活的构造适用的用户模块，极大地提高了成功率、灵活性和可靠性。
　　实用性：在电力系统中各种计量仪表的自动化校验和检测中，广泛使用标准的工频信号源;再加上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，快速准确的校验是提高生产效率的重要环节;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。所以工频信号产生电路是很有意义、也是不可缺少的工具，具有很好的实用性。
　　创新性：采用单片机软件完成频率及相位的步进节省了硬件成本。用PSoC3做工频信号测试源显得简单、系统性能好、且有很好的实用性。测试结果表明，该方式产生的波形信号良好。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2370