畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于DSP的交流采樣系統(tǒng)

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1、 論文題目: 基于DSP的交流采樣系統(tǒng) 專(zhuān)業(yè): 學(xué) 生: （簽名）______________ 指導(dǎo)教師: （簽名）______________ 摘 要 交流采樣是電網(wǎng)進(jìn)行微機(jī)保護(hù)的重要一步，交流采樣方法的優(yōu)劣直接影響到微機(jī)保護(hù)的效果。本系統(tǒng)應(yīng)用DSP制作交流采樣電路，使其實(shí)現(xiàn)高速、準(zhǔn)確的交流采樣，通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)模擬微機(jī)保護(hù)跳閘功能。 本文介紹了應(yīng)用DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的采樣硬件電路設(shè)計(jì)，論文總共分為四個(gè)部分。（1）介紹交流采樣的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)思路，并分析目前交流采樣的幾種方式；（2）通過(guò)對(duì)

2、交流采樣對(duì)象的分析，確定采樣的參數(shù)大小并設(shè)計(jì)基于F2812的采樣電路；（3）運(yùn)用CCS3.1利用設(shè)計(jì)的程序?qū)Σ蓸与娐愤M(jìn)行試驗(yàn)，得出電路的誤差并進(jìn)行分析；（4）通過(guò)上述設(shè)計(jì)，能夠完成對(duì)交流信號(hào)的采集、處理并將所需數(shù)值顯示出來(lái)。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 由于時(shí)間、水平有限，本系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，將在日后工作與學(xué)習(xí)中進(jìn)一步完善。 關(guān)鍵詞：交流采樣，DSP,微機(jī)保護(hù) Thesis topic: Professional: Undergraduate Students: (Signed )_____________ In

3、structor: (Signed )______________ ABSTRACT The exchange sampling is the electrical network carries on the microcomputer to protect importantly one step, the exchange sampling methods protects fit and unfit quality immediate influence the effect which to the microco

4、mputer. This system applies the DSP manufacture exchange sampling circuit, causes it to realize high speed, the accurate exchange sampling, realizes the simulation microcomputer protective trip function through the software control. This article introduced realizes using DSP to exchanges the signal

5、 sampling hardware circuit design, the paper altogether divides into four parts. (1) introduced that the exchange sampling the basic structure, the design mentality, and analyzes the present exchange sampling several ways; (2) through to exchanges the sampling object analysis, the definite samplings

6、 parameter size and designs based on the F2812 sampling circuit; (3) carries on the experiment using CCS3.1 using the design procedure to the sampling circuit, obtains electric circuits error and carries on the analysis; (4) through the above design, can complete to exchanges signal gathering, proce

7、ssing and will need the value to demonstrate, satisfies the design requirements. Because the time, the level are limited, this system has not realized with computers data communication, will be working in the future and in the study further consummates. KEY WORDS: Exchange sampling, DSP, microcomp

8、uter protection 2 目 錄 第一章 緒 論 1 1.1研究背景與意義 1 1.2研究現(xiàn)狀 1 1.3課題的總體設(shè)計(jì)思路 2 第二章 交流采樣系統(tǒng)的器件介紹 3 2.1 DSP芯片介紹 3 2.1.1 DSP的特點(diǎn) 3 2.1.2 DSP TMS320 F2812芯片的技術(shù)指標(biāo) 4 2.1.3 DSP F2812開(kāi)發(fā)板的管腳功能說(shuō)明 4 2.2 運(yùn)算放大器LM324介紹 6 2.2.1 LM324工作原理 6 2.2.2 LM324的引腳、結(jié)構(gòu)及其典型運(yùn)用 8 2.3開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源芯片LM2596介紹 12 2.3.1 LM2

9、596的特點(diǎn) 13 2.3.2 LM2596的引腳及主要性能參數(shù) 13 2.4 穩(wěn)壓芯片TL431介紹 14 2.4.1 TL431工作原理 15 2.4.2 TL431的引腳和其主要性能參數(shù) 15 2.5 LED八段數(shù)碼管顯示器 15 2.5.1 LED數(shù)碼管的分類(lèi) 16 2.5.2數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方式 16 2.5.3數(shù)碼管的顯示段碼 17 2.6 74LS164移位寄存器介紹 18 2.6.1 74LS164工作原理 18 2.6.2 74LS164的引腳及級(jí)聯(lián) 19 第三章 基于DSP的交流采樣系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)方案 20 3.1 硬件電路設(shè)計(jì)思路 20 3.2

10、總體電路的布局 20 3.3 電流互感器、電壓互感器電路的設(shè)計(jì) 21 3.4運(yùn)放電路的設(shè)計(jì) 21 3.4.1 跟隨電路 22 3.4.2 二階低通有源濾波電路 22 3.4.3 偏置電路 24 3.4.4 反相電路 25 3.5 TL431 5V偏置電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì) 25 3.6 LM2596 5V電源的設(shè)計(jì) 26 3.7 繼電保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 27 3.8 合閘電路的設(shè)計(jì) 27 3.9 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) 28 3.10 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 28 第四章 系統(tǒng)的硬件調(diào)試和系統(tǒng)測(cè)試 30 4.1 系統(tǒng)硬件的調(diào)試 30 4.1.1 采樣電路的調(diào)試 30 4.1.2顯

11、示電路的調(diào)試 30 4.1.3 繼電保護(hù)電路的調(diào)試 30 4.2系統(tǒng)誤差分析 31 4.3調(diào)試過(guò)程中存在的問(wèn)題及解決方法 39 結(jié) 束 語(yǔ) 40 致 謝 41 參考文獻(xiàn) 42 附錄 43 43 第一章 緒 論 1.1研究背景與意義 電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，可能發(fā)生各種故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)，最常見(jiàn)同時(shí)也是最危險(xiǎn)的故障是發(fā)生各種形式的短路。電力系統(tǒng)中電氣元件的正常工作遭到破壞，但沒(méi)有發(fā)生故障，這種情況屬于不正常運(yùn)行狀態(tài)。故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)都可能在電力系統(tǒng)中引起事故，系統(tǒng)事故的發(fā)生，除了由于自然條件的因素以外

12、，一般都是由于設(shè)備制造上的缺陷、設(shè)計(jì)和安裝的錯(cuò)誤、檢修質(zhì)量不高或運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)而引起的。 在電力系統(tǒng)中，除應(yīng)采取各項(xiàng)積極措施消除或減少發(fā)生故障的可能性意外，故障一旦發(fā)生，必須迅速而有選擇性的切除故障元件，這是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的最有效方法之一。繼電保護(hù)裝置到目前為止大部分都被電子元件或計(jì)算機(jī)代替，在微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)當(dāng)中，交流采樣裝置是微機(jī)保護(hù)很重要的一部分，其采樣精度直接影響到了微機(jī)保護(hù)的準(zhǔn)確度。近幾年來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，各種種類(lèi)的新型處理器相繼問(wèn)世，讓開(kāi)發(fā)運(yùn)用在電力系統(tǒng)中的高速采樣系統(tǒng)成為了可能。隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的不斷普及，其優(yōu)異的性能逐漸被人們所知，將DSP運(yùn)用于電力系統(tǒng)

13、的各個(gè)環(huán)節(jié)已經(jīng)是一種趨勢(shì)。 本課題介紹的交流采樣系統(tǒng)使用運(yùn)算放大器和DSP對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行采樣，具有實(shí)時(shí)性好、高準(zhǔn)確高的優(yōu)點(diǎn)，研究一種高實(shí)時(shí)性、高準(zhǔn)確性的采樣系統(tǒng)，對(duì)提高微機(jī)保護(hù)的性能至關(guān)重要，這是本課題研究的意義。 1.2研究現(xiàn)狀 在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴(kuò)大使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，電網(wǎng)存在諧波，還會(huì)有各種順勢(shì)干擾，采用時(shí)間繼電器、電流繼電器、信號(hào)繼電器等組成的采樣系統(tǒng)，存在硬件電路復(fù)雜等諸多弊端，因此本系統(tǒng)求取系統(tǒng)中交流參數(shù)采用軟件代替硬件，進(jìn)一步優(yōu)化了交流采樣系統(tǒng)，做到了簡(jiǎn)化硬件、提高實(shí)時(shí)性，并能快速、準(zhǔn)確地采集各種電力參數(shù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。 隨著國(guó)

14、家GDP快速增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)的供電負(fù)荷日益增大，對(duì)其穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，對(duì)電網(wǎng)的建設(shè)的投入也相當(dāng)?shù)拇?，在廠(chǎng)礦企業(yè)中，對(duì)電的需求十分的大，供配電的穩(wěn)定性直接與效益掛鉤。隨著微型計(jì)算機(jī)、DSP系統(tǒng)價(jià)格的逐步降低和技術(shù)的不斷成熟，在工廠(chǎng)用電中，6.3kV、380V電壓等級(jí)的繼電保護(hù)設(shè)備也逐步向微機(jī)保護(hù)發(fā)展，基于DSP的交流采樣系統(tǒng)將大量運(yùn)用于此類(lèi)場(chǎng)合。 1.3課題的總體設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)是一個(gè)交流電壓、電流采樣、繼電保護(hù)系統(tǒng)。要求是明確該系統(tǒng)的基本構(gòu)成，了解均方根算法等相關(guān)控制算法，熟悉DSP采樣原理，完成采樣電路硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)交流采樣。 其設(shè)計(jì)要求如下： 1） 用數(shù)碼管顯示當(dāng)前線(xiàn)路的電壓、電

15、流和功率 2） 電壓峰值采樣范圍為0V-480V,電流峰值采樣范圍為0-7.07A。 3） 當(dāng)采樣所得電流或電壓超出設(shè)定范圍時(shí)，繼電器動(dòng)作，切斷負(fù)載線(xiàn)路。 文章介紹了以DSP F2812為核心的交流采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)采用了兩路AD轉(zhuǎn)換器以同時(shí)檢測(cè)電流與電壓的大小，并在程序上進(jìn)行監(jiān)控?？刂撇糠质褂美^電器切斷線(xiàn)路。本系統(tǒng)由硬件設(shè)計(jì)和軟件變成構(gòu)成，一下逐步對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件作出介紹。 第二章 交流采樣系統(tǒng)的器件介紹 2.1 DSP芯片介紹 我們通常所說(shuō)的DSP有兩個(gè)含義：其一是Digital Signal Processing的簡(jiǎn)

16、稱(chēng)，是指數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，它不僅涉及許多學(xué)科，還廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。特別是20世紀(jì)60年代，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展；DSP的第二個(gè)含義是 Digital Signal Processor的簡(jiǎn)稱(chēng)，即數(shù)字信號(hào)處理器，也稱(chēng)為DSP芯片，它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器。他是一種適合于數(shù)字信號(hào)處理的高性能微處理器。數(shù)字信號(hào)處理其已經(jīng)成為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和實(shí)際運(yùn)用之間的橋梁，并進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，也極大地拓展了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。 在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，DSP芯片的功能日益強(qiáng)大，性能價(jià)格比

17、不斷提高，開(kāi)發(fā)環(huán)境日臻完善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在步入數(shù)字化時(shí)代的進(jìn)程中，數(shù)字信號(hào)處理器扮演著舉足輕重的角色。 2.1.1 DSP的特點(diǎn) 為了實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字信號(hào)處理，DSP芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。TMS320系列DSP主要采取了哈佛結(jié)構(gòu)、流水線(xiàn)技術(shù)、硬件乘法器和特殊DSP指令等。 哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在不同的存儲(chǔ)空間，對(duì)程序和獨(dú)立編址，獨(dú)立訪(fǎng)問(wèn)。而且在DSP內(nèi)部設(shè)置了數(shù)據(jù)和程序兩套總線(xiàn)，使得存取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行，提高數(shù)據(jù)吞吐量。為了進(jìn)一步提高速度和靈活性，TMS320系列產(chǎn)品中，在哈佛結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)，一是允許程序存儲(chǔ)在高速緩存中，

18、提高指令讀取速度；二是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)芯片的靈活性。另外，DSP仲的雙口RAM及獨(dú)立讀寫(xiě)總線(xiàn)使數(shù)據(jù)存取速度提高。 流水線(xiàn)技術(shù)：DSP芯片廣泛采用流水線(xiàn)技術(shù)，增強(qiáng)了處理器的處理能力。TMS320系列流水線(xiàn)深度為2～6級(jí)不等，也就是說(shuō)，處理器在一個(gè)時(shí)鐘周期可以并行處理2-6條指令，在每條指令處于流水線(xiàn)的不同階段。在流水線(xiàn)操作中，取指令、指令譯碼和執(zhí)行可以獨(dú)立處理，這樣DSP可以同時(shí)處理多條指令，只是每條指令處于不同的階段。例如在取N條指令是，前一條指令處于譯碼階段，而前兩條指令則處于執(zhí)行階段。 硬件乘法器：在數(shù)據(jù)信號(hào)處理的許多算法中，（如FFT和FIR

19、等），需要做大量的乘法和加法。顯然，乘法速度越快，數(shù)據(jù)處理能力就越強(qiáng)。在通用的微處理器中，有些根本沒(méi)有乘法指令，有乘法指令的處理器，其乘法指令的執(zhí)行時(shí)間也較長(zhǎng)。相比而言DSP芯片一般都有一個(gè)硬件乘法器。在TM320系列中，一次乘累加最少可以在一個(gè)時(shí)鐘周期完成。 特殊DSP指令：DSP芯片的另外一個(gè)特點(diǎn)就是采用了特殊的尋址方式和指令。比如，TMS320系列的位返轉(zhuǎn)尋址方式，LTD、MPY、RPTK等特殊指令。采用這些適合于數(shù)字信號(hào)處理的尋址方式和指令，進(jìn)一步減少了數(shù)字信號(hào)處理的時(shí)間。 另外，由于DSP的時(shí)鐘頻率提高，執(zhí)行周期的縮短，加上以上一些DSP結(jié)構(gòu)特征使得DSP實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理成為

20、可能。 2.1.2 DSP TMS320 F2812芯片的技術(shù)指標(biāo) 1、芯片運(yùn)行速度為150M； 2、工作速度可達(dá)150MIPS； 3、片上RAM 18k16bit； 4、片上擴(kuò)展RAM存貯空間64K16Bit； 5、自帶16路12bit A/D,最大采樣速率12.5msps； 6、2路的DAC7528轉(zhuǎn)換，10M/S，8Bit； 7、一路UART串行接口，符合RS232標(biāo)準(zhǔn)； 8、16路PWM輸出； 9、1路CAN接口通信； 10、片上12816bit FLASH，自帶128位加密位； 11、設(shè)計(jì)有用戶(hù)可以自定義的開(kāi)關(guān)和測(cè)試指示燈； 12、4組標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展連接器，為用戶(hù)

21、進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)提供條件； 13、具有IEEE1149.1相兼容的邏輯掃描電路，該電路僅用于測(cè)試和方針 14、+12V電源輸入，內(nèi)部+3.3V、+1.8V電源管理； 2.1.3 DSP F2812開(kāi)發(fā)板的管腳功能說(shuō)明 F2812有四個(gè)用于二次開(kāi)發(fā)的34芯外擴(kuò)總線(xiàn)，分辨是J12、J13、J18、J19。J12擴(kuò)展插座包含16根地址線(xiàn)和16跟數(shù)據(jù)線(xiàn)，可以用于讀出和輸出并行的數(shù)據(jù)；J13擴(kuò)展插座包括F2812外部擴(kuò)展總線(xiàn)的控制線(xiàn)、McBSP接口線(xiàn)、外部中斷和外部復(fù)位等重要的引腳信號(hào)；J18擴(kuò)展插座主要是AD和DA接口，J18仲擴(kuò)展了所有的AD和DA引腳；J19擴(kuò)展插座主要是擴(kuò)展F2812開(kāi)發(fā)板上

22、空閑的DSP外設(shè)引腳，以便于制定硬件環(huán)境。 由于交流采樣系用只需要用到J18和J19擴(kuò)展插座，下表就對(duì)J18和J19的管腳定義進(jìn)行說(shuō)明。 表2.1 J18的管腳定義和說(shuō)明 管腳號(hào) 管腳名 說(shuō)明 管腳號(hào) 管腳名 說(shuō)明 1 VCCA 模擬電源+5V 18 AGND 模擬地 2 VCCA 模擬電源+5V 19 ADINB6 模擬輸入通道B6 3 CAP1 CAP輸入端1 20 ADINB7 模擬輸入通道B7 4 CAP2 CAP輸入端2 21 ADREFIN 測(cè)試引腳 5 ADINA2 模擬輸入通道A2 22 ADCREF

23、LO 模擬參考低電壓輸入 6 ADINA3 模擬輸入通道A3 23 ADINA0 模擬輸入通道A0 7 ADINA4 模擬輸入通道A4 24 ADINA1 模擬輸入通道A1 8 ADINA5 模擬輸入通道A5 25 DAOUT1 模擬輸出通道1 9 ADINA6 模擬輸入通道A6 26 DAOUT2 模擬輸出通道2 10 ADINA7 模擬輸入通道A7 27 11 ADINB0 模擬輸入通道B0 28 12 ADINB1 模擬輸入通道B1 29 CAP3 CAP輸入端3 13 ADINB2 模擬

24、輸入通道B2 30 CAP4 CAP輸入端4 14 ADINB3 模擬輸入通道B3 31 CAP5 CAP輸入端5 15 ADINB4 模擬輸入通道B4 32 CAP6 CAP輸入端6 16 ADINB5 模擬輸入通道B5 33 AGND 模擬地 17 AGND 模擬地 34 AGND 模擬地 表2.2 J19的管腳定義和說(shuō)明 管腳號(hào) 管腳名 說(shuō)明 管腳號(hào) 管腳名 說(shuō)明 1 +5V電源 由POWER提供的電源 18 GND 地線(xiàn) 2 +5V電源 由POWER提供的電源 19 T2CTRP

25、 定時(shí)器2比較輸出 3 PWM1 PWM1輸出引腳 20 T3CTRP 定時(shí)器3比較輸出 4 PWM2 PWM2輸出引腳 21 T4CTRP 定時(shí)器4比較輸出 5 PWM3 PWM3輸出引腳 22 C1CRTIP 比較器1比較輸出 6 PWM4 PWM4輸出引腳 23 C2CRTIP 比較器2比較輸出 7 PWM5 PWM5輸出引腳 24 C3CRTIP 比較器3比較輸出 8 PWM6 PWM6輸出引腳 25 TDIRA 定時(shí)器計(jì)數(shù)方向A 9 PWM7 PWM7輸出引腳 26 TCKINA 定時(shí)器時(shí)鐘輸入A

26、10 PWM8 PWM8輸出引腳 27 SCITXB 異步串口TX端B 11 PWM9 PWM9輸出引腳 28 SCIRXB 異步串口RX端B 12 T1PWM T1輸出引腳 29 SPSIMA SPI主收主發(fā)端 13 T2PWM T2輸出引腳 30 SPSOMA SPI主發(fā)從收端 14 T3PWM T3輸出引腳 31 SPICLKA SPI時(shí)鐘 15 T4PWM T4輸出引腳 32 SPISTEA SPI Slave發(fā)送使能 16 T1CTRP 定時(shí)器1比較輸出 33 GND 地線(xiàn) 17 GND 地線(xiàn)

27、34 GND 地線(xiàn) 2.2 運(yùn)算放大器LM324介紹 2.2.1 LM324工作原理 LM324系列運(yùn)算放大器是價(jià)格低廉的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器，可工作在單電源下。與某些單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。 LM325具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1.短路保護(hù)輸出 2.真差動(dòng)輸入級(jí) 3.可單電源工作：3V-32V 4.低偏置電流：最大100nA（LM324A） 5.每封裝含四個(gè)運(yùn)算

28、放大器。 6.具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋? 7.共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源 8.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列 9.輸入端具有靜電保護(hù)功能 LM324內(nèi)部集成四個(gè)運(yùn)算放大器，每個(gè)運(yùn)放相互獨(dú)立，可以單獨(dú)使用。從原理上說(shuō)，集成運(yùn)算放大電路實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。他的內(nèi)部通常包含四個(gè)基本組成部分，即輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路，如圖所示。以下簡(jiǎn)單介紹個(gè)部分的功能。 圖2.1 集成運(yùn)放的基本組成部分 1) 輸入級(jí) 集成運(yùn)放的輸入級(jí)對(duì)于他的許多指標(biāo)注入輸入電阻、共模輸入電壓、差模輸入電壓和共模抑制比等等，起著決定性的作用，因此是提高集成運(yùn)放質(zhì)量的關(guān)鍵。 為了發(fā)揮集成電路內(nèi)部元

29、件參數(shù)匹配較好、易于補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，輸入級(jí)大都采用差分放大電路的形式。 2) 中間級(jí) 中間級(jí)的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。從這個(gè)目標(biāo)出發(fā)，不僅要求中間級(jí)本身具有較高的電壓增益，同時(shí)為了減少對(duì)前級(jí)的影響，還應(yīng)具有較高的輸入電阻。尤其當(dāng)輸入級(jí)采用有源負(fù)載時(shí)，中間級(jí)的輸入電阻問(wèn)題更為重要，否則將使輸入級(jí)的電壓增益大為降低，失去了有源負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)。另外，中間級(jí)還應(yīng)向輸出級(jí)提供較大的推動(dòng)電流，并能根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)雙端輸入至單端輸出的轉(zhuǎn)換。 為了提高電壓放大倍數(shù)，集成運(yùn)放中間級(jí)經(jīng)常利用三極管作為有緣負(fù)載。另外，中間級(jí)的放大管有時(shí)采用復(fù)合管的結(jié)構(gòu)形式。 3) 輸出級(jí) 集成運(yùn)放輸出級(jí)的主要作用是提供足

30、夠的輸出功率以滿(mǎn)足負(fù)載的需要，同時(shí)還應(yīng)具有較低的輸出電阻以便增強(qiáng)帶載能力，也應(yīng)有較高的輸入電阻，以免影響前級(jí)的電壓放大倍數(shù)。一般不要求輸出級(jí)提高很高的電壓放大倍數(shù)。由于輸出級(jí)工作在大信號(hào)狀態(tài)，應(yīng)設(shè)法盡可能減少出書(shū)波形的失真。此外，輸出級(jí)應(yīng)有過(guò)載保護(hù)措施，以防輸出端意外短路或負(fù)載電流過(guò)大而燒毀功率管。 集成運(yùn)放的輸出級(jí)基本上都采用各種形式的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)放大電路。 4) 偏置電路 偏置電路的主要作用是向各級(jí)放大電路提供合適的偏置電流，確定各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)。一般由三極管組成的電流源電路提供恒定的靜態(tài)電流和有源負(fù)載。 2.2.2 LM324的引腳、結(jié)構(gòu)及其典型運(yùn)用 圖2.2 LM324管腳圖

31、 LM324管腳如上圖所示，管腳3、5、10、12為“+”端，是四個(gè)運(yùn)放的同相輸入端，管腳2、6、9、13為“-”端，是四個(gè)運(yùn)放的反相輸入端，1、7、8、14為四個(gè)運(yùn)放的輸出端。輸出端的電壓與反向輸入端的信號(hào)相位相反，而與同相輸入端的信號(hào)相位相同。對(duì)于理想的運(yùn)放，工作在線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為 U0=Aod(Ui2-Ui1) （2-1） 式中，Aod是運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)。 由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，所以其線(xiàn)性工作范圍很窄。為了讓運(yùn)放能在比較大的輸入電壓范圍內(nèi)工作在線(xiàn)性區(qū)，就必須引入深度負(fù)反饋降低運(yùn)放的放大倍數(shù)。當(dāng)運(yùn)放工作工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)

32、，可組成各類(lèi)信號(hào)運(yùn)算電路，如比例、加減、微分和積分等。 2.2.2.1比例運(yùn)算電路 比例運(yùn)算電路的輸出電壓與輸入電壓之間存在比例關(guān)系，即電路可以實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算，是其他各種運(yùn)算電路的基礎(chǔ)。比例運(yùn)算電路根據(jù)輸入信號(hào)解法的不同，有電路三種基本形式：反相輸入、同相輸入以及差分輸入比例運(yùn)算電路。 圖2.3 反相比例運(yùn)算電路 上圖中，輸入電壓Ui電阻R1加到集成運(yùn)放的反相輸入端，其同相輸入端經(jīng)電阻R2接地。輸出電壓U0經(jīng)Rf接回到反相輸入端構(gòu)成負(fù)反饋放大器。集成運(yùn)放的反相輸入端和同相輸入端，實(shí)際上是運(yùn)放內(nèi)部輸入級(jí)兩個(gè)差分對(duì)管的基級(jí)。為了使差動(dòng)放大電路的參數(shù)保持對(duì)稱(chēng)，應(yīng)使兩個(gè)差分對(duì)管基級(jí)對(duì)地電阻盡

33、量一致，以免靜態(tài)基流流過(guò)這兩個(gè)電阻時(shí)在運(yùn)放輸入端產(chǎn)生附加的偏差電壓。因此選擇R2的阻值為 R2=R1//Rf （2-2） 而反比例運(yùn)算運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為 （2-3） 圖2.4 同相比例運(yùn)算電路 上圖中，輸入電壓連接至同相輸入端，但是為保證引入的是負(fù)反饋，輸入電壓通過(guò)電阻Rf仍接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過(guò)R1接地。為了使集成運(yùn)放反相輸入端和同相輸入端對(duì)地電阻一致，R2電阻仍應(yīng)為 R2=R1//Rf

34、（2-4） 同比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為 （2-5） 圖2.5 差分比例運(yùn)算電路 上圖中，輸入電壓Ui和Ui’分別加在集成運(yùn)放的反相輸入端和同相輸入端，從輸出端通過(guò)反饋電阻Rf接回到反相輸入端。為了保證運(yùn)放兩個(gè)輸入端對(duì)地的電阻平衡，同時(shí)為了避免降低共模抑制比，通常要求 R1=R1’, Rf=Rf’ （2-6） 差分比例運(yùn)算電路電壓放大倍數(shù)為 （2-7） 2.2.2.2加法和減法運(yùn)算 圖2.6 加法電路 加法電路電壓為 （2-8） 若取R1=R

35、2=R3=Rf=R式可簡(jiǎn)化為 （2-9） 圖2.7 減法電路 減法電路電壓為 （2-10） 2.2.2.3濾波電路 當(dāng)運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，還可以組成各式各樣的濾波電路。由于集成運(yùn)放是有源元件，因此由其構(gòu)成的濾波電路通常稱(chēng)為有源濾波電路。 圖2.8 有源二階低通濾波電路 二階有源低通濾波電路的通帶電壓放大倍數(shù)為 （2-11） 通帶截止頻率為 （2-12） 2.3開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源芯片LM2596介紹 LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)

36、器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線(xiàn)性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V， 可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。 該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開(kāi)關(guān)頻率為150KHz，與低頻開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。 該器件還有其他一些特點(diǎn)：在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在15%的范圍內(nèi)；可以用僅80μA的待機(jī)電流， 實(shí)現(xiàn)外部斷電；具有自我保護(hù)電路（一個(gè)

37、兩級(jí)降頻限流保護(hù)和一個(gè)在異常情況下斷電的過(guò)溫完全保護(hù)電路）LM2596常常被運(yùn)用于制作高效率降壓調(diào)節(jié)器、單片開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器、正負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器等。 在本采樣系統(tǒng)中，由于LM2596帶載能力強(qiáng)，我們選用了LM2596的5V固定輸出版本用于給所有需要5V供電的元件供電。 2.3.1 LM2596的特點(diǎn) 1) 3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出 2) 可調(diào)輸出電壓范圍1.2V～37V4% 3) 輸出線(xiàn)性好且負(fù)載可調(diào)節(jié) 4) 輸出電流可高達(dá)3A 5) 輸入電壓可高達(dá)40V 6) 采用150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小、效率高 7) 低功耗待機(jī)模式

38、，IQ的典型值為80μA 8) TTL斷電能力 9) 具有過(guò)熱保護(hù)和限流保護(hù)功能 10) 封裝形式：TO-220（T）和TO-263（S） 11) 外圍電路簡(jiǎn)單，僅需4個(gè)外接元件， 且使用容易購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)準(zhǔn)電感 2.3.2 LM2596的引腳及主要性能參數(shù) 圖2.9 LM2596引腳圖 圖2.1為L(zhǎng)M2596的引腳圖，每個(gè)引腳的極限參數(shù)如下： 1) 1號(hào)管腳為VCC，最大電源電壓為45V。 2) 2號(hào)管腳輸出管腳，輸出電壓為3.3V、5V、12V或者為小于37V的可調(diào)電壓。 3) 3號(hào)管腳為接地管腳。 4) 4號(hào)管腳為反饋管腳，所能承受的反饋電壓的范圍是-0.

39、3V-25V。 5) 5號(hào)管腳為ON/OFF腳，所能承受的控制電壓為-0.3V-25V。 表2.3 LM2596的主要性能參數(shù) 符號(hào) 參量 條件 典型值 極限值 LM2596-3.3 VOUT 輸出電壓 4.75V≤VIN≤40V，0.2A≤ILOAD≤3A 3.3V 3.168V/3.135V 3.432V/3.465V η 效率 VIN=12V，ILOAD=3A 73% LM2596-5.0 VOUT 輸出電壓 7V≤VIN≤40V，0.2A≤ILOAD≤3A 5.0V 4.800V/4.750V 5.200V/5.250V η

40、 效率 VIN=12V，ILOAD=3A 80% LM2596-12 VOUT 輸出電壓 15V≤VIN≤40V，0.2A≤ILOAD≤3A 12.0V 11.52V/11.40V 12.48V/12.60V η 效率 VIN=25V，ILOAD=3A 88% LM2596-ADJ VOUT 輸出電壓 4.5V≤VIN≤40V，0.2A≤ILOAD≤3A VOUT=3V， 1.23V 1.193V/1.180V 1.267V/1.280V η 效率 VIN=25V，VOUT =3V， ILOAD=3A 73% VIN=25V

41、，VOUT =15V，ILOAD=3A 90% 通過(guò)表2.3可知，LM2596僅需4個(gè)外接元件，就可以得到很好的轉(zhuǎn)換效率。 2.4 穩(wěn)壓芯片TL431介紹 德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等。 2.4.1 TL431工作原理 圖2.10 TL431的符號(hào) 上圖是該器件的符號(hào)。3個(gè)引腳分別為：陰極（CATHODE）、

42、陽(yáng)極（ANODE）和參考端（REF）。 TL431的具體功能可用圖2.3的功能模塊示意。 圖2.11 TL431功能模塊 由圖可以看到，VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接近VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)三極管 圖1 的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡(jiǎn)單地用這種組合來(lái)代替它。 2.4.2 TL431的引腳和其主要性能參數(shù) 1）最大輸入電壓為37V 2）最大工作電流150mA 3）內(nèi)基準(zhǔn)電壓

43、為2.5V 4）輸出電壓范圍為2.5~30V 2.5 LED八段數(shù)碼管顯示器 數(shù)碼管是一類(lèi)顯示屏，通過(guò)對(duì)其不同的管腳輸入相對(duì)的電流會(huì)使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字。能夠顯示、時(shí)間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)。由于它的價(jià)格便宜，使用簡(jiǎn)單，在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。 2.5.1 LED數(shù)碼管的分類(lèi) 1） 按段數(shù)分：分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管； 2） 按位分：可分為1位、2位、4位等等； 3） 按發(fā)光二極管單元連接方式分：可分為為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。 2.12 四位共陰八段數(shù)碼管 圖2.14 共陰八段數(shù)碼管 圖2.13共陽(yáng)八段數(shù)碼管

44、 2.5.2數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方式 讓數(shù)碼管顯示，需要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出所需的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類(lèi)。 靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱(chēng)直流驅(qū)動(dòng)，是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是目前應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的同名端

45、連在一起，每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線(xiàn)控制，當(dāng)輸出字形碼時(shí)，只有COM端電路被選同的數(shù)碼管可以顯示字型。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，就能顯示一組穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)顯示可以達(dá)到和靜態(tài)顯示一樣的效果，并且能夠節(jié)省大量的I/O端口。 2.5.3數(shù)碼管的顯示段碼 圖2.15 數(shù)碼管段碼 八段數(shù)碼管由八個(gè)長(zhǎng)條狀發(fā)光二極管排列組成。八個(gè)發(fā)光二極管排列

46、成“日”字型，只需通過(guò)控制相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光，就可以顯示出0-9、A-F十六個(gè)字符。將高電平用“1”表示，低電平用“0”表示，那么發(fā)光二極管A-DP的電平可以用一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)表示，這個(gè)二進(jìn)制數(shù)就叫做發(fā)光二極管的段碼。不同的數(shù)字有相應(yīng)的段碼所對(duì)應(yīng)，并且共陰數(shù)碼管與共陽(yáng)數(shù)碼管的段碼為相反，段碼也可以用相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)表示。 表2.4 共陰數(shù)碼管段碼表 數(shù)字 二進(jìn)制段碼 十六進(jìn)制段碼 數(shù)字 二進(jìn)制段碼 十六進(jìn)制段碼 0 00111111 3F 8 01111111 7F 1 00000110 06 9 01101111 6F 2 01011011 5B

47、 A 01110111 77 3 01001111 4F B 01111100 7C 4 01100110 66 C 00111001 39 5 01101101 6D D 01011110 5E 6 01111101 7D E 01111001 79 7 00000111 07 F 01110001 71 表2.5 共陽(yáng)數(shù)碼管段碼表 數(shù)字 二進(jìn)制段碼 十六進(jìn)制段碼 數(shù)字 二進(jìn)制段碼 十六進(jìn)制段碼 0 11000000 C0 8 10000000 80 1 11111001 F9 9 1001

48、0000 90 2 10100100 A4 A 10001000 88 3 10110000 B0 B 10000011 83 4 10011001 99 C 11000110 C6 5 10010010 92 D 10100001 A1 6 10000010 82 E 10000110 86 7 11111000 7C F 10001110 8E 2.6 74LS164移位寄存器介紹 74ls164是一個(gè)八位移位寄存器。移位寄存器除了具有存儲(chǔ)代碼的功能以外，還具有移位功能。所謂移位功能，是指寄存器里存儲(chǔ)的的代碼能夠

49、在移位脈沖的作用下依次左移或右移。因此移位寄存器不但可以用來(lái)寄存代碼，還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行-并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的運(yùn)算以及數(shù)據(jù)處理等等。 2.6.1 74LS164工作原理 圖2.16 74ls164邏輯圖 74ls164由八個(gè)觸發(fā)器FF0、 FF1、 FF2、 FF3 、FF4、 FF5、 FF6、FF7和各自的輸入控制電路組成。圖中的SERIAL INPUTS為數(shù)據(jù)串行輸入端，Q1～QH為數(shù)據(jù)并行輸出端。 2.6.2 74LS164的引腳及級(jí)聯(lián) 74ls164芯片為十四管腳芯片，1、2號(hào)管腳為串行輸入端，3～6和10～13號(hào)管腳為并行輸出端，7號(hào)管腳為接地，8號(hào)管腳為時(shí)

50、鐘信號(hào)端，9號(hào)管腳為控制管腳，高電平為開(kāi)啟，14號(hào)管腳為電源輸入。 圖2.17 2 74LS164引腳圖 一個(gè)74ls164有八個(gè)并行輸出端，當(dāng)需要更多并行輸出端時(shí)，可以采用多個(gè)74ls164進(jìn)行級(jí)聯(lián)的方式達(dá)到要求。多個(gè)74ls164芯片需要級(jí)聯(lián)時(shí)，其時(shí)鐘信號(hào)管腳要并聯(lián)起來(lái)，并且下一個(gè)芯片的1、2號(hào)管腳需要連接到上一個(gè)芯片的13號(hào)管腳，即上一個(gè)芯片的最后一個(gè)并行輸出口。這樣，當(dāng)多個(gè)74ls164連接起來(lái)后，在芯片之間也實(shí)現(xiàn)了移位功能，就實(shí)現(xiàn)了多路并行輸出的目的。 第三章 基于DSP的交流采樣系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)方案 3.1 硬件電路設(shè)計(jì)思路

51、交流采樣系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖。它主要由電壓互感器、電流互感器、運(yùn)放電路、DSP、繼電保護(hù)電路、顯示電路、電源電路幾部分組成。 電網(wǎng)的交流電進(jìn)入電壓互感器和電流互感器后，在其二次側(cè)形成了相應(yīng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，然后輸入到運(yùn)放電路中。經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路的處理后，信號(hào)就輸入到DSP的AD接口中。DSP對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并通過(guò)算法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)結(jié)果驅(qū)動(dòng)顯示電路顯示出數(shù)據(jù)和判斷繼電保護(hù)電路是否應(yīng)該動(dòng)作。 圖3.1 硬件電路設(shè)計(jì)框圖 3.2 總體電路的布局 我們將電路焊接在一塊20cm20cm的電路板上，各個(gè)電路布局如圖。電路板左上方為采樣電路，包括電網(wǎng)的輸入輸出、變壓器、電流互感器、電

52、壓互感器及其運(yùn)放電路，右上方為電路所需的兩個(gè)5V電源和動(dòng)作電路，下方為數(shù)碼管顯示屏和與DSP通信用的IDE接口。 圖3.13 總體電路布局圖 3.3 電流互感器、電壓互感器電路的設(shè)計(jì) 電壓互感器設(shè)計(jì)壓降為將331v的電壓降為2.5v，由于壓降過(guò)大，我們采用兩級(jí)降壓，首先先用220v變12v的變壓器將電壓降至12v，然后通過(guò)電壓互感器將把電壓降為峰值為2.5v的正弦波。 電流互感器的參數(shù)為5A/5mA，在電流互感器二次側(cè)用一個(gè)470Ω的電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。 3.4運(yùn)放電路的設(shè)計(jì) 本采樣電路的總體設(shè)計(jì)如圖3.2所示，共包括四級(jí)運(yùn)放電路。從互感器傳來(lái)的信號(hào)，首先通過(guò)第一級(jí)運(yùn)放，即電壓

53、跟隨電路進(jìn)行跟隨，然后通過(guò)二階有源低通濾波電路。再通過(guò)一個(gè)加法電路，將幅值有正有負(fù)的正弦波電壓抬高，使其滿(mǎn)足F2812的A/D的需求。此時(shí)信號(hào)為負(fù)最后，信號(hào)通過(guò)一個(gè)反相電路將被加法電路反相的信號(hào)再次反相。 運(yùn)放電路的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)致的處理，設(shè)計(jì)的是否合理直接影響到采樣的精度，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮電路可能會(huì)受到的干擾。經(jīng)過(guò)分析，影響運(yùn)放電路精度的因素主要有三： 圖3.2 運(yùn)放電路總體設(shè)計(jì)圖 1、外圍元件的精度。運(yùn)放電路的效果完全取決于外圍電路的連接方式和外圍元件的值。所以在元件的選用上，盡可能選用高精度元件，并減少使用可調(diào)元件的數(shù)量。 2、偏置電壓的干擾。偏置電壓是直接與經(jīng)過(guò)濾

54、波的電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行疊加的信號(hào)，偏置電壓信號(hào)的質(zhì)量與采樣信號(hào)質(zhì)量直接相關(guān)。對(duì)于偏置電壓的選擇有兩點(diǎn)要求，一是帶載能力盡量好，二是電壓穩(wěn)定性必須高，三是電壓的峰峰值必須盡量小。 3、濾波電路元件的匹配。本電路設(shè)計(jì)為對(duì)電網(wǎng)工頻的七次諧波進(jìn)行濾波，即通帶頻率為小于350Hz。電容的性能和電阻的大小會(huì)對(duì)波峰的形狀產(chǎn)生影響。 基于以上的分析，我們將輸入第一級(jí)運(yùn)放的正弦波波峰最大電壓設(shè)置為2.5V。 3.4.1 跟隨電路 圖3.3 跟隨電路設(shè)計(jì)圖 跟隨電路是從互感器輸出的信號(hào)進(jìn)入的第一級(jí)運(yùn)放電路。跟隨電路的作用是與電網(wǎng)隔離的作用。跟隨電路沒(méi)有電阻，運(yùn)放的同相輸入端與輸出端相連，信號(hào)從運(yùn)放的反相輸

55、入端輸入，從輸出端輸出。輸入信號(hào)與輸出信號(hào)不僅幅值相同，相位也相同，電壓放大倍數(shù)Af=1。 3.4.2 二階低通有源濾波電路 信號(hào)從跟隨電路輸出后，就進(jìn)入濾波電路。濾波電路截止頻率設(shè)置為350Hz，只能通過(guò)工頻信號(hào)和七次及以下諧波。 由于電網(wǎng)中電壓并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，在工頻信號(hào)中參雜許多高次諧波。高次諧波對(duì)電網(wǎng)參數(shù)影響很大，將濾波電路通帶設(shè)置為350Hz有利于準(zhǔn)確采集電網(wǎng)信號(hào)。 圖3.4 二階有源低通濾波電路 圖中，R1=R2=450K R3=10K R4=10K C1=C2=1pF 二階有源低通濾波的傳遞函數(shù)為： （3-1） 式中；；。根據(jù)上式可以計(jì)算出

56、通帶電壓放大倍數(shù)為 ； （3-2） 通帶截止頻率為 （3-3） （3-4） 根據(jù)上式，可畫(huà)出二階低通濾波器的對(duì)數(shù)幅頻特性 圖3.5 二階低通濾波器的對(duì)數(shù)幅頻特性 3.4.3 偏置電路 從濾波電路送出的信號(hào)是以U=0V為對(duì)稱(chēng)軸的交流正弦波，當(dāng)信號(hào)通過(guò)偏置電路后，信號(hào)整體電壓被抬高，并且被反相。 圖3.6 偏置電路電路圖 圖中： R5=10K R6=10K R7=3.3K R8=10K U2=5V 偏置電路的電壓改變?yōu)? （3-5） 3.4.4 反相電路 由于偏置

57、電路同時(shí)擁有偏置和反向的作用，信號(hào)通過(guò)偏置電路后，信號(hào)進(jìn)入了負(fù)半周，反相電路則在不改變信號(hào)的相位和幅值的情況下再次對(duì)信號(hào)進(jìn)行反向。 圖3.7 反相電路電路圖 圖中： R9=22K R10=5.2K R11=6.8K 反相電路的電壓放大倍數(shù)為 （3-6） 3.5 TL431 5V偏置電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì) TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，由于其穩(wěn)定性，我們決定選用其產(chǎn)生偏置電路的5V偏置電壓。 圖3.8 運(yùn)用TL431搭建的5V穩(wěn)壓電路 圖中： R2=R3=10K; R1=200Ω 電路搭建完成后給電路輸入12v電壓，通過(guò)示

58、波器可觀(guān)察到電路輸出電壓為5V，峰峰值電壓為50mV左右，電壓精度可以滿(mǎn)足偏置電路對(duì)偏置電壓的要求。 3.6 LM2596 5V電源的設(shè)計(jì) 圖3.9 LM2596 5V電源設(shè)計(jì)圖 圖中：C1=680μF C2=220μF L=33μH 二極管：IN5824 電路搭建完成后，輸入12V電壓，通過(guò)示波器可觀(guān)察到電路輸出電壓為5V,峰峰值電壓為150mV左右，最大輸出電流為3A，可以滿(mǎn)足需要12V電源的芯片的需求。 3.7 繼電保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 由于DSP I/O口的驅(qū)動(dòng)能力不足以驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，所以我們利用三極管對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，在I/O口之間加入一個(gè)電阻目的在于減小I/O口的輸

59、出電流，而續(xù)流二極管的作用是防止繼電器動(dòng)作瞬間由于繼電器線(xiàn)圈的反向電動(dòng)勢(shì)擊穿三極管。 圖3.10 跳閘繼電器設(shè)計(jì)圖 當(dāng)DSP通過(guò)I/O口發(fā)出跳閘指令時(shí)繼電器應(yīng)該立即跳開(kāi)切斷故障線(xiàn)路。繼電保護(hù)電路由繼電器、三極管、續(xù)流二極管、電阻組成，線(xiàn)路連接如下圖所示。三極管C級(jí)接5V電源，B級(jí)接DSP信號(hào)，E接繼電器線(xiàn)圈的一個(gè)管腳。繼電器線(xiàn)圈的另一個(gè)管腳接地，并在繼電器線(xiàn)圈兩個(gè)引腳的兩端反向接入一個(gè)續(xù)流二極管。當(dāng)DSP的I/O口輸出的3.3V高電平信號(hào)時(shí)，高電平信號(hào)從A進(jìn)入三極管，三極管導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作。當(dāng)I/O口輸出低電平時(shí)，三極管斷開(kāi)，繼電器觸點(diǎn)跳開(kāi)。 3.8 合閘電路的設(shè)計(jì) 合閘電路由一個(gè)

60、上拉電阻和一個(gè)開(kāi)關(guān)組成。如圖所示，電阻與開(kāi)關(guān)串聯(lián)，電阻的另一端接高電平，開(kāi)關(guān)的另一端接低電平，電阻與開(kāi)關(guān)之間的一條線(xiàn)接I/O口。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，I/O口通過(guò)電阻與高電平相連。由于沒(méi)有電流流過(guò)電阻，所以電阻的壓降為零，I/O口電平與高電平點(diǎn)相等。當(dāng)開(kāi)關(guān)被按下時(shí)，線(xiàn)路中產(chǎn)生電流，電流從高電平點(diǎn)流出，通過(guò)電阻和開(kāi)關(guān)，流入接地點(diǎn)。電阻上的壓降為高電平點(diǎn)的電壓，此時(shí)A點(diǎn)的電勢(shì)與接地點(diǎn)相等，即為低電平。 圖3.11 合閘按鈕設(shè)計(jì)圖 3.9 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示電路主要是為了顯示采集的電壓和電流信號(hào)的大小以及線(xiàn)路上的負(fù)載大小。綜合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考慮選用數(shù)碼管顯示。選擇使用74ls164移位寄存

61、器作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片。由于需要顯示三個(gè)值，總共需要用到十個(gè)數(shù)碼管，因?yàn)?64芯片的可以通過(guò)移位功能將顯示信號(hào)傳遞下去，所以十個(gè)數(shù)碼管只需要一根數(shù)據(jù)線(xiàn)和一根時(shí)鐘線(xiàn)就能被控制顯示出來(lái)，程序也不復(fù)雜。 圖3.12 74ls164級(jí)聯(lián)示意圖 3.10 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 本次軟件設(shè)計(jì)主要由鍵盤(pán)輸入程序、LCD液晶顯示程序、AD采樣程序、通信程序構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括主程序模塊，初始化子程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊。主程序模塊主要包括鍵盤(pán)掃描模塊和顯示模塊。初始化子程序模塊的功能主要是設(shè)置各個(gè)寄存器，使系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求正常工作，并對(duì)各種變量進(jìn)行初始化。主程序主要是調(diào)用初始化子程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初

62、始化，并啟動(dòng)系統(tǒng)中使用的定時(shí)器，然后進(jìn)入循環(huán)體，查詢(xún)鍵盤(pán)狀態(tài)和調(diào)用顯示子程序并等待系統(tǒng)中斷。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)優(yōu)先去執(zhí)行中斷服務(wù)程序,中斷服務(wù)程序模塊包括A/D采樣模塊、算法模塊及與PC機(jī)的串行通信模塊。在串行口中斷中，主要完成與主機(jī)的信息傳送與顯示工作。其基本思路為：先通過(guò)鍵盤(pán)選擇是進(jìn)行通信還是測(cè)量，如果選擇通信則調(diào)用通信子程序?qū)⒈４嬖跀?shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的計(jì)算得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；如果選擇測(cè)量，則先通過(guò)鍵盤(pán)輸入所要選的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)類(lèi)型并用LCD進(jìn)行顯示；在對(duì)零序電壓，零序電流進(jìn)行采集，利用均方根值法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出零序電流的有功分量和無(wú)功分量的有效值，再根據(jù)附加電阻測(cè)量絕緣阻抗的計(jì)算公式計(jì)

63、算電阻r和電容c值，最后算出電網(wǎng)電容電流和電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻電流。最后由LCD顯示、，返回主程序循環(huán)執(zhí)行。 第四章 系統(tǒng)的硬件調(diào)試和系統(tǒng)測(cè)試 4.1 系統(tǒng)硬件的調(diào)試 硬件系統(tǒng)的調(diào)試分為三個(gè)部分，第一是采樣電路的調(diào)試，第二是顯示電路的調(diào)試，第三是繼電保護(hù)電路的調(diào)試。 4.1.1 采樣電路的調(diào)試 將采樣電路分為兩個(gè)部分分別調(diào)試。首先將電源輸入端插入插座，對(duì)比變壓器一次側(cè)與電壓互感器二次側(cè)的電壓值，得出其電壓變比。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，變比為1/133，與設(shè)計(jì)值1/124.4相近，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 將電流互感器的一次側(cè)接入低壓負(fù)載，運(yùn)用調(diào)壓器和滑動(dòng)變阻器調(diào)

64、整一次側(cè)電流，檢查其線(xiàn)性度和飽和電流。 將信號(hào)發(fā)生器接入運(yùn)放電路的輸入端，將示波器接到運(yùn)放的輸出端。首先將波形發(fā)生器的波形調(diào)為0v，調(diào)整偏置電壓，將在示波器中觀(guān)測(cè)，使得波形穩(wěn)定在1.5v。再將波形調(diào)為最大值為2.5v，最小值為-2.5v的正弦波，然后通過(guò)示波器觀(guān)測(cè)其輸出端的波形。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，輸出波形為最大值為2.56v，最小值為0.48v，與設(shè)計(jì)值最大值為2.5v，最小值為0.5v相近。 由于電子元件產(chǎn)生的誤差將在程序中給予矯正。 4.1.2顯示電路的調(diào)試 顯示電路有四根對(duì)外接線(xiàn)，分別為信號(hào)、時(shí)鐘、5v電源、接地。首先將四根連線(xiàn)連入DSP，在程序中輸入指令讓數(shù)碼管顯示十個(gè)“8”，檢查焊點(diǎn)

65、是否出現(xiàn)虛焊、漏焊。然后修改程序程序，讓數(shù)碼管顯示“0-9”十個(gè)數(shù)字，檢查數(shù)碼管段碼是否有錯(cuò)。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)顯示電路可以正常工作。 4.1.3 繼電保護(hù)電路的調(diào)試 跳閘繼電器電路的調(diào)試：連接采樣板的電源，用連接電源的一根引線(xiàn)碰觸三極管的b引腳，通過(guò)觀(guān)察指示燈的顏色可以知道繼電器的開(kāi)合狀態(tài)，并且能聽(tīng)到聲音。 合閘按鈕部分的調(diào)試：將萬(wàn)用表調(diào)至20V直流檔，一個(gè)表筆接地，另一個(gè)表筆接到信號(hào)輸出端。在沒(méi)有按下按鈕時(shí)，測(cè)得電壓為5v，當(dāng)按下按鈕時(shí)，測(cè)得電壓為0v，說(shuō)明電路工作正常。 4.2系統(tǒng)誤差分析 （1） 實(shí)驗(yàn)一： 實(shí)物如圖4.1所示： 4．1 220v系統(tǒng)誤差分析 調(diào)整調(diào)壓器，使輸

66、入電壓有效值為220V，電流有效值為2.05A。在這個(gè)工作環(huán)境下程序運(yùn)行結(jié)果如表4-1所示： 表4-1 220v系統(tǒng)誤差分析 實(shí)際值 測(cè)量值 電壓有效值（V） 220 221.5 電流有效值 (A) 2.05 2.1 通過(guò)實(shí)際值和程序運(yùn)行結(jié)果對(duì)比計(jì)算誤差百分比，計(jì)算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： （4-1） 電流有效值誤差百分比為： （4-2） （2） 實(shí)驗(yàn)二： 實(shí)物如圖4.2所示： 圖4.2 200v系統(tǒng)誤差分析 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為200V，電流有效值為1.85A。在這個(gè)工作環(huán)境下程序運(yùn)行結(jié)果如下表所示： 表4-2 200v系統(tǒng)誤差分析 實(shí)際值 測(cè)量值 電壓有效值（V） 200 199.1 電流有效值 (A) 1.85 1.9 通過(guò)實(shí)際值和程序運(yùn)行結(jié)果對(duì)比計(jì)算誤差百分比，計(jì)算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： （4-3） 電流有效值誤差百分比為： （4-4）