基于單片機的工頻相角源

0概述

具有一定相位差的兩列正弦信號(簡稱相角源)，在電力系統各種計量儀表的自動化校驗與繼電保護中使用的繼電器的檢驗電源等領域中有著廣泛的使用，為此，我們設計了一種工頻相角源，該相角源的設計方法也是目前國內外電力系統及其他一些行業正積極推廣的新技術，它以單片機為控制核心，通過間接頻率合成器 (IS)改變信號的頻率，通過數字波形發生器產生兩列信號并實現數字調角，通過程控衰減器實現幅度調整。總體框圖如圖1所示，可實現的技術指標如下：頻率范圍為1Hz～1kHz，最小步長為1Hz，相角范圍為0°～360°，最小步長為0.5°，電壓有效值范圍為0～10V，調整的最小步長為0.01V。

1間接頻率合成器(IS)

在相角源系統中，時鐘信號fCLK的穩定是很重要的，無論是相角精度，還是信號的頻率穩定度都與fCLK有關。為了達到要求，我們選擇了32768Hz的晶體振蕩器產生基準信號，用定時/計數器8253以及CD4046鎖相環構成間接頻率合成器。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M=N×45(N=1,2,3,…，1000)于是，得到了fCLK=Mfr=N×45×16=N×720Hz。

2數字波形發生器

該部分電路由兩個可預置的720進制計數器，兩片EPROM，兩片DAC08320及運放等組成。電路如圖3所示，把一個周期的正弦信號按每0.5°劃分成720個點，對應的量化數據分別存放在兩片EPROM2716中，以兩個可預置的720進制計數輸出與兩片EPROM的地址線連接，用同一時鐘fCLK同時讀出兩片EPROM的數值分別送給兩路D/A轉換器產生兩列正弦波。通過對兩個地址計數器預置不同的初值，產生所需的相角，兩列正弦信號對應的頻率為上述分頻器中的N值。第1個計數器的置數端全部接地，設第2個計數器的預置初值為Z，可得v′01與v′02之間的相角為△φ=Z×0.5°，這兩個計數器用1片GAL器件實現。由于十進制數720轉換成二進制數后10位，而所用單片機為8位，我們用 74LS377，74LS74等實現了8位到10位數據的拼裝。0832接成直通型，第一級運放實現了電流到電壓的轉換，輸出電壓為0～-5V，第二級運放把單極性的0～-5V轉換成雙極性-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，只畫第一路，第二路與第一路相比只是程控衰減器的片選信號不同。在實際應用中往往需要輸出信號電壓的有效值可調，為此，我們用AD7520設計了程控衰減器，使輸出信號的電壓有效值從0～10V，以0.01V為步長可預置步進調整。由于=0.01V，可達到步長為0.01V的精度要求。8位單片機與10位AD7520之間需要接口轉換，可參考圖3中8位到10位數據拼裝的轉換電路。

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

4單片機最小系統及軟件流程

單片機最小系統構成如下：89C51單片機，鍵盤顯示專用芯片8279，譯碼器74LS154。軟件流程如圖5所示，由于篇幅所限，此處不再詳細介紹。需要說明的是，上述設計我們只討論了兩路信號，采用與第二路同樣的電路可以擴展第三路以滿足三相交流電路中儀表之用。お

參考文獻
1宋定華.單片機原理及接口技術.北京：電子工業出版社，2001.4
2江大川.多功能電度表的功能自動考檢系統.電測與儀表，2001.1