基于单片机的工频相角源

0概述

具有一定相位差的两列正弦信号(简称相角源)，在电力系统各种计量仪表的自动化校验与继电保护中使用的继电器的检验电源等领域中有着广泛的使用，为此，我们设计了一种工频相角源，该相角源的设计方法也是目前国内外电力系统及其他一些行业正积极推广的新技术，它以单片机为控制核心，通过间接频率合成器 (IS)改变信号的频率，通过数字波形发生器产生两列信号并实现数字调角，通过程控衰减器实现幅度调整。总体框图如图1所示，可实现的技术指标如下：频率范围为1Hz～1kHz，最小步长为1Hz，相角范围为0°～360°，最小步长为0.5°，电压有效值范围为0～10V，调整的最小步长为0.01V。

1间接频率合成器(IS)

在相角源系统中，时钟信号fCLK的稳定是很重要的，无论是相角精度，还是信号的频率稳定度都与fCLK有关。为了达到要求，我们选择了32768Hz的晶体振荡器产生基准信号，用定时/计数器8253以及CD4046锁相环构成间接频率合成器。电路图如图2所示。8253的T1作为固定的2048分频器，则fr=32768÷2048=16Hz，T2用作可编程分频器，分频系数M=N×45(N=1,2,3,…，1000)于是，得到了fCLK=Mfr=N×45×16=N×720Hz。

2数字波形发生器

该部分电路由两个可预置的720进制计数器，两片EPROM，两片DAC08320及运放等组成。电路如图3所示，把一个周期的正弦信号按每0.5°划分成720个点，对应的量化数据分别存放在两片EPROM2716中，以两个可预置的720进制计数输出与两片EPROM的地址线连接，用同一时钟fCLK同时读出两片EPROM的数值分别送给两路D/A转换器产生两列正弦波。通过对两个地址计数器预置不同的初值，产生所需的相角，两列正弦信号对应的频率为上述分频器中的N值。第1个计数器的置数端全部接地，设第2个计数器的预置初值为Z，可得v′01与v′02之间的相角为△φ=Z×0.5°，这两个计数器用1片GAL器件实现。由于十进制数720转换成二进制数后10位，而所用单片机为8位，我们用 74LS377，74LS74等实现了8位到10位数据的拼装。0832接成直通型，第一级运放实现了电流到电压的转换，输出电压为0～-5V，第二级运放把单极性的0～-5V转换成双极性-10.242V～10.242V，有效值为10.24V。

3程控衰减器

该部分电路如图4所示，只画第一路，第二路与第一路相比只是程控衰减器的片选信号不同。在实际应用中往往需要输出信号电压的有效值可调，为此，我们用AD7520设计了程控衰减器，使输出信号的电压有效值从0～10V，以0.01V为步长可预置步进调整。由于=0.01V，可达到步长为0.01V的精度要求。8位单片机与10位AD7520之间需要接口转换，可参考图3中8位到10位数据拼装的转换电路。

图中低通滤波器的作用是滤除波形中的小台阶，功率放大器的作用是提高该信号源的带负载能力，关于功放电器已有很多电路可供选用，此处不再赘述。

4单片机最小系统及软件流程

单片机最小系统构成如下：89C51单片机，键盘显示专用芯片8279，译码器74LS154。软件流程如图5所示，由于篇幅所限，此处不再详细介绍。需要说明的是，上述设计我们只讨论了两路信号，采用与第二路同样的电路可以扩展第三路以满足三相交流电路中仪表之用。お

参考文献
1宋定华.单片机原理及接口技术.北京：电子工业出版社，2001.4
2江大川.多功能电度表的功能自动考检系统.电测与仪表，2001.1