（电力电子与电力传动专业论文）智能化电力线载波阻波器滤波器测试仪的研制.pdf

奎堕盔兰堡主兰竺笙兰 a b s t r a c t p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nj st h ei n h e r e n t s p e c i a lm e a n so fe l e c t r i c i t ys y s t e m c o m m u n i c a t i o na n do t h e rm e a l o fc o m m u n i c a t i o nc a nn o tr e p l a c ei t i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t ot e s tt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h eh fb l o c k i n gw a v ed e v i c e sa n df i l t e r sp e r i o d i c l y t h i s d e v i c ec a na p p l yt ot e s tt h ep a r a m e t e r so f t h eh fb l o c k i n gw a v ea n df i l t e r si nt h es c e n eo f p o w e r l i n ec a l r i e rw a v ec o m m u n i c a t i o n t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h eb l o c k i n gw a v ea n df i l t e r s t e s t i n gd e v i c eb a s e do na r m m i c r o p r o c e s s o r s 1 1 l i sd e v i c eh a st h er u c t i o no fd a t ad i s p l a ya n ds a v e i n g t e s t i n gm o d ec h o i c e a u t o m a t i c a l l y i nt h ef i r s t o ft h i sp a p e r , r e s e a r c h i n ga n d 柏a l y 商n gp n c i p l e so fe q u i p m e n t t e s t i n g , at e s tm o d e li sh u i l d e d t h e n , t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e mc o n d u c t e dad e t a i l e d 晰e n n g t h e s ei n c l u d e ：m i c r o p r o c e s s o rc h o i c e , h i g h - p e r f o r m a n c ea r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r c o n s t r u c t i o n , f i l t e r sd e s i g na n dc o m m u t a t i o nc i r c u i t sc h o i c e ，l c dd i s p l a ya n dk e y b o a r dd e s i g n ， p r i n c i p l eo fa u t o m a t i ce m e n d a t i o n ， u s bi n t e r f a c e sp r e s e n t a t i o n ，e t e u s i n gm o d u l a rs o f t w a r e d e s i g nm e t h o d s p r o v i d i n gam o d u l a rs y s t e md e s i g nf l o wa n dt h ed r i v i n gp a r to ft h es o f t w a r e f i n a l l y ，u n d e rt h es y s t e mt e s te n v i r o n m e n tm a k ea g a i n s te l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n d i n t e r f e r e n c ed e s i g n t h ea r t i c l ep r o v i d e sas u m m i n g - u pa n ds o m ep r o p o s e st of u r t h e rs t u d yi nf i n a lo f t h ep a p e r 【k e y w o r d s 】p o w e rl i n e c a r r i e rw a v e c o m m u n i c a t i o n s b l o c k i n g w a v ea n d f i l t e r s ，a r b i t r a r yf r e q u e n c yg e n e r a t o r ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名； 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：白竺虹l 导师签名：期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电力线载波通信作为电力系统固有的特殊通信方式，其投资省、见效快、能随电喇一次 网络建设同步延伸的简捷而实用特点，是其他通信手段所不可替代的。载波通信在支线和 地区、县( 市) 级电网及边远变电所小容母通信中有很强的适应性，在干线上可作为光纤或微 波等大容量通信的备用方式。随着电力载波设备逐步向数字化、微机化发展。在有效带宽内， 其通信容量、传输速率将大为提高，是复用调度电话，自动化远动和高频保护信息的理想通道 之一电力线载波通信是利用输电线路作为传输媒介，在发电厂变电所和开关站传送调度电 话，以及在被保护的输电线路两端间传输保护和安全自动装置信息等。 电力线载波通信的实现，首先要解决与高电压的隔离，免服输电线路固有的噪声、输电 线路故障、电力设备的操作等对载波信号传播的影响。因此，对电力线载波除加大电力线 载波机的功率外，还要在电力线上安装线路阻波器：从线路上引下载波信号时，要应用包括 耦合滤波器在内的结合滤波器等设备。 1 2 论文研究的背景意义 实际情况证明，高频载波通信中的故障主要是载波通道结合设备的不正常工作引起的， 因此，保证载波通道设备的完好性是载波通信可靠t ：作的前提。阻波器和结合滤波器是载波 通道中的重要组成部分。高频阻波器和结合滤被器在强大的i ：频电流f 1 = 作还可能会受到 恶劣天气的影响，因此会造成其内部元件的击穿、放电、烧坏等现象。所以定期对高频阻波 器和结合滤波器进行性能参数测试显得尤为重要。 长期以来，我国使用的阻波器、结合滤波器测试仪器主要有：电平振荡器，毫伏表，时 问测量仪等。主要是采用手工方式进行操作和计算，不能完成全面的测试任务。其主要问题 表现为：( 1 ) 测试精度低，用手工的测试方法会造成一定的误差。 ( 2 ) 不便于数据处理和 信息的管理与查询。( 3 ) 测试结果不直观，无法自动以曲线表示。( 4 ) 测试时间跃。随着 电网的扩大和电力自动化水平的不断提高，这种工作方式已越来越落后。科技的发展和市场 的要求都需要能快速实现高频阻波器、结合滤波器自动测试并能自动处理测试数据的仪器。 近年来，随着微机和电子技术的快速发展，一些科研单位和生产厂家对此作了一些研究 并推出了一些新的产品。这些新产品中采用了一些新技术。但局限于当时的电子技术，都有 一些不足。如系统集成化、自动化程度低，存储和数据管理不方便等。 1 3 本文研究系统的主要设计功能和技术指标 1 3 1 系统的主要设计功能 1 实现在电力线载波频段内仪器能以扫频或者点频方式实现各种参数的测试。 2 系统具备键盘输入起始测试频率、测试步长、选择测试种类，自动切换标称阻抗的 输入和耦合电容的输入功能。自动切换测试种类。 东南大学硕士学位论文 3 系统的自校正。 4 大屏幕液晶显示操作界面、测试数据、显示测试曲线及以往数据查询功能。 5 铡试数据具备u 盘存储功能。 6 日历时钟自动显示，并能自动存储测试时间。 7 电压检测报警功能。 1 3 2 系统的技术指标 1 阻波器测量阻抗和电阻分鼍的范围：3 0 欧姆5 千欧姆。 2 滤波器线路侧和电缆侧回波损耗测争的范围为：o d b 4 0 d b 。 3 滤波器工作衰减的测量范围为：o d b 1 2 d b 。 4 需要的电缆侧标称阻抗7 5 ( 不平衡) 1 0 0 ( 平衡) 欧姆，线路侧标称阻抗2 4 0 、3 0 0 、 3 2 0 、4 0 0 欧姆和耦合电容3 3 0 0 、3 5 0 0 、5 0 0 0 、7 5 0 0 、1 0 0 0 0 p f 任意选择。 1 4 本文研究的主要内容 基于删的处理器芯片以其优异的性能和不断降低的价格优势，在智能检测设备中很多 方面中得到了越来越广泛的应用，所以本文的研究目的是结合a 聃芯片的应用，研制阻波器 滤波器测试硬件平台，以及在这种硬件平台中所采用的软件设计。 为此，本文主要工作如下。 i 设计基于a r m 的阻波器滤波器测试装置的硬件平台。包括单片微机系统、信号输入部 分、人机接口部分、数据调理部分、u 盘存储部分等。 2 分析阻波器阻抗、滤波器回波损耗和工作衰减的测试原理，寻求能够对阻波器滤波器 的精度比较高的测量方法。 3 任意频率一定幅值的波形发生器的构造。信号质量将直接影响测试装置的性能指标。 4 设计基于a r m 的整体测试软件，完成系统测试工作。 5 在系统的硬件和软件中采取有效的抗干扰措施，选择提高满足电磁兼容性的方法。 2 第一= 章系统的测试原理分析 第二章系统测试原理分析 对阻波器、结合滤波器的高频特性检查，在实际应用中常采用测试阻波器的阻塞阻抗以 及测量滤波器的回波损耗和工作衰减来判断好坏。 2 1 阻波器、结合滤波器 2 1 1 阻波器 阻波器是一个由电感线圈和可变电容器并联组成的高频谐振回路。它串联在电力线路始 末两端和分支线的分支点上用以减少变电站或分支线对高频信号的分流。并使通道衰耗均 匀，同时不影响工频电流通过。 2 1 2 结合滤波器 结合滤波器是连接电力线载波机和耦合电容器之间的设备。它与耦合电容器或与电容式 电压互感器和线路阻波器，通过高频电缆和高压输电线发送或接收电力线载波信号，实现传 输通道与电力线载波设备之间的阻抗匹配，实现高压设备与电力线载波设备之间的隔离，防 止电力电流串入电力线载波设备，保证运行人员的人身安全，为电力线载波信号传输提供很 小的插入衰减。结合滤波器与耦合电容器结合起来组成具有一定带宽的高通带通滤波器。虽 然耦合电容器具有耐高压的特殊要求而单独安装和特别命名，但是从原理上来说它是结合滤 波器电路中的一个元件，为此，习惯上常用结合滤波器的名称来代替结合设备的名称。图2 一l 为阻波器滤波器在载波通道中的位置。 臣冲55 擎瑁 。 i 二星蓑嚣叠；：二爱囊嘉翥； ：二蒡着，； 田2 1 高叛囊被面道树戚示意田 2 2 阻波器测试原理分析 对交流电力系统线路阻波器，根据国家标准g b 7 3 3 0 - - 8 7 的规定。其阻塞电阻与阻塞阻 3 东南丈学硕上学位论文 抗应在规定的频带内用电桥法测量。并规定，也可用能够保证测量精度的其它方法测量，这 些方法有电桥法、比较法、电压法等“1 。 2 2 1 电桥法 测量的接线如图2 2 所示，高频差接电桥的原理是。电桥平衡时应满足如下关系 z ( r z + j x z ) - z ( r o + j x o ) 即( r z + j x z ) = ( r o + j x o ) 当r z = r o 和x z = x o 时，r o 、c 0 便可由标准电阻箱和电容箱读出并按下式算出x z 和x o 的数值： x z = x o = l v d _ , o 2 2 - 2 比较法 图2 - - 2 电桥法 图中：f - - 振荡器r 一高频电阻箱p 一电平表d 一调谐元件 c 0 一可变电容l 一强流线圈 用比较法只能测量阻波器的阻抗模值。测量时，改变电平振荡器的频率在所测频率上 调整r 0 ，倒换开关k 的位置1 和2 ，仅电平表的读值p 1 和p 2 相等。则此时z z = r o 。此法 简单易行，且误差较小，缺点是不能测出阻抗的分量值。 2 2 3 电压表法 用电压表法测量时，指示表计可以用真空管电压表，超高频毫伏表或高频电平表等。 在测量时，改变振荡器的频率，在各所测频率上倒换开关k 伊置1 和2 ，逐一测出电压 u 1 和u 2 ，并用下式子算出阻抗值： z z = ( u 1 u 2 1 ) f , 2 2 1 2 4 系统阻波器测试方法模型的建立 上面分析了几种测试方法。其中电桥法测晕的精度决定于高频电阻箱和电容箱及导纳电 桥的精度，误差较小，一般在1 之内。比较法测量其精度主要决定于高频可变电阻箱的精 度，跨接其上的仪表内阻大小并不影响精度，因为仪表值是相对的，其值对测试准确性并无 意义。电压法测量是假定电压表输入阻抗为无穷丈推导出来。电压表法测量的误差与去谐电 阻r l ，测量电阻i i z ，阻波器阻抗z z 和电压表的输入电阻有关。测量电阻1 1 2 较小时( 如在 ，4 第二章系统的测试原理分析 1 0 0 欧姆以下) 误差影响不大。 l 田2 - 3 比较法测量图 朗中：r 1 一去谐电阻d 一调谐元停 f 一振荡器p 一电平表r 一标准可 变电阻 l - 图2 4 电压衰法测量田 圈中：i r 一券荡嚣d 一调谐元件p 一电 平表r 2 一测量电阻r 1 一去谐电阻 l 一聋流线圈 选择谐波较小的振荡器，可以将去谐电阻r 1 去掉。详细的误差分析参见文献 3 1 。 可知，采取一定的措施，采用电压法测量阻波器阻抗能达到较小的误差。根据以上分析，便 可以很方便的采用电压法测量阻波器阻抗。测试原理图如图2 - 5 。 圈2 5阻波器阻抗的测试 图2 - - 5 中，u 0 为振荡波形电压有效值。r o 为标准阻抗。根据测试阻波器实际，选择 7 5 欧姆或者1 0 0 欧姆。信号源输出信号u o 经标准电阻r o 后输入阻波器，在阻波器上的电 压为u 1 ，用下式计算可以得到阻波器输入阻抗z x ： z x = o l ( u o - 1 1 1 ) r o 图2 6 为阻波器阻抗的标准特性曲线。 图2 6 阻波器阻抗标准曲线 5 东南大学硕士学位论文 2 3 结合滤波器频率特性的测试原理 滤波器的测量一般都是采用电压表法。 2 3 1 滤波器回波损耗的测量原理 1 回波损耗即信号源阻抗与负载阻抗之间阻抗匹配性能( 这里指的是电力线载波机输 出阻抗与沿同轴电缆方向看去的输入阻抗之间的匹配性能) 。若同波损耗测试结果过低，则 意味着从信号源到线路存在不良的功率转移。在线路中，回波损耗应在载波机房内同轴电缆 出口处或结合滤波器的出口处测量，图2 - - 8 给出了相地结合滤波器的测量方法。对于结合 滤波器测量，实际上要将滤波器拆下测量。步骤如下： ( 1 ) 小心谨慎地将耦合电容器c o 或电容式电压互感器低压端子接地。 ( 2 ) 从耦合电容器或电容式电压互感器低电压端子处断开结合滤波器。 ( 3 ) 结合滤波器必须终接其标称阻抗。 典型的回波损耗测量曲线如图2 - - 7 ，将测量的特性曲线与标称特性曲线做比较，可以发 现结合设备内有无故障元器件。 图2 7 滤波器同波损耗标准曲线 目破揽失测量坼 删 l 图2 - - 8 相地耦合滤波器回波损耗测量方法 2 测试结合滤波器回波损耗的原理图如图2 9 。当负载阻抗匹配时，测量滤波器在 个频率点对应的输入阻抗，经计算后得到滤波器回波损耗。 6 第一章系统的测试原理分析 图2 9 滤波器电缆侧测蕈回波损耗 a r ( d b ) = 2 0 1 0 9 i ( r o + z i n ) ( r 0 一z i n ) i z i n = j l ( u o u i ) xr 0 式中，r o 为电缆侧标称阻抗，r l 为线路侧标称阻抗。z i n 为滤波器输入阻抗。u o 为电 缆侧振荡波形电压有效值。 2 3 2 滤波器工作衰减测量原理 1 图2 - - 1 0 为相地耦合测量滤波器衰减的测量方法。衰减过高或在几千赫兹内有几分 贝的起伏，则表示滤波器内有故障元器件。图2 1 0 为滤波器- 作衰减的标准特性曲线。 图2 一l o 滤波器工作衰减的标准特性曲线 怍荨三鄯 l 。l 。 图2 1i 滤波器相地耦合工作衰减的测试 2 图2 - - 1 2 为测量滤波器工作衰减的原理图。 7 东南大学硕 学位论文 图2 一1 2 滤波器_ 【= 作衰减测试 a c = 2 0 l o g ( 1 2 x u o ) ( r o ) ”一2 0 1 0 9 ( u 1 r 1 1 ” = 2 0 l o g u 0 ( 2 u 1 ) ( r 1 r 2 ) “ 其中r o 为电缆侧标称阻抗，r l 为线路侧标称阻抗c 为耦合电容，u 0 为电缆侧振 荡电压有效值，u 1 为线路侧检测电压有效值。 第三章系统的硬件结构 第三章系统的硬件结构 阻波器滤波器测试装置按照功能区别，同时兼顾使用、维护的方便，其硬件电路分为四 个部分，分别为主控制板，输入量输出龟板，键盘板，液晶板。主控制板提供数据运算、信 号控制、数据存储等功能。输入量输出量板主要完成信号的调理放大和标称电阻电容的切换。 键盘板用于控制操作方式和输入数字。液晶用来显示操作内容和测试结果。下面详细介绍各 个模块的硬件结构设计。 3 1 系统硬件整体结构 阻波器滤波器测试仪的系统的结构如图3 - - 1 所示： 时钟 埋一弛蓄一一信号 入 i 液晶l l 横 l 测 i 显示ri 报 i 输 r i 入 目制信开年牛+ 。 l p c 2 z l o 习 蝴号 一网 盐 i 接。p 对 件 t l 象 1 羽ar a 医习 u 盯0 鬣h 菇h 罱书r 叫盏姜矗意 图3 1 硬件结构框图 从总体上来看，测试仪系统由微处理器、存储嚣、信号输出单元、输入鼙检测单元、串 行通讯接口、滤波模块、整流模块等功能模块构成。下面具体讨论主要功能模块的设计思想 和控制原理。 3 2 控制器平台与存储器管理 3 2 1 控制器平台选取 微处理器采用菲利普公司生产的基于a 蹦的嵌入式处理器芯片l p c 2 2 1 4 ，它的结构框图 如图3 2 ： 其主要功能和性能指标如下： ( 1 ) 1 6 3 2 位a 跚7 微控制器。 ( 2 ) 1 6 k b 片内静态r a m 。2 5 6 k b 片内f l a s h 。 ( 3 ) 8 路l o 位a i ) 转换器，转换时间低至2 4 4 腿。 ( 4 ) 2 个3 2 位定时器，带4 路捕获和4 路比较通道、p 删单元、实时时钟( r t c ) 和看 门狗。 9 东南大学硕士学位论文 图3 2l p c 2 2 1 4 结构框图 ( 5 ) 向量中断控制器“i c ) ，可配置优先级和向量地址。 ( 6 ) 多达7 6 个通用i o 口。可使用9 个边沿或电平触发的外部中断管脚。 ( 7 ) 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每织的容量离达1 6 m b ，数据宽度为 8 1 6 3 2 位。多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准 j a r t 、高速1 2 c 总线( 4 0 0k b i t s ) 和2 个s p i 接口。 ( 8 ) 通过可编稃的片内锁相环( p l l ) 可实现最人为6 0m h z 的c p u 操作频率。 ( 9 ) 具有实时时钟功能。 可见，微处理器具有丰富的资源，考察系统需要完成的功能，需要的资源较多。i o 口 需要多达3 0 个。并且为了操作的快速和方便，采用总线方式。为了使用集成化高，调试方 便。可行的原则，采用基于a r m 的嵌入式芯片l p c 2 2 1 4 傲为处理器。 3 2 ，2 处理器存储器管理 l p c 2 2 1 4 的存储器映射管理包含几个不同的区域。片内1 6 l 【b 的静态r a m 和2 5 6 k b 的f l a s h 存储器。片内s r a m 可用作代码和或数据的存储。s r a m 支持8 位、1 6 位和3 2 位访问。l p c 2 2 1 4 集成了一个2 5 6k b 的f l a s h 存储器系统。该存储器可用作代码和数据的存储。对f l a s h 存 储器的编程可通过几种方法来实现。可通过串口进行在系统编程，也可以在应用程序运行时 进行在应用编程。这样为数据存储和现场固件的升级郝带来了极大的灵活性。当使用片内 b o o t l o a d e r 时，有2 4 8k bf l a s h 存储器可作用户代码使用。本文用片内2 4 8 k bf a l a s h 作 第三章系统的硬件结构 为程序代码的存放区。 4 o 翻 i 两 & 5 g b j i b 井幢 v p b * 嚣黼堆规囊弼 特。0 黑嫠赫般；蛙。 嚣臂照城窀河 1 6 k 7 节蜻内挣杂托 m 攘错慧琏登阿 2 5 6 k 7 蕾雕r i i 。 s “蠹储嚣l p c 麓1 4 j 1 2 8 k 字毋秘内n s | 瞬端嚣l p c 2 2 1 2 o c f f r = f f f f o x f 0 0 00 0 0 0 o x e f f ff f f f o 。c 0 0 0 c a o f f ff f f f 曲自0 o d o x t f f ff f f f 飘7 f f fe 0 0 0 蝌f f d f f f o 柚q 0 40 o 瓤军f f g x 4 0 0 0 c o c o o x 3 f f ff f f f c k 0 0 0 4 0 劢 血m f f f f 国o 2 0 o 曲彻1f f f f o x 0 0 0 0 0 啪 图3 3l p c 2 2 1 4 存储器映射 片外存储器映射地址o x b o o o o o o o o x 8 4 0 0 0 0 0 0 分为四个存储器组( b a n k o b a n k 3 ) 。 每组容量为1 6 m b ，带有字节定位使能控制。每个存储器组都支持s r a m 、r o m 、f l a s he p r 0 l l 、 b u r s tr o m 存储器或一些外部i 0 器件。每个存储器组的总线宽度可以通过外部静态存储器 控制器设置为8 、1 6 或3 2 位。外部静态存储器控制器是一个为系统总线和外部( 片外) 存 储器器件提供接口的功能模块。它可同时支持4 个可单独配置的存储器组的工作。引脚具有 与四个存储器组相对应的四个片选信号c s o e s 3 。低电平有效。在本文的设计中四个存储 器组的连接为下表 片选信号地址范围连接外部存储器或者外设 c s o0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 o x 8 0 f f f f f f 外扩f l a s h 存储器( s s t 3 9 v f i b o ) c s lo x 8 1 0 0 0 0 0 0 0 x 8 1 f f f f f f波形发生器( a d 9 8 5 0 ) c s 20 x 8 2 0 0 0 0 0 0 o x 8 2 f f f f f f u s e 接口芯片 c s 3o x 8 3 0 0 0 0 0 0 0 x 8 3 f f f f f f 液晶显示器 总线宽度的设定为：8 a n k o 为1 6 位宽度，其他b a n k i b a n k 3 都设置为8 位总线宽度 东南大学硕十学位论文 3 2 3 数据存储器扩展 系统外扩一片s s t 3 9 v f l 6 0f l a s h 存储器作为检测数据的存储。s s t 3 9 l f ，v f l 6 0 是 一个1 m 1 6 的c m o s 多功能f l a s h m p f 器件。s s t 3 9 l f ，v f l 6 0 具有高性能的字编稃功 能，字编程时间为1 4 u s 器件通过触发付或数据撑杏询位来指示编稗操作的完成为了防止意 外写的发生器件还提供了硬件和软件数据保护机制s s t 3 9 l f ，v f l 6 0 的1 0 ，0 0 0 个周期的耐 用性和大于1 0 0 年的数据保持时间使其可广泛用于设计制造和测试等应用中。结构框图如 图3 4 。 图3 4s s t 3 9 v f l 6 0 结构框图 s s t 3 9 v f l 6 0 与l p c 2 2 1 4 的连接采用1 6 位数据线，2 0 位地址线。其中，由于l p c 2 2 1 4 芯片1 6 位总线宽度的要求，s s t 3 9 v f l 6 0 的a o a 1 9 与l p c 2 2 1 4 的a i a 2 0 连接，在编稃时要进行移位。 片选信号与c s o 连接。s s t 3 9 v f l 6 0 的片内f l a s h 地址0 x 0 0 0 0 0 h o x f f f f f i l ，地址空间为 o x 8 0 0 0 0 0 0 0 h o x 8 0 0 f f f f f i 。 根据测试实际，在4 0 k 5 0 0 k 频率范围内，每隅l k 测试一个数据，最多有4 6 0 个数据。对数据 按确定地址分段依次存储。每组存储在2 k 字节范围内。共设有1 0 组数据存储区。如果测试数据 多于1 0 组，则按时间顺序覆盖最早的记录，并将序号更改。表3 2 为数据存储结构。表中数据 头部提供了类型，o o 为阻波器阻抗。0 l 为滤波器电缆侧同波损耗测量。1 0 为滤波器线路侧同 波损耗测量。l l 为滤波器工作衰减测量。数据的测试频段，即起始频率f s t a r t ，截止频率f e n d ， 步长a f 。日历时间由微处理器读取。电平测量保留一位小数。 3 3 任意频率发生器的构造 根据测试实际，需要将4 0 k 5 0 0 k 频率范围内的幅值一定的任意频率信号加到测试对象 上。要构造精度较高的频率发生器。 3 3 1 任意频率发生器构造比较 任意波形发生器( a w g ，a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ) 的构造方法大体可以分为三 种输出方式：d m a 方式波形输出、程序控制波形输出，直接数字合成输出。它们各有优缺 1 2 第三章系统的硬件结构 点。 序号 类型 日历时间( 7 字节) f s t a r t ( 4 字节) f e n d ( 4 字 节) a f( 2 - 7 - 节) 符号( d b ) i n _ 石畅矿 序号 类型 日历时间( 7 字节) f s t a r t ( 4 字节) f e n d ( 4 字 节) f( 2 字节) 符号 千百 十个 d b 数据阻抗数据 表3 2 数据存储结构 1 d m 方式波形输出 d 淞方式不依赖执行程序，由d 雌控制器发出控制信号，在存储器和i 0 接口之间直接 建立数据通道，完成存储器和d a 转换器间的数据传送。 d 姒方式输出波形，可大大提高波形数据点的输出速率。但同时存在一个问题。波形输 出期间，微处理器因为失去了总线控制权，无法完成其它需要总线的操作，可能处于闲置状 态。在一个d m a 操作中，d m a 控制器只能在一d a 转换器与存储器之间传送数据，很难实现 多数据通道的波形同时输出。 2 程序控制波形输出 在计算机上通过输入波形数据点或调用描述波形的函数表达式产生波形数据点，存入波 形存储器中。在微型计算机和控制电路的控制下，按一定的时间间隔将波形存储器中的波形 数据逐个传送给d a 转换器，输出具有一定幅值和频率的模拟信号。这种程序控制波形输出 方式存在以下一些问题。 数据的输出定时的不一致会使波形数据点输出间隔存在微小的差异，影响输出波形的频 率和相位。输出波形数据点需要依靠指令的执行，如果同时控制多个通道的信号输出，相邻 信号通道的数据点之间存在时间差。计算机的正常运行因频繁的定时中断而受到影响。受计 算机运行速度的限制，合成信号的频率较低。 3 直接数字合成( d o s ) 技术 将一系列数字量的信号存储于存储器中，在控制电路的协调控制下，地址发生器产生存 储器的地址，以一定的速率，依次将存储器单元中的波形数据逐个发送给d a 转换器，合成 为所需要的波形。这种技术有以下一些优点： 采用d d s 技术，与传统a w g 相比，频率切换速度快，频率控制容易。信号发生器结构简 一13 东南大学硕士学位论文 单，信号稳定度高，易操作、功能强，信号选择性良好。 基于以上的分析和比较，阻波器滤波器测试装置微处理器系统采用基于直接数字合成技 术的任意频率发生器构建方法。 3 3 2 基于d d s 技术的任意频率发生器 任意波形发生器系统采用a d 9 8 5 0 作为频率合成器。a d 9 8 5 0 可以工作在1 2 5 f l l z 的时钟 频率下。片内有高精度的d a 转换器和高速的比较器。3 2 位的频率转换字。可以提供串行接 口和并行接口。支持- t - 3 3 v 和+ 5 v 两种电压。本文采川3 3 v 电压供电。低功耗( 工作在 1 2 5 删z 时，功耗为3 8 0 m w ；工作在1 1 0 姗z 时，功耗为1 5 5 m w ) 。 a d 9 8 5 0 芯片输出的频率由公式 靠t = ta p h a s exc l k i n ) 才 决定。其中矗r 为输出频率，其单位为m h z 。ap h a s e 为3 2 位的转换字。c l k i n 是d d s 芯片 工作频率，系统使用8 0 删z 。 当c l k i n = 8 0 m h z 时，频率源的分辨力a 厶。 凡n = c l k i n 2 j 2 = o 0 i 8 6 h z r 箨e 哺 雅舛 图3 - - 5a 1 ) 9 8 5 0 复位时序图 系统设计的d d s 使用并行方式接口。a d 9 8 5 0 的复位时序和数据更新时序分别如图( 3 5 ) 与图( 3 6 ) 所示。 a i ) 9 8 5 0 的操作流程是这样的：在上电后首次对a d 9 8 5 0 进行操作时前，需要将a i ) 9 8 5 0 复位，以保证后续操作的有效性( 为保证复位成功这个时间应大于l u s ) | ；然后对a d 9 8 5 0 频 率数据寄存器进行更新，在5 个总线写操作周期中，将工作方式字w o 和频率参数w i w 4 让 m 且 f o , u d * 一n 几几几n 厂 厂 。几几 h 一t c f 一 一”至= 二二= 二二互二二二二二 匝画 黜管j 嚣豁焉瑞摇徽 嚣黠茹鼢缀 o l d 即e 0 4 雌s 自 哐艇o “雠 图3 6 d 9 8 5 0 数据更新时序图 依次写入a d 9 8 5 0 ，最后使f q _ u d 产生一个高电平脉冲( 对其地址进行一次写操作) ，经 过1 8 个工作时钟周期后a d 9 8 5 0 就输出所需要的频率信号。要注意的是a d 9 8 5 0 的们的低两 位有两个值用于生产厂商进行测试，用户应避免使用其特征值。为达到测试要求，a d 9 8 5 0 14 第三章系统的硬件结构 输出端为正弦波。为达到幅值一定的要求，在输出端并联可变电阻，将电流信号转为电压信 号。根据测试实际，输出正弦波电平有效值调整为6 d b 。w c l k 信号由一1 0 口信号和片选信 号c s i 或菲产生。当i o 输出和c s i 都为低电平时将数据送入a d 9 8 5 0 。 3 4 滤波器模块 围3 7a d 9 8 5 0 连接原理圈 由于现场测试环境恶劣，以及d d s 产生高频谐波影响测试精确性。因此系统要采取滤波。 3 4 1 滤波器的分类 滤波器可以分为： i l c 无源滤波器。滤波器由电感l 和电容c 组成的无源电抗网络。l c 无源滤波器有良 好的频率选择特性。损耗小，噪声低，灵敏度低其缺点是电媾元件体积丈，品质冈数低。 2 r c 无源滤波器。滤波器由电阻和电容c 组成。其优点是体积小，便于集成化。缺点 是损耗大。r c 无源滤波器通常只用于要求不高的场合。 3 r c 有源滤波器。滤波器件由有源器件，电阻r 和电容c 组成。r c 有源滤波器优点是 损耗小，性能好，体积也小。由于rc 有源滤波器具有一系列的良好的特性，是目前测控系 统中的主要的滤波形式。 4 由特殊元件构成的无源滤波。这类滤波器主要有压电陶瓷滤波器，晶体滤波器和声表 面滤波器等。这类滤波器多用于对单一频率的带通或者带阻滤波，其品质因数可以达到数 千至数十万，稳定性也高。但由于其品种系列有限，调整不便，仅能用于少数几个频点。 3 4 2 信号滤波器的设计 测试信号滤波是抑制噪声的主要方法，其任务是保证有用信号正常传递情况下，将噪声 衰减到对测茸的影响比较小的程度。在现场测试过程中，会受剑强电场的干扰。因此在电路 中需要一套滤波系统。由于实际干扰信号会受到很多冈素的影响，包括天气，电压等级、线 路结构，电力线的回数，导线表面粗糙度，是否有开关操作，被测器件的长度、大小及其切 割电磁场的方向，受干扰频带宽度等。而这些因素在实际测晕时几乎是不可能定量计算的。 因此只能用定性的方式来分析这个问题。针对干扰信号的特点，对多种滤波器做了分类比较。 包括模拟滤波器和数字滤波器、有源滤波器和无源滤波器、有源滤波器和开关电容滤波器， 无限增益多路反馈型滤波器和压控电压源型滤波等，最终选择了级连的模拟有源带通滤波器 15 东南大学硕士学位论文 作为设计方案。 1 有源滤波器设计方法 有源滤波器的设计方法主要有：公式法，归一化( 图表法) 计算机辅助设计法等。 ( 1 ) 公式法概念清晰明确，但计算比较复杂，工作量大： ( 2 ) 归一化法是长期以来工程上常用的方法。简单易行，但需要一套完整复杂的表格。 ( 3 ) 计算机辅助法可以在计算机的辅助下对集成滤波器辅助设计，可以得到有源滤波 器的各个元件的参数，并且可以利用计算机仿真得到滤波器的幅频和相频特性。这类软件中， 使用方便，效果好的是一些国际著名i c 公司推出的滤波器设计软件。如i l a x i m 公司，l i n e a r t e c h n o l o g y 公司等。集成滤波器的品种现在已经有很多。常用的芯片有l t c l 5 6 2 ，l t c l 0 6 2 ， m a x 2 8 0 ，w i x 2 9 3 ，l m f 4 0 等等。集成滤波器的设计比较方便，产品公司有专门的软件( 如 f i l t e r c a d 3 0 等) 进行辅助设计。但是这些集成的滤波器往往频率范嗣比较低，中心频率 一般在1 5 0 k 以下。 2 信号滤波器设计 根据以上分析，结合实际情况，最终选择采用归一化法设计信号滤波器。这种方法把所 有的有源滤波器的设计归结成截j r 频率为1 ( 角频率) 的低通滤波器的设计，然后通过一定 的规则把归一化的低通滤波器变换成最终所需要的使用滤波器。首先设计低通和高通滤波器 进行级连达到带通的目的。全极点归一化低通滤波器由图所示的般极点和三极点滤波节组 成。若滤波器阶数为偶数，采用n 2 个双极点。若n 是奇数，则利用( n 一3 ) 2 个双极点 和一个三极点节。运算放大器输出阻抗接近于零，因此可以级连起来。 笔p 葚罗 基本双极点节 基本三极点节 图3 8 基本极点图 为取得好的滤波效果，将4 0 k 5 0 0 k 的频率范围分为4 段。下面以其中一段4 0 k 1 5 0 k 说明设计方法下面设计4 0 k 1 5 0 k 三阶带通滤波器。把设计分解为低通和高通指标，分别 设计并把它们互不影响的级连起来。由于要求幅值在通频带内平坦，选择巴特沃斯响应函数。 n = 3 的巴特沃斯低通滤波器需要一个三极点节组成。查表可以得出c 1 = 3 5 4 6 f ，c 2 = l f3 9 2 f ，c 3 = 0 2 0 2 4 f “。电阻值均为i 欧姆。归一化高通滤波器是从低通滤波器导出。其 中每一电阻以i r 的电容取代，每一电容以1 c 的电阻取代。如圈3 - - 9 所示。 把低通和高通换算为所需要的截止频率和阻抗值。计算f s f ( f s f = 换算响应的参考频 率现有响应的参考频率) 低通：f s f = 2 兀x 4 0 0 0 0 = 2 5 1 2 0 0 高通：f s f = 2 n 1 5 0 0 0 0 = 9 4 2 0 0 0 选z = i 0 0 0 0 ，把所有电阻乘以z ，所有电容除以z x f s f 。其中f s f 各利用合适的低通 与高通值。最后得到的三阶带通滤波器如图3 一1 0 。 - l6 ， 第三章系统的硬件结构 怔点 蠢矗 图3 一1 0 三阶带通滤波器 为达到好的滤波效果，将上面的三阶带通滤波器进行两级相连，组成六阶带通滤波器。 滤波器的连接和仿真如下，采用m u l t i s i m 2 0 0 1 软件进行仿真的。仿真结果表明，在4 0 k 1 5 0 k 频率范围内，电平幅值在3 d b 内波动，满足要求。 图3 - - 1 1 六阶带通滤波器仿真图 东南大学硕上学位论文 3 4 3 信号源滤波器的设计 对于d d $ 产生的振荡波形，由于高频谐波的影响较大，根据前面所述的滤波器特点，决 定采用l c 无源低通滤波器。在5 0 0 k 频率以下，幅值不变。将高于4 2 m 的高频衰减。仿真图 如下。 3 5 整流电路模块 图3 1 2 振荡波形滤波器仿真图 信号采样回路是关键的一环，它决定系统控制的成败。如何处理采样进来的交流输入信 号使其准确反映外部设备的运行情况整流电路的精度起着至关重要的作用。 3 5 1 线性检波电路 最简单的检波电路为二极管检波电路。二极管具有单向导电性。它是最常用的整流元件 由它可以构成许多整流电路如半波整流、全波整流、桥式整流等，这是大家所熟知的但二 极管的非线性将产生相当大的误差，特别是当信号幅度小于二极管的死区电压时问题尤其 严重。因此说由二极管构成的整流电路精度较低。为了提高精度可以用运算放大器来组成 整流电路。利用集成运放的放大作用和深度负反馈克服二极管非线性造成的误差图3 1 3 就是由运算放大器组成的半波精密整流电路。 下面分析一下电路的工作情况： ( 1 ) 当叮 i v 时，频率上限高达姗z 。 3 电压范围宽，规定为3 v 1 8 v 。 4 输入端有过压保护电路，即使输入超范围，也不会烧坏芯片。 图3 1 5 为测量真有效值的电路。在电路中。采用了很多减小非线性的测量方法。 ( 1 ) 在芯片的前端，放置了远算放大器，对电压进行放大，避免小信号时线性失真。 ( 2 ) 加电位器r 7 3 ，用来当使输入为0 时，调整9 脚，使输出为0 ( 3 ) 输入1 v 的标准直流电压，调整r 5 8 使输出为i 0 0 0 v ，若输入为2 v 一的正弦波为输入电 压，则应输出0 7 0 7 v 直流电压。 图3 1 5 a d 6 3 7 连接原理图 一2e 。 第三章系统的硬件结构 3 6 量程自动转换模块 被采集的信号往往幅度过大或者过小，需要在a d 转换之前加放大器，才能得到较准确 的转换结果“。自调整增益模块可根据当前a d 转换的结果，用试探的方法，通过软件控制， 逐渐提高增益模块的放大倍率到合适的值。达到智能调整增益的效果。 一放大以前的模拟信号 的模拟信号卜 围3 1 6自调整增益模块工作原理 自调整增益模块的实现方案有三种：用程控仪表放大器实现，用d a 内部的反馈电阻网 络实现，自己搭电阻网络实现。 3 6 1 用程控仪表放大器实现 近年来，一些著名的模拟器件生产厂家，如a d ( a n a l o g d e v i c e ) 公司、b b ( b u r r - b r o w n ) 公司等都推出了一系列具有程控增益功能的芯片。 芯片名称公司可选的增益倍率 p g a l 0 2即公l 、1 0 ，1 0 0 司 p g a 2 0 3b b 公1 、1 0 、1 0 0 司 p g a 2 0 2 2 0 4髓公l 、2 、4 、8 司 a d 3 6 5 ( 带采样保a d 公1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 持)司 a d 5 2 4a d 公l 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 司 a d 7 5 d 6 8 ( 8 通道)a d 公1 、