（电力系统及其自动化专业论文）基于dsc的数控电流源的研究与实践.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q t i i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ha n da c h i e v e m e n to fn u m e r i c a l c o n t r o l l e dc u r r e n ts o u r c eb a s e s do nd s c c a n d i d a t e ：y u c h e nc h a n g s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 11 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f e l e c t r o n i c sa n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n g m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f q i y ig u o m a r ，2 0 10 i i 学吖大腑冈砌 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， ?同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 霉 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 一躲啤参臣 加扣年d 护f 弓日 i v l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 甚阻 加卜年d 弓月侈日 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来，随着新型低压电器一控制与保护开关( c p s ) 的发展，其对测试设 备的要求也与日俱增，本论文所介绍的电流源主要应用于浙江中凯公司k b o 系 列控制与保护开关，应用本论文介绍的电流源可以构造一台功能丰富的测试台。 目前在国内，完全包括过载、过流、欠压、欠功率等功能的测试设备暂无， 且现有测试设备中的三相电流源有多项不足：电流幅值太小、三相电流幅值稳 定度和调节精度低、电流相位稳定度和调节精度低、频率不可调、输出功率增 大时输出波形失真等。 针对上述问题，本文首先分析了传统电流源产生装置的现状和不足，然后 提出了一种采用d s c 芯片的新型智能三相电流源。该电流源通过d s c 芯片产生 三相p w m 波，经过模拟低通滤波器滤波后产生正弦波，再由功率放大器放大输 出大电流，为保证输出精度，电流源输出部分增加反馈处理。 本设计包括具体的硬件电路设计和软件编程的实现，并从硬件和软件上提 高了整个系统的抗干扰性能。该电流源具有简明、实用的人机互动界面，可以 方便的进行各种参数的设定和显示。 关键词：测试设备，d s c 芯片，智能三相电流源，人机互动界面 一一! 垒翌舀! 望翌i 旦! ! i 丝! 堕垒塾皇! q ! 垒i ! 旦! 旦p 垒y 垒垒墅堕箜! a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，谢t ht h ed e v e l o p m e n to fc p s ，i t s d e m a n d i n go nt h et e s t e q u i p m e n ti sa l s og r o w i n g t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ec u r r e n ts o u r c ei sm a i n l yu s e di n z h e j i a n gz h o n gk a i sk b os e r i e sc o n t r o la n dp r o t e c t i v es w i t c h t h ea p p l i c a t i o n o ft h i sc u r r e n ts o u r c ed e s c r i b e di nt h i sp a p e rc a nc o n s t r u c taf e a t u r e r i c ht e s tb e d h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gt e s te q u i p m e n ti nt h et h r e e p h a s ec u r r e n ts o u r c e sh a v ea n u m b e ro f i n a d e q u a t e ：t h ec u r r e n ta m p l i t u d ei st o os m a l l ，t h es t a b i l i t ya n dr e g u l a t i o n o fp r e c i s i o no ft h et h r e e p h a s ec u r r e n ti nt o ol o w , t h ec u r r e n tp h a s eo fs t a b i l i t yi st o o l o w , t h ef r e q u e n c yi sn o ta d j u s t a b l e ，t h eo u t p u tw a v e f o r md i s t o r t sw i t ht h eo u t p u t p o w e ri n c r e a s i n g ， t os o l v et h ea b o v e p r o b l e m s ，t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h es t a t u sa n d d e f i c i e n c i e so ft h et r a d i t i o n a lc u r r e n ts o u r c e g e n e r a t o r , a n dt h e np r e s e n t san e w c u r r e n ts o u r c eb a s e do nd s c c h i p t h ec u r r e n ts o u r c eg e n e r a t e st h r e e - p h a s ep w m w a v et h r o u g ht h ed s c c h i p ，a n dt h e np a s s e st h el o w - p a s sf i l t e rt og e n e r a t et h r e es i n e w a v e ，a n da tl a s tp a s s e st h r o u g ht h ep o w e ra m p l i f i e r ，i no r d e rt oe n s u r et h eo u t p u t a c c u r a c yo f t h et h ec u r r e n ts o u r c e ，t h eo u t p u tp a r ti n c l u d e st h ef e e d b a c k p r o c e s s i n g t h ed e s i g ni n c l u d e ss p e c i f i ch a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f s o f t w a r ep r o g r a m m i n g , a n di n c r e a s e si t sa n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l e s y s t e m t h ec u r r e n ts o u r c eh a sas i m p l e ，p r a c t i c a lm a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c e y o uc a ne a s i l ys e tt h ev a r i o u sp a r a m e t e r sa n dd i s p l a y k e yw o r d s ：t e s te q u i p m e n t ，d s c ，i n t e l l i g e n tt h r e e p h a s ec u r r e n ts o u r c e ， h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e r f a c e i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 控制与保护开关( c p s ) 简介l 1 3 测试设备在国内外的研究现状及其发展动态1 1 4 本课题研究的目的与意义2 1 4 1 传统测试用大电流源存在的缺点与不足2 1 4 2 智能型数控电流源产生装置研究的意义3 1 5 本文研究的主要内容。4 第2 章关键技术研究5 2 1d s c 芯片介绍5 2 1 1d s c ( 数字信号控制器) 与单片机、d s p 的异同5 2 1 2d s p i c 3 3 f 系列数字信号控制器芯片特点6 2 2 三路p w m 波的产生8 2 2 1 传统数控电流源的实现方法及其不足8 2 2 2 本系统采用方案9 2 3 模拟低通滤波器技术研1 0 2 3 1 模拟低通滤波器概述1 0 2 3 2 模拟低通滤波器设计1 0 2 4 信号采集处理技术研究1 3 2 4 1 信号采集系统的组成1 4 2 4 2 采样定理1 5 2 4 3 直流采样与交流采样1 5 2 4 4 信号采集技术的发展特点1 6 2 4 5 有效值计算及牛顿迭代法1 6 2 5 软硬件抗干扰措施1 7 2 5 1 硬件抗干扰措施1 8 2 5 2 软件抗干扰措施1 9 2 6 本章小结2 0 第3 章数控电流源的硬件设计2 1 3 1 设计指标概述2 1 3 2 硬件设计方案2 1 3 2 1d s c 芯片选型依据2 l 3 2 2p w m 波形生成部分2 2 3 2 3 正弦波生成电路2 3 1 1 1 同济大学硕士学位论文目录 3 2 4 功率放大电路2 4 3 2 5 电流采样电路2 6 3 2 6 频率采集电路2 7 3 2 7 人机交互界面2 8 3 2 8 通信电路3 2 3 3 本章小结，3 6 第4 章数控电流源的软件设计3 7 4 1 软件设计方案3 7 4 2 软件设计及实现r 3 8 4 2 1 开发环境3 8 4 2 2p w m 波产生部分3 8 4 2 3 电流、频率采集及反馈处理算法部分3 8 4 2 4 人机交互界面部分3 9 4 2 5m o d b u s 通信部分4 2 4 3 本章小结4 7 第5 章总结与展望4 9 5 1 总结4 9 5 2 展望4 9 致谢5 l 参考文献5 3 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果5 5 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 现今数字化低压电器正蓬勃发展着，智能低压电器大量涌现【l l ，这些智能低 压电器实现的功能越来越丰富，使得其测试设备日渐复杂，有时一个产品的功能 验证需要多台测试设备才能完成。同时各类智能电器的性能也越来越高，这使得 其对测试设备的性能要求也与日俱增。 低压电器测试是保证产品质量与可靠性的重要手段，也是改进产品设计的重 要途径。本文介绍的电流源主要应用在浙江中凯公司生产的k b o 系列控制与保护 开关( c p s ) 的产品测试中，应用本文研究和实现的数控三相电流源可以构造一 台具有功能齐全、精度高、稳定度好、结构简单、操作方便、成本低廉、带载能 力强等优点的控制与保护开关相配套的测试设备，对k b o 所要实现的过载、过流、 三相不平衡的功能保护进行测试，弥补了原有测试设备的各项不足。 1 2 控制与保护开关( c p s ) 简介 控制保护开关( c p s ) 是2 0 世纪8 0 年代后期国际上出现的一种新型电器， 在单一结构形式的产品上实现集成化的、内部协调配合的控制与保护功能。c p s 是一种新型多功能集成电器，c p s 将断路器、接触器、热继电器以及隔离器的功 能融为一体，汇集了分立元器件的优点并克服其缺点。具有控制与保护自配合、 短路后连续运行、分断能力高、飞弧距离小、寿命长、操作方便、附件多等优点。 c p s 的主要特征为：在单一结构形式的产品上实现集成化的、内部协调配合 的控制与保护功能，能够替代隔离器、断路器( 熔断器) 、接触器、热继电器、起 动器等多种传统的分离元器件，且可以远距离自动控制与就地人力控制兼有的 方式进行操作，实现对电路的控制。这种模块化的单一结构型式的多功能低压电 器产品应用在电控系统中，减少了线路中所需的元件品种、规格、数量，很好地 解决了各电器之间的协调配合问题，体积小，功能全，可靠性高，短路分断能 力高，由于其汇集了分离元器件的优点，为低压配电与控制系统的简化提供了一 种理想的基础元件弘j 。 1 3 测试设备在国内外的研究现状及其发展动态 同济大学硕士学位论文基于d s c 的数控电流源的研究与实现 测试仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测，其中激励仪器主要是各类 信号发生器。在8 0 年代以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电 感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。1 9 8 0 年以后， 数字技术日益成熟，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从 。一个频率基准由数字合成电路产生可变频率信号【3 】。 传统的信号发生器是一种简便的仪器，通常只有二种主要的控制一可变频率 与幅度。它不能产生现在所需要的多种信号。现代器件或系统的测试与鉴定常常 需要复杂的激励信号，而在许多情况下甚至需要精确定时的激励源，并非简单的 正弦波或方波所能满足简单的信号发生器，已经大量的被h e w l l e t t p a c k a r d 和h p e s g d 系列数字调制信号发生器之类的仪器所取代 4 1 。 近年来，国内虽然出现了一些数字化电流源，但其功能上都存在着或多或少 的缺点，虽然也有一些高精度的数字式电流信号源，但也只是在小电流范围内， 而本论文所研究的大电流信号源是针对低压电器测试设备所需要的三相大电流 源信号进行研究。 1 4 本课题研究的目的与意义 1 4 1 传统测试用大电流源存在的缺点与不足 目前市场上绝大多数测试设备的大电流回路是按图1 1 的原理设计而成。图 中t 。自耦调压器直接从市电电网取得电源，用t 2 低压大电流变压器提供试验电 流。试品s 接入低压大电流回路，采用晶闸管作为选相合闸器件，接在t 。的一次 侧。采用电流互感器测量电流，并采用峰值电流表测出测试过程中的最大电流。 如果电流波形是完全的正弦的，那么按正弦波最大值与有效值的关系可求出电流 有效值【5 培l 。遗憾的是，这种方案产生的电流波形有四个致命缺陷：( 1 ) 受制于 市电电网的稳定性很难达到高稳定性；( 2 ) 通过调压器t 。进行调节很难做到高精 度；( 3 ) 非线性元件晶闸管的介入使得波形失真度大；( 4 ) 这种方案很难对三相 电流波形进行相位控制和频率控制。 2 第1 章绪论 图1 1 测试设备用电流源原理图 1 4 2 智能型数控电流源产生装置研究的意义 s 数字信号控制器( d s c ) 是一种集微控制器( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 专 长于一体的新型处理器。与m c u 一样，d s c 具有快速中断响应、提供面向控制的外 设( 如脉宽调制器和看门狗定时器) 、用c 编程等特性。d s c 还集成了诸如单周期乘 累加( m a c ) 单元、桶式移位器( b a r r e ls h i f t e r ) 和大的累加器等功能。 通过d s c 数字处理芯片产生的电流源具有精度高、输出稳定性高、操作方便、 自动化程度高等优点。 与传统的模拟电流源相比，数字电流源不存在模拟电源中常见的误差、老化 ( 包括模拟器件的精度) 、温度影响、漂移、补偿等问题，无须调谐、可靠性好、 可以获得一致、稳定的控制参数 9 1 ；更易于实现非线性控制( 可改善瞬态响应能 力) 和多环路控制等高计算法，更新固件即可实现新的拓扑结构和控制算法，更 新参数也无须变更板卡上的元器件。 数字控制还能让硬件平台重复使用，通过设计固件即可满足各种最终系统的 独特要求，从而加快产品上市，减少开发成本、元器件库存与风险。 由于采用了数字式电流源，使k b 0 的配套测试设备与传统测试设备相比，具 有不可比拟的各种功能，它的特点主要如下几个方面： 1 ) 采用数字方式实现电流源的控制，可编程、优良的响应特性和数字环路 控制是其三个主要的特征。 2 ) 工作特性稳定，精度高，基本上不存在分散系数。 3 ) 基于d s c 芯片产生的三相电流源具有恒流性质，幅度、相位可调。 4 ) 利用d s c 芯片生成p w m 方波，经过低通滤波、放大电路产生所需电流源， 通过硬件闭环、软件闭环、软件实时积分、实时滤波的方法，锁定输出电流，从 而保证输出电流的精度和稳定度。 同济大学硕士学位论文基于d s c 的数控电流源的研究与实现 1 5 本文研究的主要内容 数字电流源中实现的功能比较多，相应包含的技术无疑是复杂的，为实现高 精度智能型数控电流源，本文所做的研究如下： 、，1 ) 首先介绍了测试设备的发展现状，传统测试用电流源的不足以及研究智 摹能型数控电流源的意义。鼙 2 ) 为实现高精度数控电流源，本文主要研究的关键技术如下：d s c 芯片介 绍、三相低频正弦波信号产生、模拟低通滤波器、信号采集技术，功率放大电路、 软硬件抗干软措施。 3 ) 设计满足系统功能需求的硬件电路，主要包括三路正弦波发生电路、正 弦波滤波电路、d s c 及其外围电路、电流及频率采集电路、功率放大和升流器电 路、按键及液晶显示电路、通信电路等。 4 ) 为了满足系统功能需求，利用c 语言编写软件。 4 第2 章关键技术研究 第2 章关键技术研究 本章将分别介绍数控电流源研究过程中的五项关键技术：d s c 芯片选型、三 路p w m 波的产生、模拟低通滤波器、信号采集技术、软硬件抗干扰措施。 2 1d s c 芯片介绍 数字信号控制器( d s c ) 平台将微控制器( m c u ) 综合控制外设和简便易用与 一流的d s p ( 数字信号处理) 技术的处理能力与经济性相结合 9 1 。既可以利用d s p 强大的数字信号处理能力，满足信号产生、滤波及反馈处理、相位幅值调节等方 面的要求，又可以利用m c u 控制功能的优点，满足设备的人机互动以及通信方 面的要求。 本小节主要介绍d s c 与单片机以及d s p 的异同、以及d s p i c 3 3 f 系y t j d s c 特点。 2 1 1d s c ( 数字信号控制器) 与单片机、d s p 的异同 单片机也称为微控制单元( m c u ) ，它在一块芯片上集成了c p u 、r a m 、 r o m ( e p r o m 或e e p r o m ) 、时钟、定时计数器、多种功能的串行和并行i o i 。 除了上述基本功能外，有的还集成有a d 、d a 功能模块。概括起来说，单片机 具有以下特点： 1 ) 有位处理能力，强调控制和处理功能； 2 ) 价格低廉。如低档的单片机价格只有几元人民币； 3 ) 开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多； d s p 是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( 数字信号处理器) 的缩写，它是一种特别适合 进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用为：实时快速地实现各种数字信 号处理算法，如对声音、图像等数字信号进行处理。d s p 芯片一般都具有程序和 数据分开的总线结构、流水线操作功能使取指令和译码以及执行等操作可以重叠 执行、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集，这就 使得其具有快速进行乘法和加法运算、适用于高速数字信号处理的功能，它的出 现使得数字信号处理技术从理论研究进入到实际应用阶段，不仅如此d s p 芯片还 具有以下特剧l o j ： 1 ) 可程控，可以只设计一个硬件配置，然后设计各种软件来执行多样的信 号处理任务； 同济大学硕士学位论文基于d s c 的数控电流源的研究与实现 2 ) 稳定性好，没有温漂、时漂； 3 ) 可重复性好； 4 ) 易于实现自适应算法； 5 ) 基于大规模的集成电路； 6 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； 零 7 ) 可以并行执行多个操作。 这些特点使得d s p 处理器可以实现快速的数据运算，并使大部分运算( 例如 乘法) 能够在一个指令周期内完成。由于通用d s p 芯片是软件可编程器件，因此 具有一般微处理器所具有的方便灵活的特点。当然，与通用处理器相比，d s p 芯 片的其他通用功能相对较弱些。针对这些弱点，近年来各大d s p 公司竞相推出了 d s p 控制器。如t i 公司，a d i 公司和m o t o r o l a 公司等。 确切的说，d s p 控制器也叫数字信号控制器( d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r ) 臣p d s c ， 它具有比片机更快的速度和通用d s p 处理器更强的控制能力。d s c 采用改进的哈 佛结构，具有独立的程序和数据存储空间，允许同时存取程序和数据。内置高速 的硬件乘法器，增强的多级流水线，使d s c 器件具有高的数据运算能力。此外， d s c 器件提供了j t a g 接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便开发 工具可实现全空间仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编、c 编译器、c 源 码调试器。 从以上比较可见，d s c 实际上也是一种具有高速数据处理能力可的单片机。 它不但具有一般单片事物密集型的特点，而且使单片机拥有了d s p 的运算密集型 的强大的数据处理能力。d s c 又有别于的单片机，它采用了多组总线技术实现 并行运行机制，从而极大地提高了运算速度，也提供了非常活的指令系统。近些 年来。各种d s c 的性能不断得以改进，相应的软件和开发工具日臻完善，价格大 幅下降，使得d s c 在控制领域的应用愈来愈广泛。 随着d s c 性能的不断改善，用d s c 器件进行实时处理已成为当今技术发展的 一个新热点。d s c 技术不断完善，各种d s c 器件的不断推出，将为实时数字信号 处理的应用创造前所未有的广阔空间。 2 1 2d s p i c 3 3 f 系列数字信号控制器芯片特点 为了缩小单片机同d s p 之间的性能差异，方便用户将单片机功能转移至u d s p 上，美国微芯科技公司( m i c r o c h i pt e c h n o l o g y ) 推出t d s p i c 系列数字信号控制 器( d s c ) ，拥有很高的性价比。它既有1 6 位闪存单片机的高性能，又兼有数字 信号处理器的计算能力和吞吐能力。以1 6 位单片机位为核心的d s p i c 数字信号控 6 第2 章关键技术研究 制器，不仅具有功能强大的外围设备和快速的中断处理能力，而且融合了可管理 高速计算活动的数字信号处理器功能，堪称嵌入式系统设计的最佳单芯片解决方 案，也是1 6 位单片机和d s p 领域的最佳选择。 d s p i c 3 3 f 系列数字信号控制器的运算速度最高可达3 0 m i p s ( 4 5 5 5 v ， - 4 0 - 8 5 度时) ，配备自编程闪存，并能在工业级温度( - 4 0 n 8 5 度) 和扩展级温 度( 一4 0 至! u 1 2 5 度) 范围内工作。这些卓越的性能使数字信号处理器成为需要更高精 度、更高转速的无传感器的电机控制应用领域的理想解决方案。除了电机控制以 外，d s p i c 系列数字信号控制器还可以应用在网络连接，语音和音响、电源变换 和监视、传感器控制以及汽车电子等领域。 d s p i c 3 3 f 系列是m i c r o c h i p 公司推出的高性能1 6 位数字信号控制器，它有以 下一些资源和性能： ( 1 ) 改进的高性能r i s cc p u ： 改进的哈佛架构； 优化的c 编译器指令集架构； 灵活的寻址模式； 8 3 条基本指令； 2 4 位宽指令总线和1 6 位宽数据总线； 最高4 8 k b 的片上闪存程序空间； 2 k b 的片上数据r a m ； 1 k b 的非易失性数据e e p r o m ； 1 6 x1 6 位的工作寄存器阵列； 运行速度最高为3 0 m i p s ； 最多3 3 个中断源； ( 2 ) d s p 特性： 双数据取操作； 模寻址和位反转寻址模式； 两个带可选饱和逻辑的4 0 位宽累加器； 1 7 x1 7 位单周期硬件：整数d , 数乘法器； 所有d s p 指令均为单周期指令：乘法累加运算； 单周期左移和右移1 6 位； ( 3 ) 外设特性： 高灌拉电流i o 引脚：2 5 m a 2 5 m a ； 最多五个1 6 位定时器计数器； 最多4 个1 6 位捕捉输入功能； 7 同济大学硕士学位论文基于d s c 的数控电流源的研究与实现 最多4 个1 6 位比较p w m 输出功能； 3 线s p i 模块( 支持4 帧模式) ； 1 2 c 模块支持多主机从动模式和7 位1 0 位寻址； 最多两个带f i f o 缓冲器的可寻址u a r t 模块： 兼容c a n 2 0 b 标准的c a n 总线模块； ( 4 ) 模拟特性： t 3 最多1 3 个输入通道和2 0 0 k s p s 转换速率的1 2 位模数转换器； 可编程低电压检测( p r o g r a m m a b l el o w - v o l t a g e d e t e c t i o n p l v d ) ； 可编程欠压复位。 2 2 三路p w m 波的产生 数控电流源的关键在于电流源的设计上，本小节主要比较传统数控电流源的 实现方式，提出一种新型的数控三相电流源。 2 2 1 传统数控电流源的实现方法及其不足 比较常用的方法是运用d a c ( 数模转换芯片) 。这种方式是将正弦信号量化 后的数据预先存入单片机，单片机根据一定的顺序取出数据送入d a c 芯片，这样 就完成了数字信号转变模拟量信号的任务。d a c 芯片可以选择并口输入或串 口输入，d a c 的位数可以根据要求的精度进行选择。框图见图2 2 1 图2 1 六路正弦信号源设计方案框图 因为本设计要输出三路正弦信号，而上述方案一般使用于一至二路的模拟信 号输出。如果本设计应用上述方案则会有一个很棘手的问题：无论选择串口输入 8 第2 章关键技术研究 或并口输入的d a c 芯片都会使整个系统的软件、硬件开销很大，其中为了保证三 路正弦信号精准的时序会使得程序编写异常复杂。所以利用一些单片机所带有的 p w m 模块产生p w m 信号，经过滤波后得到所需的模拟信号是一条捷径。 2 2 2 本系统采用方案 因为本文设计中要输出三路正弦信号，而2 2 1 节中介绍的传统设计方案一 般使用于一至二路的模拟信号输出。本论文介绍的电流源设计采用d s c 芯片所带 有的p w m 模块产生p w m 信号，经过迷你低通滤波器滤波后得到所需的正弦波信 号。 p w m 信号为频率固定、占空比变化的数字信号，基本波形如图2 2 所示。如 果p w m 信号的t l 随时间而改变，那么信号经滤波后将输出幅度变化的模拟信号。 因此通过改变p w m 信号的占空比，即可产生不同的模拟信号。p w m 信号实现d a 转换( 简称p w md a c ) 的原理框图如图2 3 所示。 t p v m 周期；9 5 5 6 u s 图2 2p w m 波形 d s c p w m 信号模拟正弦信号 芯片 滤波器 图2 3p w md a c 的原理框图 p w md a c 的分辨率理论上即为定时器的计数器长度，通常该值被保存在定 时器的寄存器中。p w m 的最低有效位是定时器的一个计数值，而分辨率即为定 时器所能计数的最大值。例如，计数器的长度为8 b i t ，则一个d a c 转换分辨率 为8 b i t 或者为2 5 6 。通常p w m 信号的输出频率等于d a c 的刷新频率，因为可以将 p w m 占空比的每一次变化等效于一次d a 转换的采样。p w m 定时器的频率取决 9 同济大学硕士学位论文基于d s c 的数控电流源的研究与实现 于p w m 信号的频率和所需的分辨率。 从p w m 波如何生成正弦波，下一节将进行详细介绍。 模拟滤波器屯路的目的是要从p w i v l 信号中将正弦信号提取出来，由于p w m 信号 的频率为1 8 k t t z ，正弦信号的频率为5 0 6 0h z ，因此要从p w m 信号中把正弦信 号提取出来就需要一个低通滤波器。 常用的品质好的低通滤波器有巴特沃斯滤波器、贝赛尔滤波器、切比雪夫滤 波器等等【1 2 1 。巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种，巴特沃斯滤波器的特点是通 频带的频率响应曲线最平滑。贝赛尔滤波器是具有最大平坦的群延迟( 线性相位 响应) 的线性过滤器，贝赛尔滤波器常用在音频天桥系统中。模拟贝赛尔滤波器 描绘为几乎横跨整个通频带的恒定的群延迟因而在通频带上保持了被过滤的信 号波形。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在 通频带内存在幅度波动。 2 3 2 模拟低通滤波器设计 综合考虑本文设计中决定采用通带内最为平坦的巴特沃斯低通滤波器，并设 计滤波器的拐点频率，= 为8 0 h z ，滤波器阶数为3 阶。在滤波器的拓扑结构上，选 择一个单位增益l 阶l p f ( l o wp a s sf i l t e r ，低通滤波器) 和一个2 阶m f b ( m u l t i p l e f e e d b a c k ，多端负反馈电路，又称无限增益多路反馈电路) 电路串联构成，当整 体滤波参数设定后，各级滤波参数可根据归一化表和计算公式分别得到。表2 1 为t i 公司的设计笔记“o pa m p sf o re v e r y o n e ”提供的巴特沃斯滤波器系数设计 表，其中红框内的为3 阶l p f 的设计参数。 1 0 第2 章关键技术研究 表2 1 巴特沃斯低通滤波器系数设计表 | c i i f c o 嘲 1 0 0 0 61 2 3 1 8 4 7 8 o 7 6 5 4 1 o o 1 6 1 o 6 1 8 0 1 9 3 1 9 4 1 4 2 0 5 1 7 6 1 ， o 咖 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 注：1 1 为滤波器阶数；i 为滤波器节数；a j 、髓为滤波器系数；t 为第i 节滤波 器拐点频率尼与滤波器整体的拐点频率f 之比；q 第沛滤波器的品质因数： 第一节滤波器为一阶l p f ，其电路原理如图2 4 所示，其传递函数和截止频 率如公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 。该节的设计参数有足、c l 两个。从表2 1 得到a l = 1 、 6 l = 0 、岛= 1 。运用公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，得到足的计算公式( 2 5 ) 。 并运用公式( 2 6 ) 求出厶= 8 0 h z ，再根据经验选择c l = 5 0 彬，将两者代入公 式( 2 5 ) ，取最接近的精度为1 的标准电阻为冠= 4 0 k q 。 v i n 图2 4 低通一阶滤波器电路原理图 c o c l = 2 万z l v o u t ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 舛 一乾娩 驼刀g ； o 1 - o 1 o o 1 9 o o 9 8 6 o 9 n i 的：8 铒 盯钾 o 1 1 o 1 o 1 1 1 2 1 2 3 4 5 守丽矗丽 卜 = 0 厶 4 同济大学硕士学位论文基于d s c 的数控电流源的研究与实现 墨2 焘 ( 2 5 ) z l = 白z ( 2 6 ) 第二节滤波器为m f b 型2 阶滤波器，其原理如图2 5 所示，其传递函数、截止 频率、放大倍数计算见公式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) ，本设计根据需要将该 节的信号放大倍数定为4 倍，即4 l = 也墨= - 4 。该节的设计参数有冠、马、足、 g 和c 2 共五个。从表5 1 得到得到a l = l 、磊= l 、毛= 1 2 7 2 。运用公式( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、c 2 1 2 ) 消去置、足得到足的计算公式( 2 1 3 ) ，为了使b 能够有实数解，g 必须满足公式( 2 1 4 ) 。根据经验选择g = 1 0 ，并同a l = 1 、 包= 1 、4 = _ 4 ，一起带入公式( 2 1 4 ) 得到c 2 2 0 0 n f ，设计时为了不使电阻 选择得过大( 防止因失调电流引起过大误差) ，这里选择c 稍微大一些，取 c 2 = 2 2 0 n f 。将毛= 1 2 7 2 代入公式( 2 1 5 ) 求出厶= 1 0 1 7 6 h z 。最后根据公式 ( 2 1 3 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 计算，并取最接近的1 标准电阻得到：冠= 1 4 k f 2 ； 恐= 5 6 k f 2 ；皿= 2 0 k f 2 。 v i n r 2 c l l l - - 1 i rlr 3 r 、 c2 = = 卜户 图2 5 多重反馈性2 阶l p f 电路图 彳2 ( s ) = 百瓦i 酉而- 万r 2 酉r 1 两百丽 后z2 瓦赢1 a o = - r 蚂2 ， 口2 魂嗽脚警) v o u t ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第2 章关键技术研究 如= 婢：2 q g 恐玛 q 2 = 2 刀z 2 见：a2c2-、a22c22-4b2cic2(1-40) 。 4 万z ：q c 2 g c - 等等 z ：= 乞z r ：= i r 2 玛2 硒彘瓦 依照设计好的原理，将各设计参数代入公式( 2 1 ) 、 到两节滤波传递函数： 州s ) = 志 彳：( s ) = 再i i 万i 忑磊丽 2 4 信号采集处理技术研究 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 7 ) 可以分别得 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 为保证输出电流源的精度，就相应的必须增加电流采集反馈环节，随着低压 电器的的发展与普及，信号采集技术在低压电器行业将有更为广阔的发展前景， 信号采集技术就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采 样、量化、编码和传输等步骤，最后送到数据处理系统中进行处理、分析、存储 和显示。信号采集技术是计算机与外部世界之间联系的桥梁，是获取信息的重要 途径。 信号采集系统追求的主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量值的 测试都要有一定的精度要求，否则将失去采集的意义；提高数据采集的速度不仅 仅可以提高工作效率，更主要的是可以扩大数据采集系统的适用范围，以便于实 现动态测试【i 引。 同济大学硕士学位论文基于d s c 的数控电流源的研究与实现 2 4 1 信号采集系统的组成 信号采集系统随着新型传感器技术、微电子技术和计算机技术的发展而得到 发展。信号采集系统包括硬件和软件两大部分，其中硬件部分又可以分为模拟部 分和数字部分。其硬件基本组成如图2 6 所示【1 4 】。 i 传感器l 一前置放大器l _ 一滤波器卜 多 l 传感器l 一前置放大器l - 4 滤波器卜 路 模 4 三至 _ 刚数据处理器 拟 开 关 l 传感器 - 一前置放大器 _ _ 一滤波器卜 图2 6 信号采集系统的硬件基本组成 从图2 6 可以看出信号采集系统一般由传感器、前置放大器、滤波器、多路 模拟开关、采样保持器( s h ) 、模数转换器( a d ) 和数据处理器等几部份 组成。 传感器的作用是将被测物理量转换成与其有一定关系的电信号，它获得的信 息正确与否，直接关系到整个系统的精度。传感器的定义是：能感受规定的被测 量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换 元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或影响被测的部分；转换元件 是指传感器中能将敏感元件感受或影响的被测量转换成适于传输或测量的电信 号部分。 前置放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小( 比如， 常用热电偶的输出变化往往在几毫伏到几十毫伏之间，电阻应变片输出电压只有 几个毫伏，因此需要加以放大来满足大多数a d 转换器的满量程输入0 一- - 5 v 的要 求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到阻抗变换 器的作用来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号的情况各不相同，因此放大 器的种类也很多。例如，为了减少输入信号的共模分量，就产生了各种差分放大 器、仪用放大器和隔离放大器；为了使不同数量级的输入电压都具有最佳变换， 这样就产生了量程可以变换的程控放大器；为了减少放大器的漂移，就产生了斩 波稳零和激光修正的精密放大器。 传感器以及后续处理电路中的器件常产生噪声，为了提高模拟输入信号的信 1 4 第2 章关键技术研究 噪比，常常需要使用滤波器对噪声信号进行一定衰减。 多路模拟开关、采样保持器( s h ) 、模数转换器( 加) 、数据处理器 这四部分在现代采集系统中一般都集成在单片机内部系统，无需用户再另行设 计。 2 4 2 采样定理 要想采样后能够不失真的还原出原信号，则采样频率必须满足采样定理。 设有连续的信号x ( f ) ，其频谱为x ( ) ，以采样词期五采得的离散信号为 x 。( 尼z ) ，( 拓o ，1 ，2 ，) 。如果频谱和采样周期满足下列条件【1 5 】： ( 1 ) x ( ) 为有限频谱，即当l f j z 时，x ( ) = 0 ( 2 ) z = i 1 2 l 则连续信号唯一确定，这就是采样定理。五就是信号频谱的最高频率。采 样定理指出，对一个有限频谱的连续信号进行采样时，当采样频率z 2 z 时， 由采样所得的信号能无失真的还原出原信号。采样定理为数据采集系统采样频 率的选择提供了理论依据。 根据采样定理，在频率为5 0 h z 的正弦信号的一个周波内，多于两点的采样， 就可以由采样所得的离散采样信号还原出原始信号。实际应用中，采样频率总 是选择高于采样信号最高频率两倍以上的频率。 2 4 3 直流采样与交流采样 根据采样信号的不同，采样可分为直流采样和交流采