（测试计量技术及仪器专业论文）非接触式复费率电能表时钟误差检定仪的设计.pdf

郑州大学硕十毕业论文 中文摘要 摘要 为缓解我国同趋尖锐的电力供需矛盾，改善用电量不均衡的现象，国内各个 省市的电力部门己开始逐步推出了复费率电能表。目前复费率电能表时钟检定主 要使用得是校表台系统，但是这些系统工作效率低，操作复杂，并且不便于携带。 为此我们研制了一种新型的复费率电能表时钟误差检定系统。 本论文研究设计了非接触式电能表时钟误差检定仪。该系统对时钟晶振采取 非接触式测量方法，通过多周期同步测频法大大提高了测量的精度，达到了国家 的检定标准。 论文首先对我国复费率电能表时钟误差的情况作了概述，然后对各种频率测 量方法作了对比和误差分析，提出了时钟晶振误差检定系统的总体设计方案。分 析了整个系统的结构和各个部分需要实现的功能。 接着在硬件方面提出了检定仪的构成方框图，对于主要的部分一选频放大电 路和主控回路的功能和工作方式，也进行了深入的分析：设计了接收选频放大电 路，介绍了选用p i c 芯片p i c l 6 f 8 7 x 的原因；在计时检定的核心计数器部分，采 用了c c p 模块的设计方法。并且在论文里对数据显示模块和通信模块作了设计， 实现了检定仪的液晶显示。 接着在软件方面论述了p i c 单片机软件的编制方法和实现过程，包括了异步 串行通信功能的实现。 在论文的最后对本系统的设计作了一个总结。 关键词：频率测量；复费率电能表；时钟误差；晶振频率；检定；p i c 单片机 多周期同步测频法 郑州大学硕士毕业论文 英文摘要 a b s t r a c t i no r d e r t oa l l e v i a t eo u rc o u n t r yi n c j s j v ee i e c t r i cp o w e rs u p p l y 卸dd e m a n dt ob e d a yb yd a yc o n t r a d i c i o r y ，t h ei m p r o v e m e n te l e c t r i c j t yc o n s u m p t i o ni m b a l a n c e d p h e n o m e n o n ，d o m e s t i ce a c hp m v i n c e s 柚dd l i e se l e c 证cp o w e rd e p a n m e n to n e s c l f s t a r t c dt op 舢o t cm u l t i t a r i 行w a t t - h o u rm e t e r s 伊a d u a l l y a tp r c s e n tc a l i b m t i o n d e v i c c sf o fa o c ke 咖ro fm u l t i - t a r i f fw a t t h o u im e t e tm a i n l yu s e si sc a l i b r a t i o n d e v i c es y s l e m ，b u tt h e s es y s t e mw o r k i n ge f ! f i c i e n c i e sl o w ，t h eo p e 珀t i o ni sc o m p l c x ， a n dj sn o ta d v a n t a g e o u sf b rc a i t i e s w 色d e v e l 叩e do n ek i n do fn e wc a l j b r a t o rf b r c 1 0 c ke i r o ro fm u l t i t a r i f fw a t t _ h o u rm e t c rf o r l h i s t h ep r e s e n tp a p c rr c s e a r c hd e s i 肆c dc o n t a c i l e s sc a l i b r a t o rf o rc 1 0 c ke r r o ro f m u l t i - t a r i f fw 缸t h o u rm c t e r t h i ss y s t e ma d o p t st h en o n 一n t a c tt y p em e a s u r i n g t e c h n i q u et ot h ec l o c kc f y s t a lo s c j l l a t o r ，i n c r e a s e dt h es u r v e yp r c c i s i o n 掣e a t l yt h r o u 曲 t 圭i em u l t i c y c l i c a ls y n c h r o n j z a t i o nf r e q u c n c ym e a s u r e m e n t ，h a sa c h i e v e dt h en a t i o n a l e x a m i n a t j o ns t a n d a r d t h ep a p e ff i r s t h a sm a d et h eo u n i n et os i t u a t i o no fc o n t a c t - l e s sc a l i b r a t o rf o r c l o c ke r r o ro fm u l t i - t a f i f ! fw a t t - h o u rm e t e ri no u rc o u t r 弘t h e nh a sm a d et h e c o n t r a s ta i l dt h ee 玎o fa n a l y s i st 。e a c hf r c q u e n c ym e 鹤u r c m e n tm e t h o d ，p m p o s e dt h e d o c kc r y s t a lo s c i n a t o re r r o re x 锄i n e st h es y s t c mt h es y s t e md e s i g np l a n h a s a n a l y z e dt h ef i i n c t i o nw h i c ht h eo v e r a l ls y s t e ms t r u c t u r e 柚de a c hp a r tn e e d st 0 r e a n z e n e n p r o p o s e di nt h ch a r d w a r ea s p c c te x a m i n e st h em e t e r t l l ec o n s t i t u t i o nb l o c k d i a g r 锄，一c h o o s e st h e 仃e q u e n c ye n l a r g c m e n te l e c t r i cc i r c u i t 柚dt h eh o s tr e g a r d i n g t h em a i np a nc o n t r o l st h et e t u mt o u t e 也ef u n c t i o 孤dt h ew o i kw a y ，a l s oh a sc a 兀i e d o nt h et h o m u 曲卸a l y s i s ：d c s i 印e dt h er e c c j v et oc h o o s em ef r e q u e 玎c ye n l a 唱e m e n t e l e c t f i cc i r c u i t ，i n t r o d u c e ds e l e c t e dp i cc h j pp i c l 6 f 8 7 xt h er e a s o n ；w e r ep a r t j a li n t h et i m ee x a m i n a t i o n f ec o u n t e r h a su s e dt h eo c pm o d u l ed e s i g nm e t l l o d a n dh a s m a d et h ed e s i g i ii nt h ep a p c rt oi h ed a t ad i s p l a ym o d u l ea n dt h ec o n n e c t i o nm o d u l e ， r e a l i z e dh a se x 锄i n e dt h em 就e rt h cl i q u i da y s t a ld i s p l a y t h e nt 1 l ep a p e re l a b o r a t e dt h ep l cm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ts o f f w a r e e s t a b l i s h m e n tm e t h o da n dt h er e a l i z a t i o np r o c e s si nt h es o f t w a r ea s p e c t ，i n c l u d i n g a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nr e a l i z a t i o n f i n a l l yh a sm a d eas u m m a r yt ot h i ss y s t e md e s i g n 郑州大学硕l 毕业论文 英文摘要 k e y w o r d s ：f r e q u e i f 【ym e a s u l e m e n t ，m u l t i - t a r i f f w a t t - h o i i rm e t e r ，c l o c ke o r ， c r y s t a l o s c 订l a t o rf f e q u e n c y ，e x a m i n a t i o n ，p i cm o n o l i t h i ci n t e g r a 把dc i r c u i t ， m u l t i c y c l i 西ls y n c h r o n i z a t i o nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n t 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。古则，木人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位敝作者c ：另t 舭 v 以年6n 郑州大学硕士毕业论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字式电能表的分时计费 1 1 1 分时计费 电力资源是进行生产建设的基础和保证，随着我图经济的飞速发展，各行各 业对电的需求越来越大，目前我国电力供应的基础无法赶上快速发展的各行各业 对电力的需求。不同时间用电量不均衡的现象也日益严重，所以节约用电成为备 行业备受关注的首要问题，而提高用电质量、降低线损，对电力系统来说具有深远 的意义。 。 为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的 现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷，提高全国的用电效率， 合理利用电力资源，充分利用发、供电设备，国内各个省市的电力部门己开始逐 步推出了复费率电能表。采用电子式复费率电能表对用户的用电量分时计费，可 以用避峰添谷的方法合理利用电网中不同时间的发电功率，使有限的电能得到充 分的利用。 1 9 8 0 年，河南地区首先提出了按峰、谷时间分段计量电能，以经济手段促进 合理、均衡、科学用电的建议，继而开始进行了试点，通过几年实践，初步摸索 了一些有参考价值的经验。随后，山西省利用简易设备先后在一部分用电单位进 行了联合试点。1 9 8 2 1 9 8 5 年，全国许多省市和地区也相继实行了电能分时计量 及与此相适应的新的收费制度，并取得了非常大的成效。 1 9 9 5 年4 月，由国家计委、国家经贸委和电力工业部联合在上海召开的全国 计划用电【作会议上决定，用3 4 年时问，在全国各大电网内，有计划、分步骤 全面推行峰谷分时电价制度。总目标是各网转移高峰电力1 0 1 5 力i 千瓦，全国实 现转移高峰电力1 0 0 0 一2 0 0 0 万千瓦，推行的范围不仅是工业、商业用户，而且对 非工业、农业用电也要逐步实行。在有条件的地区，即已经实行一户一表的居民 用电区，也将有计划的开发低谷用电，实行峰谷电价，以提高电能利用率，提高 居民的用电质量。近几年，上海、湖北、广东、四川等许多省市供电局已经先后 郑州大学硕士毕业论文第一章绪论 宣布将大力推广复费率电度表，对电力用户采用不刷时段和不同讨1 费标准鼓励 谷时段的电力消费。一些大的电网局也把它作为技术改进的重要内容和开展科学 用电的重要措施之一。至此，我图己跨进了用多种电价作为辅助管理手段和控制 用电负荷的国家行列。 l _ 1 2 我国现阶段所使用复费率电能表的概况 复费率电能表又称为分时电能表或者多费率电能表，按其结构、性能可分为 以下三代： 石英钟控分时电能表是7 0 年代的早期产品。它通过石英钟各种不同时段的脉 冲数来分析驱动各电子计数器而分别显示出峰谷电量及总电量。这种分时计费电 能表的可靠性较差，计时分段精度太低( 最小分割为5 m i n ) 不能适应分时计费中的 一些特殊要求，如最大需量及上月峰、平、谷最大需量及失压断流计时等。目前 这种表已经基本淘汰。 机电一体化分时电能表属于第二代产品。它采用1 0 级感应系电能表机芯为 基础，采用红外光电变换器、脉冲输出和中央处理器( c p u ) 的单片机电路使用 附带的键盘编程或者红外无线键盘来进行各种需量、时钟、时段、年月日的设 t 定可保持本月最大需量、上月最大需量和本月峰、平、谷最大需量显示及存储。 是目前国内应用最为广泛的产品。 第三代是全电子结构的分时电能表。第三代全电子式分时电能表已进入非常 成熟的阶段。它是一种静止式无任何机械运动部件的固态电能表，由电压互感器、 电流互感器、高精度高速a d 变换器、电能计量专用集成电路、实时时钟、数据 存储器、大屏幕液晶驱动及显示器、数据通信接口、开关电源等模块构成，精度 通常在1 o 级至o 5 级，可靠性好，易于实时记录，本月及上月最大需求量、峰、 平、谷最大需求量、脉冲输出，监控通过密码设定，方可读出与修改数据等，时 段设定通常有8 个。 复费率电能表发展日趋完善。近年来多费率电能表服务对象从工业用户逐步 转向了居民用户，由于2 0 0 3 以来我国出现了大面积缺电的严峻形势，各地的复费 率电能需求呈上涨趋势，其中单相静止式复费率电能表占较大的比例。 2 郑州大学硕士毕业论文第一章绪论 1 1 3 复费率电能表实时时钟的产生 复费率电能表与电能表不同之处就是”用多个计数器按预先设定的时间间 隔，分别计量各时段内的电量”。所以确切地说这是一块”分时计量”的电能表。 它有一个时钟，有多个计数器，在石英开关钟时段的安排下，在预先设定的时间 间隔内，由逻辑回路实现高峰用电量、低谷用电量和总用电量的分时计量的功能， 并将数据贮存。正由于加上了一个时钟装置，所以产品在设计上、生产中、使 用时比单纯的电能表产品要复杂得多。 复费率电能表的实时时钟又被分为硬时钟( 硬件法) 、软时钟( 软件法) 和 混合法。所谓硬时钟，即采用实时时钟芯片。它不需要单片机的干预就能产生时、 分、秒；年、月、同等日历数据，自动修正润年。而另一类由单片机利用内部或 外部定时中断，通过程序计算出实时时间，被称为软时钟。 硬时钟的优点是：时钟准确性与软件无关，不易产生差错；交流供电断电后， 可由备用电源单独供电。缺点是成本高体积大：在单片机与之通信时可能会受到 外部干扰。硬时钟有每月误差1 0 几秒的，也有每月误差1 分钟的。 软时钟的缺点是在单片机发生故障时，时钟易被破坏。时钟的计时准确度如 果仅仅依靠采用的石英晶体固有频率来保证，那末，无论是硬时钟还是软时钟都 难以达到标准的要求，因为它需要5 p p m ( o 4 3 2 s d ) 石英晶体，而市场可提供的 石英晶体为2 0 p p m 、6 p p m 。所以，只有采取软件补偿才能有效解决。 复费率电能表的实时时钟基本上采用的都是硬时钟，其关键部件”时控装置” 已经经历了数代的发展，早期的方案是以电子表芯片取出秒信号驱动步进电机， 以机械结构积时，时间设定为3 0 分钟间隔的切换方式。石英晶体丌关钟由4 1 9 m h z 石英晶体振荡器和一块2 2 级分频电路组成秒信号发生器，每日走时误差不大于1 秒，工作电源采用了干电池。它经历了石英晶体丌关钟、四位微处理器数显钟 ( 1 9 8 5 年通过鉴定) 、1 9 8 7 年多费率电能表开始批量采用( l e d ) 数显钟，1 9 9 0 年开始出现同历、时钟，四个费率，具有夏时制、润年自动转换的”时控装置”， 1 9 9 2 年具有m d 功能。现在常见的时钟芯片有r t c 4 5 5 3 、p c f 8 5 6 3 、d s l 3 0 2 等。提 供精确的年月日时分秒，采用内置晶振方式，时钟误差可达 - ：卜、ri 打瓤h ：、：j li 、l 、 i h lli、 xr 一一1 一1 一一1 ji ：协 l _ 一z 卜 。 |- il ll l ；卜 够 li 14 了 一一4 一o 0 喜。摹、 i ： ： 图2 - 6 误差曲线 由于f s 由晶振( f c ) 分频得到，设f s - f c k ，则等= 等。于是，频率测量的误 差表达式可写成： 郑州大学硕十毕业论文第二章理论基础 等一( 击+ 倒) 一5 ：l 十l l i ，。l 矾 正fj 分析：误差曲线直观地表示了测频误差与被测频率f x 和闸门时间t s 的关系。f x 愈大则误差愈小，闸门时间愈大误差也愈小，并且，测频误差以标准频率误差为 极限。 二误差分析 量化误差的影响 从频率测量的误差表达式：等一+ ( 击+ 倒卜 可知 量化误差为等= 寿 它是频率测量的主要误差( 当忽略标准频率误差时) 。为减小量化误差，一般的 方法需增大计数值n ：增大闸门时1 1 j t s 或在相同的闸门时间内测量较高的频率可 得到较大的n ，即对测量频率倍频。 例如电能表时钟晶振频率一般为3 2 7 6 8 h z ，根据围家标准的要求复费率电能 表的日计时误差不得大于o 5 s d ，因此时钟检误差检测仪的日计时测量误差一般 要求为o 。3 s d 。即误差不超过等= 瓦导罢丽= 3 5 1 。，3 2 7 6 8 h z 如果采用测频 率法，为了达到o 0 3 s d 的测量精度，需要测量的时问为t ( s ) ： r ：丝! ! 塑旦8 8r s l 即测量的时间需要8 8 秒，如果采用测周期法，则需要测量的时间为会更长。 在实际应用要求的测量时间不超过1 秒，所以这两个测量时间都是不可取的。 可见，传统方法测频精度的提高是以牺牲速度为代价的。由于传统的方法存 在着自身难以克服的缺陷，人们提出了许多其它的方法来提高测量精度，缩短测 量时间。f 面介绍了频率测量领域最新的技术方法。 1 4 郑州大学顿i ：毕业论文第= 章理论基础 2 3 多周期同步测频法及误差分析 本设计采用的是多周期同步测量方法，这种方法是在直接测频的基础上发展 测量方法，在目前的测频系统中得到越来越广泛的应用。多周期同步法测频技术 的闸门时间不是固定的值，而是被测信号的整周期倍、即与被测信号同步，因此 消除了对被测信号计数产生的1 个字误差，测量精度大大提高而且达到了在 整个测量频段的等精度测量。测量原理波形如图2 7 所示： ! 厂 门nnn 厂 n 群 f 二二二 图2 - 7 多剧期l 司步测频法 首先，由单片机( 或相应控制线路) 给出闸门开启信号，此时，计数器并不开 始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，才真正开始计数。然后，两组计数 器分别对被测信号和时基脉冲计数。当单片机给出闸门关闭信号后，计数器并不 立即停止计数，而是等到被测信号下降沿到来的时刻j i 真正结束计数，完成一次 测量过程。可以看出，实际闸门与设定的闸门不严格相等，但最大差值不超过被 测信号的一个周期。被测频率的计算方法为： 设对被测信号的计数值为n ；，对时基信号的计数值为n o ，时基信号的频率 为f o ，闸 、j 时间为t ，则被测信号的频率为： 1 x2 瓮o o 郑州大学硕i 毕业论文 第二章理论基础 误差分析 计数器的丌闭与被测信号是完全同步的，即在实际闸fj 中包含整数个被测信号的 整周期，因而不存在对被测信号的l 误差。由上式微分可得： 贤一麓 。 扎r ；惫 可得到测量的分辨率为： 盟；+ 上 | 。q 。 由上式可以看出测量的分辨率与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间与时基 频率有关。 此法的优点是，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的1 个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个 测量频段等精度测量。闸门时间越长，时基频率越高，分辨率越高。本设计采用 的就是这种方法。假设基准晶振频率为1 0 m h z ，如果不经分频，当闸门时间t = 1 秒时。则误差为1 x 1 0 。7 e 这个误差小于设计要求误差3 5 1 0 。7 ( 每天计时误差小于0 0 3 s d ) 。 2 4 时间基准的选择 精密频率源包括各种原子频标、石英晶体振荡器、声表面波振荡器、体波振 荡器、微波振荡器等。其中原子频标最为准确，而以石英晶体频标应用最为广泛， 它在所有的频率标准中是价格最低的，其最突出的优点是具有比许多原子频标更 好的短期频率稳定度和更好的相位噪声指标。 一授时的主要方式 针对复费率电能表校表系统时的钟晶振检定，现在国内外主要有两种基准频率 产生方法( 即授时方法) 。 一种是在校表台或检测仪器上加装了g p s 时统装置，利用卫星上的原子钟发 1 6 郑州大学颁十毕业论文第二章理论基础 出的信号为分时计费电能表校表系统提供高精度的统时钟。采用g p s 授时的主 要缺点是因为g p s 易受各种外界因素影响，有可能接更的信号较差，甚至在屏蔽 的情况下会消失信号，所以计算机系统的硬件时钟必须满足至少一天校一次时间 的精度要求。系统必须与g p s 模块直接相连，以减少中| 1 | j 环节带来的对时误差。 另外一种方法是采用高性能的石英晶体振荡器提供基准信号。一个晶体振荡 器性能高低的可以由以下技术指标表示： 一一总频差：总频差包括频率温度稳定度、频率温度准确度、频率老化率、频 率电源电压稳定度和频率负载稳定度共同造成的最大频差。 一一频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐 含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。 一频率稳定预热时间：以晶体振荡器稳定输出频率为基准，从加电到输出频 率小于规定频率允差所需要的时间。采用0 c x o ( 恒温晶振) 作为本振，频率稳 定预热时间将不少于5 分钟，而采用d t c x o 只需要十几秒钟) 。 一频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间 之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成 的，可用规定时限后的最大变化率( 如1 0 p p b 天，加电7 2 小时后) ，或规定 的时限内最大的总频率变化( 如：1 p p m ( 第一年) 和5 p p m ( 十年) ) 来表 示。t c x 0 的频率老化率为：o 2 p p m 2 p p m ( 第一年) 和1 p p m 5 p p m ( 十 年) o c x o 的频率老化率为：0 5 p p b 1 0 p p b 天( 加电7 2 小时后) ，3 0 p p b 2 p p m ( 第一年) ，o 3 p p m 3 p p m ( 十年) 。( 1 p p m = 1 1 0 “，1 p p b = 1 1 0 。9 ) 从以上的技术指标可以看出，采用恒温晶振是最好的选择。 2 5 设计要求及设计方案 复费率电能表时钟晶振检定仪的设计要求为 l 采用非接触式方法测量晶振频率。 2 时基频率准确度为1 1 0 。 1 7 郑州大学硕士毕业论文第二章理论基础 3 测量误差不超过o 0 3 s d ( 经预热后) 。 4 测量数据的存储和显示。 5 带有和上位机的通讯功能。 根据以上要求，设计方案框图_ 如下 图2 8 设计方塞框图 整个设计分为两大部分：硬件的构成和软件的实现。检定的主要结果是日计 时误差。 日计时误差的计算：rj 攀8 6 4 0 0 秒天 j 0 其中n x 为实际计数值，n o 为标准值，f o 为基准频率。 郑州入学硕i ：毕业论文第三章硬件部分的设计 第三章硬件部分的设计 3 1 基本构成和各部分的功能 本检定系统主要有三部分组成：前端电路，主控回路，显示及通讯部分 图3 1 为系统框图 图3 1 系统总体框图 检定仪的工作过程是：检定仪开启后，将检定仪的信号接收探头放置于待测 电能表的时钟品振位置附近，检定仪会自动开采集晶振频率信号，信号经过单 片机的处理，通过显示器显示出被测频率和日计时误差。当信号频率超出测量范 围时，会硅示出错。下面根据不同的功能部分分别介绍。 3 2 前端电路的设计 当晶振工作时，会产生微弱的电磁波，且电磁波的频率和晶体振荡的频率一 致。为了实现晶振频率信号的采集，需要设计一个接收这种电磁波的电路，即l c 谐振回路。接收到信号后用微控制器( m c u ) 对信号的分析处理，微控制器是 1 9 郑州大学硕f j 毕业论文第三章硬件部分的设计 数字信号处理工具。输入微控制器的信号必需是离散的数字信号或者是脉冲信 号。因此检测来的信号必需经过预处理变为微控制器能接受的，且是采集简便， 计算工作量较少的信号。首先将信号通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号， 同时也进行线性放大，使之变为一波形正规幅值适当的正弦信号，然后经过a d 转 换变成信号进入处理器。下面分别介绍这几部分电路的设计。 3 2 1 接收电路 l c 谐振回路是高频电路里最常用的无源网络，包括并联回路和串联回路两 种结构类型。 利用l c 谐振回路的幅频特性和相频特性，不仅可以进行选频，即从输入信 号中选择出有用频率分量而抑制掉无用频率分量或噪声( 例如在选频放大器和证 弦波振荡器中) ，而且还可以进行信号的频幅转换和频相转换( 例如在斜率鉴频和 相位鉴频电路里) 。另外，用l 、c 元件还可以组成各种形式的阻抗变换电路和 匹配电路。 图3 2 是串联lc 谐振回路的基本形式，其中r 是电感l 的损耗电阻，r l 是 负载电阻。 z 图3 2l c 串联谐振p 路 下面按照，直接给出串联lc 回路的主要基本参数的计算。 谐振的角频率和频率f 0 分别为： 11 。丽，。面 谐振时回路的感抗值和容抗值相等，品质因数q 为： l 郑州大学颅i ：毕业论文 第三章硬件部分的设计 qz 警= 志= 摧 可见，通频带与回路q 值成反比。也就是说，通频带与回路q 值( 即选择性) 是互相矛盾的两个性能指标。选择性是指谐振回路对不需要信号的抑制能力，即 要求在通频带之外，谐振曲线n ( f ) 应陡峭下降。所以，q 值越高，谐振曲线 越陡峭，选择性越好，但通频带却越窄。一个理想的谐振回路，其幅频特性曲线 应该是通频带内完全平坦，信号可以无衰减通过，而在通频带以外则为零，信号 完全通不过，如图3 2 2 所示宽度为b w o 7 、高度为l 的矩形。 攀系， 卜一删凡t 1 ) 图3 3 幅频特性图 通过计算和实验表明当f = 3 2 7 6 8 h z 时，选l = 2 3 6 m h 和c = 1 0 n f 效果最好。 3 2 2 滤波放大电路 根据实际接受传感器的需要，制定了选频放大电路的主要技术指标： 增益 4 0 0 0 倍： 改进方式双t 型选频网络：中心频率3 2 7 6 8 h z ( 检测工频电流) ；输入频率带宽 1 0 0 k h z ；输出噪声 l o m v 。设计放大器共分3 级：前两级为信号放大级，后级为 改进的t 型选频网络带通滤波级。 根据多级放大器噪声分析理论，其噪声系数定义为： f = = f l + ( f 2 一1 ) k p l + ( f 3 一1 ) k p l k p 2 + 郑州大学硕：l 毕业论文 第三章硬件部分的设计 其中f 为第i 级噪声系数，k p i 为第i 级增益。 可见提高第一级的增益可以有效地抑制噪声。因此第一一级增益定为1 0 0 ，第 ：二级定为l o ，t 型选频网络增益为4 。在带通滤波电路的选择上，由于有用信号 的频率为3 2 7 6 8 h z ，因此必须选择相对相移小、高q 值的带通滤波器进行带通滤 波。在放大器电路的各个部分还存在许多器件的固有噪声，供电电源处理不当也 会引入较大的噪声，因此，电路设计时必须考虑到从各方面抑制噪声的问题。 为了在噪声干扰比较严重的情况下仍能获得比较好的带宽增益和高信噪比， 两级运放全部采用斩波稳零超低漂移运放i c l 7 6 5 0 s c 。i c l 7 6 5 0 s c 为i n t e r s i l 公 司出品的1 4 脚单运放集成块，常温下开环增益可达1 5 0 d b ；共模抑制比高达 1 4 0 d b ；输入偏置电流低于1 0 p a ；带宽2 删z ；对温度和长期工作的漂移电流为微 安级。 电路电阻均选择经过筛选的金属膜电阻，条件允许的情况下可选用线绕 电阻。电容选用高频性能好的磁片电容，极性电容选择钽电容。 第一级使用i c l 7 6 5 0 s c 反相放大，第二级使用i c l 7 6 5 0 s c 谁相输入放大，总倍数 为l o o l o 。由于放大器2 级之中产生附加相移，如果因反馈过深引起的附加相 移超过1 8 0 。就会引起运放自激。为了防止自激，可以引入超前补偿网络如图 3 4 ，具体做法是与运放反馈电阻r 7 、r 5 分别并联电容c 2 、c 3 ，从而改善了系 统响应函数的零极点位置，达到稳定系统的目的。 图3 - 4两级放大电路图 晶振频率的确定直接关系到频率检测准确，所以需对采集到的信号进一步选 频处理。从前两级运放出来的信号仍然混入了大量被| i i 两级运放放大了的噪声信 号，因此，必须增加一级带通滤波电路进行滤波信号提纯。然而，对于噪声较大 信号的带通滤波，一般使用的带通滤波器效果都不是很好。根据频率的不同选用 郑州大学颂 毕业论文第三章硬件部分的设计 不同的网络，对于高频去噪是不可少的部分。否则在信道中，会有根多加性干扰 对系统产生很大影响，有时甚至会导致系统不能工作。基本选频网络分为t 型和 n 型两种。n 型匹配网络：指三个电抗接成“n ”字型的结构，其中两个串联支 路为同性电抗，一个并联支路为异性电抗。t 型匹配网络：指三个电抗接成“t ” 字型的结构，其中两个并联支路为同性电抗，一个串联支路为异性电抗。 然而在传统的双t 型网络的使用当中，由于其q 值不高，低于l ，电路带通效 果不理想。为了提高带通效果，通常必须采用增大闭环增益a l 的方法来提高，但 这种线路结构的q 值选取也受到一定的限制，当选取较高的闭环增益时，会引入 附加相移，对相对相位变化影响较大，为保证精度，同时还要求相应提高运放开 环增益。本文则采用了一种新的t 型选频网络设计方法，使提高q 值的同时不影响 其他参数变化，带通宽度更窄，带通效果更为显著。具体做法是：在反馈网络中 再接一个同相输比例运放作为双t 网络的负载，此时q 值可再提高a ：倍，电路如图 5 。可见新型t 型选频网络的带通范围比传统的t 型网络更窄，q 值更高，选频特性 更好。 图3 5双t 选频网路图 郑州大学硕上毕业论文第三章硬件部分的设计 3 3 主控芯片p i c 单片机及最小系统 从图3 1 可以看出微控制器及最小系统作为整个检定系统的核心，其功能为 完成频率信号采集的控制和计数，并实现一些故障保护、m s s p 等重要控制功能。 本系统采用的处理器是p i c l 6 f 8 7 x 系列单片机。 3 3 1 控制芯片p i c 单片机 一p i c 系列单片机简介 p i c 系列单片机是美国m i c r o c h i p 公司推出的具有精简指令集高性能8 位单 片机，采用精简指令集r l s c 结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结 构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指 令较同类c i s c 单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。 其优点是引脚少，性能优越，可直接带l e d 负载，具有低功耗省电模式，可广泛 应用于复杂程度较低的场合。十多年来p i c 系列单片正以迅猛的速度发展。 p i c 系列单片机有以下特点： ： f 1 1p l c 最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能 与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应 用对单片机功能和资源的需求也是不同的。p i c 系列从低到高有几十个型号，可 以满足各种需要。 。 ( 2 ) 精简指令使其执行效率大为提高。p i c 系列8 位c m 0 s 单片机具有独特的r i s c 结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线( h a r v a r d ) 结构，使指令具有单字 长的特性，且允许指令码的位数可多于8 位的数据位数，这与传统的采用c i s c 结构的8 位单片机相比，可以达到2 ：1 的代码压缩，速度提高4 倍。 r 3 ) p i c 有优越开发环境。o ，r p 单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，象 普通5 1 单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。 p i c 在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿 真芯片支持，实时性非常好。 ( 4 ) 其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至2 2 0 v 交流电源，可直接与继 电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。 、 郑州大学硕十毕业论文第三章硬件部分的设计 ( 5 ) 彻底的保密性。p i c 以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别 ：人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，p i c 采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可 能性极小。 ( 6 ) 自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。 二p i c l 6 f 8 7 x 系列 p i c l 6 f 8 7 x 中共有4 个不同型号的单片机： p i c l 6 f 8 7 3 ，p i c l 6 f 8 7 4 ，p i c l 6 f 8 7 6 ，p i c l 6 f 8 7 7 基本上这4 个单片机是引脚数和存储器容量交互搭配所得到的4 种选择，因此其主 要的特性也是大同小异的。p i c l 6 f 8 7 x 的工作频率范围为d c 一2 0 m h z ，内景p o r ( p o w e r o nr e s e t ) 和b o r ( b r o w n o u tr e s e t ) 两种复位功能、上电延时定时器 ( p 。w e r _ u pt i m e r ，p w r t ) 振荡器起振定时器( o s c i l l a t o rs t a r t u pt i m e r ，o s t ) 除了1 个看门狗定时器之外，另外还有3 个定时器及2 个c c p 模块，串行通信模式方 面则支持m s s p 和u s a r t 。这些都是p i c l 6 f 8 7 x 的共同特点。在表3 1 列出了这些单 片机的差异比较。 表3 1p i c l 6 f 8 7 x 家族成员 p i c l 剖7 x 囊黛威 雕c i 矗f 8 7 3p i c ，e f 8 7 4p 虻1 6 f 粕怕p l c l 6 f 晰 n 嘲摆洋存樯善 雠x i 毒【x i 8 x i 啐射：y 1 4 瓣掘存精嚣 i 蛇i 帕3 秘3 秘 蒜e p r o m 描槲存储鼍1 2 摹 1 2 82 轴2 5 6 。 中斯源十蒜 1 31 41 31 4 日i 翱擞目r d 辨)勰枷2 8柏 “o 口 - b c b c d - e b c b c d e 弗行强籍端口n oy缸by e i l n 枝 d 遗擅5s巷 下面介绍一下p i c l 6 f 8 7 x 单片机概况。 单片机主要性能 具有高性能r i s cc p u 。 仪有3 5 条单字指令 除程序分支指令为两个周期外，其余均为单周期 运行速度：d c 一2 0 m h z 时钟输入 2 5 郑州大学硕士毕业论文第三章硬件部分的设计 d c 一2 0 0 n s 指令周期 8 k 术l4 个f l a s h 程序存储器 3 6 8 术8 个数据存储器( r a m ) 字节 2 5 6 b e e p r o m 数据存储器字节 弓l 脚输出和p i c1 6 c 7 3 b 7 4 b 7 6 7 7 兼容 中断能力( 达到1 4 个中断源) 8 级深度的硬件堆栈 直接，i 、口j 接和相对寻址方式 上电复位( p o r ) 上电定时器( p w r t ) 和振荡启动定时器( o s t ) 监视定时器( w d t ) ，它带有片内可靠运行的r c 振荡器 可编程的代码保护 低功耗睡眠方式 可选择的振荡器， 低功耗、高速c m o sf l a s h e e p r o m 工艺 全静态设计 e 在线串行编程( i c s p 单独s v 的内部电路串行编程( i c s p ) 能力。处理机读写访问程序存储器 运行电压范围2 o v 到5 5 v 高吸入拉出电流2 5 i i l a 一 商用，工业用温度范围 低功耗： 在5 v ，4 m h z 时典型值小于2 m a 在3 v ，3 2 k h z 时典型值小于2 0 u a 典型的稳态电流值小于1 u a 外围特征： t i m e r o ：带有预分频器的8 位定时器计数器 ”t i m e r l ：带有预分频器的1 6 位定时器计数器，在使用外部品体振荡时钟 时，在s l e e p 期间仍能工作 t i m e r 2 ：带有8 位周期寄存af 1 ) a ，预分频af 1 ) a 和后分频器的8 位定 1 郑州大学硕士毕业论文第三章硬件部分的设计 时 计数器 2 个捕捉器，比较器，p 嘲模块 其中：捕捉器是1 6 位，最大分辨率为1 2 s n s 比较器是1 6 位，最大分辨率为2 0 0 n s 硎最大分辨率为是i 0 位 1 0 位多通道模数转换器 - 带有s p i ( 主模式) 和1 2 c ( 主从) 模式的s s p 带有9 位地址探测的通用同步异步接收发送器( u s a r t s c i ) - 带有r d ，w r 和c s 控制( 只4 0 4 4 引脚) 8 位字宽的并行从端口 带有降压复位的降压检测电路 1一 抽 j2 7 3 篇 嚣 i劓 墨 ，m 1 潮s 越 c 刚甜 曲 值 11 蕾竹 帕 ” 臀 j 图3 - 6p i c l 6 f 8 7 x 由于这些特性具有较大优势。p i c l 6 f 8 7 x 系列单片机可广泛应用于电机控制、 汽车电路、家用电器等领域。下面针对在p i c l 6 f 8 7 x 检定仪中的应用主要介绍一 下振荡时钟模块和计数器模块。 3 3 2 外部时钟电路 一晶体振荡器选择 根据上一章的理论分析，检定仪基准晶振频率达到1 0 m h z 以上彳+ 能满足分辨 力的设计要求。目前用量最大的有时钟振荡器、温度补偿晶体振荡器和恒温晶体 一一晰姒一瞬哪一一一一 ， ， 一 ， ， ， ， 翼墨翟 郑州大学顿士毕业论文第三章硬件部分的设计 振荡器( o c x o ) 等。影响晶体振荡器频率稳定度的关键因素是环境温度，所以其中 恒温晶体振荡器的精度撮高，温度补偿晶体振荡器能在更宽的温度范围内给出高 的频率温度稳定度。近年来随着室外基站对高精度振荡器的大量需求，能够 在诸如一5 5 + 8 5 度条件下工作并且具有优良的频率温度稳定度的恒温晶体 振荡器已经在市场上大量应用。国外双层控温的晶体振荡器可以在一2 0 + 7 0 范围内实现l 1 0 9 的频率温度稳定度。恒温控制是指一个电伺服系统持 续向恒温槽加热通过改变加热电流来补偿环境温度的变化。一般是由嵌在恒温 槽巾的热敏电阻来感应温度的。 由于老化现象的存在，其长期指标比原子频标明显差一些，需要定期校准。 b v a 型的精密晶体更由于其最优良的老化指标和稳定度指标而成为晶体频标的稳 频器件。目前，采用这种精密晶体的恒温晶体振荡器( o c x c ) 的最高的频率稳定度 指标可以达到7 1 0 。1 4 ，其老化率指标进入了1 0 1 2 闩量级，个别振荡器还能 够达到5 1 0 。1 3 同。基于上述优点，0 c x o 被大量用于通信产品中，如军、民用 通信电台，微波通信设备，程控电话交换机，无线电综合测试仪，移动电话发射 台，高档频率计数器等。在本系统中选用的是v e c t r o n 国际公司的c o 一7 6 0 型 o c x o 。 需要注意的是：对于恒温晶体振荡器来说，虽然同老化率很低，可以忽略不 计，但如果累计使用时间较长，老化率也可能会影响检测精度。所以为了解决这 个问题，在检定仪每使用一到两年后需要到计量部门进行校对。一般采用铯原子 钟校对。 一 p i c l 6 f 8 7 x 的产品系列中有不同速度