南方電網(wǎng)玉溪供電局 魯子豪 楊景程 李佳蓉

前 言

針對單相電壓檢測儀在檢測上的裝置設(shè)計(jì)專門設(shè)置了電壓監(jiān)測儀，其精度極大，檢測裝置為表源一體化結(jié)構(gòu)。這一檢測裝置能夠產(chǎn)生數(shù)字正弦信號，此信號在特性上具有可調(diào)性，信號的發(fā)出得益于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS），模擬的正弦波獲得需要經(jīng)過濾波器與16位的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片生成，幅值可調(diào)的信號源由另一個(gè)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片通過對基準(zhǔn)電壓的改變獲得，經(jīng)過以上步驟獲得標(biāo)準(zhǔn)電壓源，其物理性質(zhì)是50Hz的工頻、電壓為220V，精度為0.05級[1]。

應(yīng)用高精度的數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示與采集，而高精度的數(shù)據(jù)采集器構(gòu)成依靠高速AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其特點(diǎn)是精度高。電壓與檢測裝置的檢測數(shù)據(jù)信息回傳以及本地通訊是通過裝置中設(shè)置的通訊模塊得以實(shí)現(xiàn)。電壓的輸出數(shù)值大小調(diào)整通過控制中心的通訊模塊向FPGA遠(yuǎn)程發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)，以上檢測結(jié)果也可反饋傳送至控制中心[2]。

電壓檢測裝置在設(shè)計(jì)過程中主要的核心設(shè)計(jì)要素是對標(biāo)準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)，在上文中知悉其精度高，具體精度為0.05級，精度要求使用以往的整流逆變難以得到，因此采用程控電壓源實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)中包含的設(shè)計(jì)內(nèi)容包含了FPGA控制器外圍電路、高速D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、有源濾波器、按鍵及顯示電路，在檢測裝置中輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓的采集依賴于12位的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯，而后控制中心中電壓數(shù)據(jù)的收回依靠GPRS/GSM遠(yuǎn)程通訊。

軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包含了LED顯示模塊，以及建立在Verilog硬件基礎(chǔ)上的可編程語言按鍵模塊。頻率控制字K由按鍵控制模塊處理得到，使用累加器將頻率控制字K累加，ROM查找表模塊獲取渠道為波形寄存器的尋址地址，進(jìn)而獲得正弦波形序列；顯示模塊發(fā)揮的主要功能作用是顯示電壓值與頻率。

1 檢測裝置的工作流程

信號源與電壓標(biāo)準(zhǔn)表可以合一的由檢測裝置發(fā)揮功能使用，當(dāng)檢測裝置以標(biāo)準(zhǔn)表的功能被使用時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行量程選擇工作，測量工作的進(jìn)行主要是在輸入端接入被測電壓；當(dāng)應(yīng)用表、源合一功能進(jìn)行使用，連接的兩端是裝置輸出端子與電壓輸入端子，連接之后進(jìn)行測量與試驗(yàn)的相關(guān)工作，可以實(shí)現(xiàn)的功能有電壓校準(zhǔn)、時(shí)鐘校準(zhǔn)、綜合試驗(yàn)、精度試驗(yàn)、靈敏度試驗(yàn)、諧波試驗(yàn)。裝置在工作當(dāng)中將采集的電壓表信號與外部電壓進(jìn)行存儲，采樣的起始位置控制由起始信號決定，采樣的長度由結(jié)束信號進(jìn)行控制，在結(jié)束轉(zhuǎn)換工作之后，緩存中的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號量化之后進(jìn)一步讀取，通過LED將結(jié)果顯示出來，同時(shí)要處理行數(shù)字信號；與上位機(jī)之間的通訊通過與RS232接口實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的處理工作，如曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、打印輸出[3]。

電壓檢測儀在正常工作狀態(tài)之下主要檢測市電電壓，在進(jìn)行檢測電壓檢測儀工作時(shí)，檢測指令由服務(wù)器遠(yuǎn)程控制發(fā)出，通訊模塊GPRS/GSM發(fā)出的檢測指令由執(zhí)行終端接收，電壓檢測儀在這一過程中檢測的電壓由控制模塊對其進(jìn)行操作，并市電電壓切換到標(biāo)準(zhǔn)電壓的輸出端。與此同時(shí)，電壓監(jiān)測儀在將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置的過程應(yīng)用RS232接口實(shí)現(xiàn)，電壓監(jiān)測儀傳送的數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程裝置自身的檢測的對比工作會有遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置承擔(dān)，通過數(shù)據(jù)對比易知悉電壓檢測儀的工作狀態(tài)是否正常，如數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)則認(rèn)為正常，與此同時(shí)遠(yuǎn)程裝置也會接收到反饋數(shù)據(jù)信息，標(biāo)明“合格”。否則，誤差過大則認(rèn)定其不合格，也會反饋得到“不合格”的信息[4]。

控制中心服務(wù)器的接收終端數(shù)據(jù)通過GPRS/GSM由電壓監(jiān)測儀遠(yuǎn)程檢測裝置和電壓監(jiān)測儀檢測傳回，數(shù)據(jù)對比工作由服務(wù)器監(jiān)控軟件完成，清晰明了的對兩組數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行查看。兩組數(shù)據(jù)對比的結(jié)果誤差處于允許范圍內(nèi)情況時(shí)，則可以認(rèn)定電壓檢測儀處于正常的狀態(tài)情況。當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的誤差超出了允許范圍，認(rèn)定出現(xiàn)了檢測誤差，則需要對電壓檢測儀進(jìn)行校準(zhǔn)，此項(xiàng)工作由工作人員針對性的判斷完成。

2 檢測裝置的設(shè)計(jì)方案

硬件與軟件兩部分的設(shè)計(jì)組成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇控制器芯片與配套器件是硬件設(shè)計(jì)的主要工作，其中其他配套器件的內(nèi)容包含選取FPGA控制器芯片與D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，電路設(shè)計(jì)包含的內(nèi)容是電源、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換、有源低通濾波、功率放大、遠(yuǎn)程通信等，同時(shí)包含了液晶接口與鍵盤電路的設(shè)計(jì)工作。下文對其進(jìn)行介紹[5,6]。

FPGA控制器。本文研究的內(nèi)容中，在FPGA控制器中選擇了Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE10E22控制器作為核心控制器，此項(xiàng)控制器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其中對比其他控制器較為明顯的是其功耗極低，在數(shù)據(jù)處理能力上依托強(qiáng)大的內(nèi)部邏輯計(jì)算十分強(qiáng)大，擁有22320個(gè)LE邏輯單元，594個(gè)嵌入式存儲器，擁有66個(gè)嵌入式的18×18乘法器具，4個(gè)通用PLL，20個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，153個(gè)用戶I/O，不止擁有以上功能之外，其成本價(jià)格也低。

D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。本研究的內(nèi)容中，在D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片中選擇了美信公司生產(chǎn)的MAX5216，此款芯片的特點(diǎn)是精度高、速度快，數(shù)據(jù)輸入是16位串行，擁有50MHz的刷新頻率，功耗較低，供電范圍在7V至5.25V。

電源電路。本研究的內(nèi)容中，在應(yīng)有的電源主要是為D/A轉(zhuǎn)換芯片與FPGA控制器供電，應(yīng)用+5V直流電源的MAX5216芯片，F(xiàn)PGA控制器EP4CE10E22在正常工作中所需要的直流電壓數(shù)值主要為3.3V、5V、1.2V，選用3.3V直流為晶振供電電壓。

低通濾波電路。本文章課題研究設(shè)計(jì)選用有源低通濾波器。同時(shí)依靠Multisim軟件對其進(jìn)行了參數(shù)化仿真驗(yàn)證。

功率放大電路。本文章課題研究設(shè)計(jì)中選用的功率放大電路設(shè)備是TL074，同時(shí)選用的變壓器變比值為1：20，運(yùn)算放大器型號是PA51。系統(tǒng)輸出的電壓使用的保持穩(wěn)定采用的方法是硬件的閉環(huán)方式，不止應(yīng)用了硬件閉環(huán)、也使用了軟件閉環(huán)，進(jìn)一步的保障了電壓輸出打的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文主要對電壓監(jiān)測儀的工作流程與總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述，對于其總體設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容從硬件與軟件兩方面進(jìn)行闡述，F(xiàn)PGA控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)化電路、電源電路、濾波電路和功率放大電路，以及鍵盤和顯示接口電路等組成了硬件設(shè)備，鍵盤控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、DDS模塊等組成了軟件設(shè)備。