【導讀】本系統(tǒng)應(yīng)用DSP制作交流采樣電路，使其實現(xiàn)高速、準確的交流采樣，通過軟。件控制實現(xiàn)模擬微機保護跳閘功能。述設(shè)計，能夠完成對交流信號的采集、處理并將所需數(shù)值顯示出來。

　　

【正文】 5V 電源的設(shè)計 圖 LM2596 5V電源設(shè)計圖 圖中： C1=680μ F C2=220μ F L=33μ H 二極管： IN5824 電路搭建完成后，輸入 12V 電壓，通過示波器可觀察到電路輸出電壓為 5V,峰峰值電 27 壓為 150mV 左右，最大輸出電流為 3A，可以滿足需要 12V電源的芯片的需求。 繼電保護電路的設(shè)計 由于 DSP I/O 口的驅(qū)動能力不足以驅(qū)動繼電器動作，所以我們利用三極管對信號進行放大，在 I/O口之間加入一個電阻目的在于減小 I/O 口的輸出電流，而續(xù)流二極管的作用是防止繼電器動作瞬間由于繼電器線圈的反向電動勢擊穿三極管。 圖 跳閘繼電器設(shè)計圖 當 DSP 通過 I/O 口發(fā)出跳閘指令時繼電器應(yīng)該立即跳開切斷故障線路。繼電保護電路由繼電器、三極管 、續(xù)流二極管、電阻組成，線路連接如下圖所示。三極管 C級接 5V電源， B 級接 DSP 信號， E 接繼電器線圈的一個管腳。繼電器線圈的另一個管腳接地，并在繼電器線圈兩個引腳的兩端反向接入一個續(xù)流二極管。當 DSP 的 I/O 口輸出的 高電平信號時，高電平信號從 A進入三極管，三極管導通，繼電器動作。當 I/O 口輸出低電平時，三極管斷開，繼電器觸點跳開。 合閘電路的設(shè)計 合閘電路由一個上拉電阻和一個開關(guān)組成。如圖所示，電阻與開關(guān)串聯(lián)，電阻的另一端接高電平，開關(guān)的另一端接低電平，電阻與開關(guān)之間的一條線接 I/O 口。當開關(guān) 斷開時， I/O 口通過電阻與高電平相連。由于沒有電流流過電阻，所以電阻的壓降為零， I/O口電平與高電平點相等。當開關(guān)被按下時，線路中產(chǎn)生電流，電流從高電平點流出，通過電阻和開關(guān)，流入接地點。電阻上的壓降為高電平點的電壓，此時 A點的電勢與接地點相等，即為低電平。 28 圖 合閘按鈕設(shè)計圖 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計 顯示電路主要是為了顯示采集的電壓和電流信號的大小以及線路上的負載大小。綜合經(jīng)濟性和實用性考慮選用數(shù)碼管顯示。選擇使用 74ls164 移位寄存器作為數(shù)碼管的驅(qū)動芯片。由于需要顯示三個值，總共需要 用到十個數(shù)碼管，因為 164 芯片的可以通過移位功能將顯示信號傳遞下去，所以十個數(shù)碼管只需要一根數(shù)據(jù)線和一根時鐘線就能被控制顯示出來，程序也不復雜。 圖 74ls164級聯(lián)示意圖 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 本次軟件設(shè)計主要由鍵盤輸入程序、 LCD 液晶顯示程序、 AD 采樣程序、通信程序構(gòu)成。整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括主程序模塊，初始化子程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊。主程序模塊主要包括鍵盤掃描模塊和顯示模塊。初始化子程序模塊的功能主要是設(shè)置各個寄存器，使系統(tǒng)按照設(shè)計要求正常工作，并對各種變量進行初始化。主程序主要 是調(diào) 29 用初始化子程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化，并啟動系統(tǒng)中使用的定時器，然后進入循環(huán)體，查詢鍵盤狀態(tài)和調(diào) 用顯示子程序并等待系統(tǒng)中斷。當發(fā)生中斷時優(yōu)先去執(zhí)行中斷服務(wù)程序 ,中斷服務(wù)程序模塊包括 A/D 采樣模塊、算法模塊及與 PC 機的串行通信模塊。在串行口中斷中，主要完成與主機的信息傳送與顯示工作。其基本思路為：先通過鍵盤選擇是進行通信還是測量，如果選擇通信則調(diào)用通信子程序?qū)⒈４嬖跀?shù)據(jù)存儲器中的計算得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機；如果選擇測量，則先通過鍵盤輸入所要選的中性點接地系統(tǒng)類型并用 LCD 進行顯示；在對零序電壓，零序電流進行采集 ，利用均方根值法對采樣數(shù)據(jù)進行處理，計算出零序電流的有功分量和無功分量的有效值，再根據(jù)附加電阻測量絕緣阻抗的計算公式計算電阻 r 和電容 c 值，最后算出電網(wǎng)電容電流和電網(wǎng)對地絕緣電阻電流。最后由 LCD 顯示 ?cI 、 ?rI ，返回主程序循環(huán)執(zhí)行。 30 第四章 系統(tǒng)的硬件調(diào)試和系統(tǒng)測試 系統(tǒng)硬件的調(diào)試 硬件系統(tǒng)的調(diào)試分為三個部分，第一是采樣電路的調(diào)試，第二是顯示電路的調(diào)試，第三是繼電保護電路的調(diào)試。 采樣電 路的調(diào)試 將采樣電路分為兩個部分分別調(diào)試。首先將電源輸入端插入插座，對比變壓器一次側(cè)與電壓互感器二次側(cè)的電壓值，得出其電壓變比。經(jīng)過試驗，變比為 1/133，與設(shè)計值1/ 相近，滿足設(shè)計要求。 將電流互感器的一次側(cè)接入低壓負載，運用調(diào)壓器和滑動變阻器調(diào)整一次側(cè)電流，檢查其線性度和飽和電流。 將信號發(fā)生器接入運放電路的輸入端，將示波器接到運放的輸出端。首先將波形發(fā)生器的波形調(diào)為 0v，調(diào)整偏置電壓，將在示波器中觀測，使得波形穩(wěn)定在 。再將波形調(diào)為最大值為 ，最小值為 的正弦波，然后通過 示波器觀測其輸出端的波形。經(jīng)過試驗，輸出波形為最大值為 ，最小值為 ，與設(shè)計值最大值為 ，最小值為 相近。 由于電子元件產(chǎn)生的誤差將在程序中給予矯正。 顯示電路的調(diào)試 顯示電路有四根對外接線，分別為信號、時鐘、 5v 電源、接地。首先將四根連線連入 DSP，在程序中輸入指令讓數(shù)碼管顯示十個“ 8”，檢查焊點是否出現(xiàn)虛焊、漏焊。然后修改程序程序，讓數(shù)碼管顯示“ 09”十個數(shù)字，檢查數(shù)碼管段碼是否有錯。試驗后發(fā)現(xiàn)顯示電路可以正常工作。 繼電保護電路的調(diào)試 跳閘繼電器電路 的調(diào)試：連接采樣板的電源，用連接電源的一根引線碰觸三極管的 b引腳，通過觀察指示燈的顏色可以知道繼電器的開合狀態(tài)，并且能聽到聲音。 合閘按鈕部分的調(diào)試：將萬用表調(diào)至 20V 直流檔，一個表筆接地，另一個表筆接到信號輸出端。在沒有按下按鈕時，測得電壓為 5v，當按下按鈕時，測得電壓為 0v，說明電路工作正常。 31 系統(tǒng)誤差分析 （ 1） 實驗一： 實物如圖 所示： 4． 1 220v 系統(tǒng)誤差分析 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 220V，電流有效值為 。在這個工作環(huán)境下程序運行結(jié)果如表 41所示： 表 41 220v系統(tǒng)誤差分析 實際值 測量值 電壓有效值（ V） 220 電流有效值 (A) 通過實際值和程序運行結(jié)果對比計算誤差百分比，計算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100220 % ?????? U （ 41） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 42） （ 2） 實驗二： 實物如 圖 所示： 32 圖 200v 系統(tǒng)誤差分析 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 200V，電流有效 值為 。在這個工作環(huán)境下程序運行結(jié)果如下表所示： 表 42 200v 系統(tǒng)誤差分析 實際值 測量值 電壓有效值（ V） 200 電流有效值 (A) 通過實際值和程序運行結(jié)果對比計算誤差百分比，計算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100200 % ????? U （ 43） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 44） （ 3） 實驗三： 實物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器 ，使輸入電壓有效值為 180V，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個工作環(huán)境下程序運行結(jié)果如 表 所示： 33 圖 180v 系統(tǒng)誤差分析 表 180v 系統(tǒng)誤差分析 實際值 測量值 電壓有效值（ V） 180 電流有效值 (A) 通過實際值和程序運行結(jié)果對比計算誤差百分比，計算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100180 % ?????? U （ 45） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 46） （ 4） 實驗四： 實物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 159V，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個工作環(huán)境下程序運行結(jié)果如表 所示： 34 圖 160v 系統(tǒng)誤差分析 表 160v 系統(tǒng)誤差分析 實際值 測量值 電壓有效值（ V） 159 電流有效值 (A) 通過實際值和程序運行結(jié)果對比計算誤差百分比，計算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100159 160159% ?????? U （ 47） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 48） （ 5） 實驗五： 實物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 139V，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個工作環(huán)境下程序運行結(jié)果如表 所示： 35 圖 140v 系統(tǒng)誤差分析 表 140v 系統(tǒng)誤差分析 實際值 測量值 電壓有效值（ V） 139 電流有效值 (A) 通過實際值和程序運行結(jié) 果對比計算誤差百分比，計算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100139 % ????? U （ 49） 電流有效值誤差百分比為： %4%100* % ????? I （ 410） （ 6） 實驗六： 實物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 ，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個工作環(huán)境下程序運行結(jié)果如表 所示： 36 圖 120v 系統(tǒng)誤差分析 通過實際值和程序運行結(jié)果對比計算誤 差百分比，計算結(jié)果如下 表 120v 系統(tǒng)誤差分析 實際值 測量值 電壓有效值（ V） 電流有效值 (A) 電壓有效值誤差百分比為： %% % ?????? U （ 411） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 412） （ 7） 實驗七： 實物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 ，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個 工作環(huán)境下程序運行結(jié)果如表 所示： 37 圖 47 100v 系統(tǒng)誤差分析 表 47 100v 系統(tǒng)誤差分析 實際值 測量值 電壓有效值（ V） 電流有效值 (A) 通過實際值和程序運行結(jié)果對比計算誤差百分比，計算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %% % ?????? U （ 413） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 414） 通 過對上面的實驗，我們得到了七組不同運行條件下的實驗值，在對實驗結(jié)果的計算中我們知道測量電壓對于實際值的誤差 %U? 最大值為 %最小值為 ﹣ %，測量電流相對于實際值的誤差最大值為 %最小值為 ﹣ %。 在 對電壓有效值 誤差計算中 ，通過統(tǒng)計表 計算 出 誤差平均值百分比 和 平均差百分比 ，對以上 七 組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果如 表 58： 實際值 U （ V） 測量值 U? （ V） 誤差百分比 %U? 38 %? 200 % %? %? % %? %? 電 壓有效值 誤差百分比平均值 與平均差百分比 ： % %%%%%%% ??????????E U （ 415） % %%%%%%% ????????D U （ 416） 在 對電流有效值 誤差計算中 ，通過統(tǒng)計表 計算 出 誤差平均值百分比 和 平均差百分比 ，對以上 七 組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果如 表 59： 實際值 I （ A） 測量值 I? （ A） 誤差百分比 %I? %? %? %? %? %4? %? %? % %%%4%%%% ??????????E I （ 417） % %%%4%%%% ????????D I （ 418） 以上 七 組數(shù)據(jù)的分析結(jié)果中可以看出，在不同的運行條件下，我們得到 電壓有效值誤差平均值百分比為 %? 平均差百分比 為 % ，電流 有效值 誤差平均值百分比為 39 %? 平均差百分比為 % 。 通過誤差分析可以看出該系統(tǒng)在精度上滿足了設(shè)計要求，也進一步證明了該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對電網(wǎng)電壓、 電流 采樣具有一定得的實時 性 和準確性 ， 也 實 現(xiàn) 了為微機保護可靠動作提供保證。 調(diào)試過程中存在的問題及解決方法 在電路的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)電路有兩處不合理的設(shè)計。第一是偏置電壓峰峰值電壓過大，嚴重影響到采樣的精確度，第二是各級運放的電壓放大倍數(shù)設(shè)置不合理，電壓過低，造成容易受到外界信號的干擾導致信號嚴重失真。 在改進之前，當時偏置電壓是由 LM2596adj提供的，并且運放的設(shè)計偏置電壓為。 LM2596adj 是一個可調(diào)電壓的開關(guān)式電源芯片，開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率高，但是對外圍電路的性能要求也高。開始 C1和 C2采用的是 耐壓值為