【正文】 號(hào)繼電器等組成的采樣系統(tǒng)，存在硬件電路復(fù)雜等諸多弊端，因此本系統(tǒng)求取系統(tǒng)中交流參數(shù)采用軟件代替硬件，進(jìn)一步優(yōu)化了交流采樣系統(tǒng)，做到了簡(jiǎn)化硬件、提高實(shí)時(shí)性，并能快速、準(zhǔn)確地采集各種電力參數(shù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。隨著微型計(jì)算機(jī)、 DSP 系統(tǒng)價(jià)格的逐步降低和技術(shù)的不斷成熟，在工廠用電中， 、 380V 電壓等級(jí)的繼電保護(hù)設(shè)備也逐步向微機(jī)保護(hù)發(fā)展，基于 DSP的交流采樣系統(tǒng)將大量運(yùn)用于此類場(chǎng)合。要求是明確該系統(tǒng)的基本構(gòu)成，了解均方根算法等相關(guān)控制算法，熟悉 DSP 采樣原理，完成采樣電路硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)交流采樣。 3） 當(dāng)采樣所得電流或電壓超出設(shè)定范圍時(shí)，繼電器動(dòng)作，切斷負(fù)載線路?？刂撇糠质褂美^電器切斷線路。 3 第二章 交流采樣系統(tǒng)的器件介紹 DSP 芯片介紹 我們通常所說的 DSP 有兩個(gè)含義：其一是 Digital Signal Processing的簡(jiǎn)稱，是指數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，它不僅涉及許多學(xué)科，還廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。他是一種適合于數(shù)字信號(hào)處理的高性能微處理器。 在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下， DSP 芯片的功能日益強(qiáng)大，性能價(jià)格比不斷提高，開發(fā)環(huán)境日臻完善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。 DSP 的特點(diǎn) 為了實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字信號(hào)處理， DSP 芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。 哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在不同的存儲(chǔ)空間，對(duì)程序和獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。為了進(jìn)一步提高速度和靈活性，TMS320 系列產(chǎn)品中，在哈佛結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)，一是允許程序存儲(chǔ)在高速緩存中，提高指令讀取速度；二是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)芯片的靈活性。 流水線技術(shù)： DSP 芯片廣泛采用流水線技術(shù)，增強(qiáng)了處理器的處理能力。在流水線操作中，取指令、指令譯碼和執(zhí)行可以獨(dú)立處理，這樣 DSP 可以同時(shí)處理多條指令，只是每條指令處于不同的階段。 4 硬件乘法器：在數(shù)據(jù)信號(hào)處理的許多算法中，（如 FFT 和 FIR 等），需要做大量的乘法和加法。在通用的微處理器中，有些根本沒有乘法指令，有乘法指令的處理器，其乘法指令的執(zhí)行時(shí)間也較長(zhǎng)。在 TM320 系列中，一次乘累加最少可以在一個(gè)時(shí)鐘周期完 成。比如，TMS320 系列的位返轉(zhuǎn)尋址方式， LTD、 MPY、 RPTK 等特殊指令。 另外，由于 DSP 的時(shí)鐘頻率提高，執(zhí)行周期的縮短，加上以上一些 DSP 結(jié)構(gòu)特征使得 DSP 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理成為可能。 J12 擴(kuò)展插座包含 16 根地址線和 16 跟數(shù)據(jù)線，可以用于讀出和輸出并行的數(shù)據(jù)； J13 擴(kuò)展插座包括 F2812 外部擴(kuò)展總線的控制線、 McBSP 接口線、外部中斷和外部復(fù)位等重要的引腳信 5 號(hào)； J18 擴(kuò)展插座主要是 AD 和 DA 接口， J18 仲擴(kuò)展了所有的 AD 和 DA 引腳； J19 擴(kuò)展插座主要是擴(kuò)展 F2812 開發(fā)板上空閑的 DSP 外設(shè)引腳，以 便于制定硬件環(huán)境。 表 J18 的管腳定義和說明 管腳號(hào) 管腳名 說明 管腳號(hào) 管腳名 說明 1 VCCA 模擬電源 +5V 18 AGND 模擬地 2 VCCA 模擬電源 +5V 19 ADINB6 模擬輸入通道 B6 3 CAP1 CAP 輸入端 1 20 ADINB7 模擬輸入通道 B7 4 CAP2 CAP 輸入端 2 21 ADREFIN 測(cè)試引腳 5 ADINA2 模擬輸入通道 A2 22 ADCREFLO 模擬參考低電壓輸入 6 ADINA3 模擬輸入通道 A3 23 ADINA0 模擬輸入通道 A0 7 ADINA4 模擬輸入通道 A4 24 ADINA1 模擬輸入通道 A1 8 ADINA5 模擬輸入通道 A5 25 DAOUT1 模擬輸出通道 1 9 ADINA6 模擬輸入通道 A6 26 DAOUT2 模擬輸出通道 2 10 ADINA7 模擬輸入通道 A7 27 11 ADINB0 模擬輸入通道 B0 28 12 ADINB1 模擬輸入通道 B1 29 CAP3 CAP 輸入端 3 13 ADINB2 模擬輸入通道 B2 30 CAP4 CAP 輸入端 4 14 ADINB3 模擬輸入通道 B3 31 CAP5 CAP 輸入端 5 15 ADINB4 模擬輸入通道 B4 32 CAP6 CAP 輸入端 6 16 ADINB5 模擬輸入通道 B5 33 AGND 模擬地 17 AGND 模擬地 34 AGND 模擬地 6 表 J19 的管腳定義和說明 管腳號(hào) 管腳名 說明 管腳號(hào) 管腳名 說明 1 +5V 電源 由 POWER 提供的電源 18 GND 地線 2 +5V 電源 由 POWER 提供的電源 19 T2CTRP 定時(shí)器 2 比較輸出 3 PWM1 PWM1 輸出引腳 20 T3CTRP 定時(shí)器 3 比較輸出 4 PWM2 PWM2 輸出引腳 21 T4CTRP 定時(shí)器 4 比較輸出 5 PWM3 PWM3 輸出引腳 22 C1CRTIP 比較器 1比較輸出 6 PWM4 PWM4 輸出引腳 23 C2CRTIP 比較器 2比較輸出 7 PWM5 PWM5 輸出引腳 24 C3CRTIP 比較器 3比較輸出 8 PWM6 PWM6 輸出引腳 25 TDIRA 定時(shí)器計(jì)數(shù)方向 A 9 PWM7 PWM7 輸出引腳 26 TCKINA 定時(shí)器時(shí)鐘輸入 A 10 PWM8 PWM8 輸出引腳 27 SCITXB 異步串口 TX 端 B 11 PWM9 PWM9 輸出引腳 28 SCIRXB 異步串口 RX 端 B 12 T1PWM T1 輸出引腳 29 SPSIMA SPI 主收主發(fā)端 13 T2PWM T2 輸出引腳 30 SPSOMA SPI 主發(fā)從收端 14 T3PWM T3 輸出引腳 31 SPICLKA SPI 時(shí)鐘 15 T4PWM T4 輸出引腳 32 SPISTEA SPI Slave 發(fā)送使能 16 T1CTRP 定時(shí)器 1 比較輸出 33 GND 地線 17 GND 地線 34 GND 地線 運(yùn)算放大器 LM324 介紹 LM324 工作原理 LM324 系列運(yùn)算放大器是價(jià)格低廉的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器，可工作在單電源下。該四放大器可以工作在低到 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。 7 LM325 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 輸入級(jí) ： 3V32V ：最大 100nA（ LM324A） 。 LM324 內(nèi)部集成四個(gè)運(yùn)算放大器，每個(gè)運(yùn)放相互獨(dú)立，可以單獨(dú)使用。他的內(nèi)部通常包含四個(gè)基本組成部分，即輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路，如圖所示。 輸 入 級(jí) 中 間 級(jí) 輸 出 級(jí)偏 置 電 路 圖 集成運(yùn)放的基本組成部分 1) 輸入級(jí) 集成運(yùn)放的輸入級(jí)對(duì)于他的許多指標(biāo)注入輸入電阻、共模輸入電壓、差模輸入電壓和共模抑制比等等，起著決定性的作用，因此是提高集成運(yùn)放質(zhì)量的關(guān)鍵。 2) 中間級(jí) 中間級(jí)的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。尤其當(dāng)輸入級(jí)采用有源負(fù)載時(shí)，中間級(jí)的輸入電阻問題更為重要，否則 將使輸入級(jí)的電壓增益大為降低，失去了有源負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)。 8 為了提高電壓放大倍數(shù)，集成運(yùn)放中間級(jí)經(jīng)常利用三極管作為有緣負(fù)載。 3) 輸出級(jí) 集成運(yùn)放輸出級(jí)的主要作用是提供足夠的輸出功率以滿足負(fù)載的需要，同時(shí)還應(yīng)具有較低的輸出電阻以便增強(qiáng)帶載能力，也應(yīng)有較高的輸入電阻，以免影響前級(jí)的電壓放大倍數(shù)。由于輸出級(jí)工作在大信號(hào)狀態(tài)，應(yīng)設(shè)法盡可能減少出書波形的失 真。 集成運(yùn)放的輸出級(jí)基本上都采用各種形式的互補(bǔ)對(duì)稱放大電路。一般由三極管組成的電流源電路提供恒定的靜態(tài)電流和有源負(fù)載。輸出端的電壓與反向輸入端的信號(hào)相位相反，而與同相輸入端的信號(hào)相位相同。 由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，所以其線性工作范圍很窄。當(dāng)運(yùn)放工作工作在線性區(qū)時(shí)，可組成各類信號(hào)運(yùn)算電路，如比例、加減、微分和積分等。比例運(yùn)算電路根據(jù)輸入信號(hào)解法的不同，有電路三種基本形式：反相輸入、同相輸入以及差分輸入比例運(yùn)算電路。輸出電壓 U0經(jīng) Rf接回到反相輸入端構(gòu)成負(fù)反饋放大器。為了使差動(dòng)放大電路的參數(shù)保持對(duì)稱，應(yīng)使兩個(gè)差分對(duì)管基 級(jí)對(duì)地電阻盡量一致，以免靜態(tài)基流流過這兩個(gè)電阻時(shí)在運(yùn)放輸入端產(chǎn)生附加的偏差電壓。為了使集成運(yùn)放反相輸入端和同相輸入端對(duì)地電阻一致， R2電阻仍應(yīng)為 R2=R1//Rf （ 24） 同比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為 10 1 RRuuA fiuf ??? （ 25） 圖 差分比例運(yùn)算電路 上圖中，輸入電壓 Ui和 Ui’分別加在集成運(yùn)放的反相輸入端和同相輸入端，從輸出端通過反饋電阻 Rf接回到反相輸入端。 RRuu uA fiiuf???? （ 27） 加法和減法運(yùn)算 圖 加法電路 11 加法電路電壓為 )( 3322110 RuRuRuRu iiif ???? （ 28） 若取 R1=R2=R3=Rf=R 式可簡(jiǎn)化為 )( 3210 iii uuuu ???? （ 29） 圖 減法電路 減法電路電壓為 22110 ifif uRRuRRu ??? （ 210） 濾波電路 當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，還可以組成各式各樣的濾波電路。 圖 有源二階低通濾波電路 12 二階有源低通濾波電路的通帶電壓放大倍數(shù)為 11 RRA fu ?? （ 211） 通帶截止頻率為 RC2 10 ??f （ 212） 開關(guān)式穩(wěn)壓電源芯片 LM2596 介紹 LM2596 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出 3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。 該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為 150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。 該器件還有其他一些特點(diǎn)：在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在177。 15%的范圍內(nèi)；可以用僅 80μA 的待機(jī)電流， 實(shí)現(xiàn)外部斷電；具有自我保護(hù)電路（一個(gè)兩級(jí)降頻限流保護(hù)和一個(gè)在異常情況下斷電的過溫完全保護(hù)電路） LM2596 常常被運(yùn)用于制作高效率降壓調(diào)節(jié)器、單片開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器、正負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器等。 LM2596 的特點(diǎn) 1) 、 5V、 12V 的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出 2) 可調(diào)輸出電壓范圍 ～ 37V177。 2) 2號(hào)管腳輸出管腳，輸出電壓為 、 5V、 12V 或者為小于 37V 的可調(diào)電壓。 4) 4號(hào)管腳為反饋管腳，所能承受的反饋電壓的范圍是 。 表 LM2596 的主要性能參數(shù) 符號(hào) 參量 條件 典型值 極限值 VOUT 輸出電壓 ≤VIN≤40V， ≤ILOAD≤3A η 效率 VIN=12V， ILOAD=3A 73% VOUT 輸出電壓 7V≤VIN≤40V， ≤ILOAD≤3A 14 η 效率 VIN=12V， ILOAD=3A 80% LM259612 VOUT 輸出電壓 15V≤VIN≤40V， ≤ILOAD≤3A η 效率 VIN=25V， ILOAD=3A 88% LM2596ADJ VOUT 輸出電壓 ≤VIN≤40V， ≤ILOAD≤3A VOUT=3V， η 效率 VIN=25V， VOUT =3V， ILOAD=3A 73% VIN=25V， VOUT =15V， ILOAD=3A 90% 通過表 可知， LM2596 僅需 4 個(gè)外接元件，就可以得到很好的轉(zhuǎn) 換效率。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref（ ）到 36V 范圍內(nèi)的任何值。 TL431 工作原理 圖 TL431的符號(hào) 上圖是該器件的符號(hào)。 TL431的具體功能可用圖 的功能模塊示意。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng) REF 端（同相端）的電壓非常接近 VI（ ）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著 REF 端電壓的微小變化，通過三極管 圖 1 的電流將從1 到 100mA 變化。 TL431 的引腳和其主要性能參數(shù) 1）最大輸入電壓為 37V 2）最大工作電流 150mA 3）內(nèi)基準(zhǔn)電壓為 4）輸出電壓范圍為 ~30V LED 八段數(shù)碼管顯示器 數(shù)碼管是一類顯示屏，通過對(duì)其不同的管腳輸入相對(duì)的電流會(huì)使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字。由于它的價(jià)格便宜，使用簡(jiǎn)單，在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。 16 四位共陰八段數(shù)碼管