基于DSP的工頻電量測試儀硬件電路設計

出處：:程志平支長義焦留成發(fā)布于：2007-09-26 16:43:17

　　摘要：以TMS320VC33 DSP為，采用鉗形電流互感器輸入和電壓直接輸入，設計出了電壓，電流，功率，電網頻率，電網功率因數(shù)的測量電路，用該設計的工頻電量測試儀在實際應用中，效果良好。
　　關鍵詞：DSP 電量測試儀硬件設計

一．引言

　　現(xiàn)代企業(yè)的用電系統(tǒng)中，各種儀器儀表正得到越來越多的應用，而以單片機為內核的儀表由于速度和的問題，在很大程度上已不能滿足人們對信息處理的需求。DSP 軟件編程靈活，自由度大，實時運算速度,數(shù)據處理能力遠遠超過單片機.本文以TMS320VC33 DSP為，設計一種處理速度和準確度都較高的工頻電量測試儀，來滿足人們的實際需要。

二．電路設計

1．電壓取樣跟隨電路

　　0～5V的電壓信號，需要在回路中并聯(lián)電阻。為提高，取流過電阻的電流為1mA，且電阻的溫度應該很小，因此選用較大的電阻。為了保證分壓信號在0～5Ｖ之間，選分壓阻值R6=315K，R7=5K。

2. 電流取樣跟隨電路

　　為了將系統(tǒng)0～5A的電流轉換為用于測量的0～10mA的電流，利用變壓器可以實現(xiàn)電流信號的轉換，當測量信號為5A時，原邊和副線圈比例為1:500。器件的輸入一般都是電壓，所以需把電流信號轉化為電壓信號，只需在電流的輸出端接一個500歐姆的電阻就可把10mA的電流轉化為5伏的電壓。

3. AD轉換電路

　　采用AD73360 A/D 轉換器，AD73360是AD公司推出的6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D 轉換器。由于采用∑-A/D轉換原理，具有良好的抗混疊性能，所以對模擬前端濾波器的要求不高，它能保證6路模擬信號同時采樣，且在變換過程中延遲很小。本設計采用直流耦合的單端輸入。

4．倍頻電路

　　為了啟動A/D轉換器和測量系統(tǒng)的頻率，系統(tǒng)中必有倍頻電路。采樣電路采樣得到的正弦波經OP-07比較器后變成了方波，其一周期內只有兩個脈沖，用此脈沖啟動A/D轉換遠達不到系統(tǒng)的要求。倍頻電路的作用就是把方波變成更多的脈沖。

CC4046在倍頻電路中的作用是頻率合成。

　　若晶體產生的頻率為fs，經固定分頻電路除以M后得到參考頻率fr,則由fr=fs/M，被送到相位比較器的一個輸入端上作比較基準，由VCO產生的頻率f0被一個可編程分頻器除以N后送到相位比較器的另一個輸入端上與fr進行比較，當鎖定后，則有：fs/M=f0/N 即f0=N/M fs。在此設計中，M=1，N=360，fs是由OP-07比較后產生的脈沖的頻率。程序倍頻器由CC4046組成，它產生360的分頻。分頻后的信號進入8253計數(shù)器，由計數(shù)器來計算頻率。

5 模擬開關電路

　　在測電壓和電流時，倍頻器要分別和相應的電壓采樣電路和電流采樣電路相連，就需要一個模擬開關進行選擇，選用的模擬開關是CMOS的CC4053。CMOS多路模擬開關電路是由地址譯碼器和多路雙向模擬開關組成，可以通過外部地址輸入，經電路內部的地址譯碼器譯碼后，接通與地址碼相對應的其中的一個開關。它允許從n線到1線的傳送或1線到n線的信號分離，以及允許信號的并—串轉換。CC4053是三組二路模擬開關。

6.CC4046與8253的連接

　　CC4046作為倍頻電路使用時，其輸出信號頻率為它的輸入信號頻率的N倍，倍頻電路由鎖相環(huán)和N進制計數(shù)器組成，計數(shù)器插入在VCO輸出和比較器之間。這樣，當鎖相環(huán)鎖定時，計數(shù)器輸出信號頻率和鎖相環(huán)輸入信號頻率相等，從而在計數(shù)器時鐘輸入端（即VCO輸出）得到倍頻輸出信號。

　　7.串口通信的實現(xiàn)：為了擴大儀表的功能，使儀表能夠方便的與上位機進行數(shù)據交換，為儀表設計了一個RS-232標準串行接口，TMS320VC33沒有接收發(fā)送數(shù)據的功能，所以把8251作為VC33的一個串行通道。由于RS-232的電平與TTL電平不兼容，所以需要加MAX232E作為電平轉換電路。可知:8251A的、、RESET等信號與VC33的相位端相連，8251A的D7～D0和VC33的低8位數(shù)據總線D7～D0相連。8251A的片選信號由地址譯碼電路74LS138的Y5提供，與地址總線的A0相連，用于選擇數(shù)據口和控制口。VC33的時鐘經過8253分頻后，送到8251A的和端，作為8251A接收時鐘和發(fā)送時鐘。

8. 電壓轉化電路設計

　　由于8251的TXD和RXD信號和PC機的串口電壓不符, 所以在此之間加了一個電壓轉換器MAX232。其連接圖如圖8。其內部主要由一個將+5V變至+10V的電

　　壓倍增器，一個將+10V變至-10V的電壓變換器以及兩個發(fā)送器和兩個接收器組成。使用時只需在外部連接4個電容，通過內部的雙充電泵電壓變換器，就可以實現(xiàn)升壓和電壓極性轉換，把+5V變換成±12V，以作為驅動器的電源。通過這種芯片不但實現(xiàn)了TTL與EIA232C電平的轉換，而且可同時完成正負邏輯之間的轉換，使用起來非常方便。

9.存儲器擴展

　　Am29LV800B是一個8M位，3.3V閃速存儲器，該存儲器有1M字節(jié)或512K16位字。16位字數(shù)據出現(xiàn)在DQ15–DQ0上；字節(jié)寬數(shù)據出現(xiàn)在DQ7–DQ0上。這個器件僅需要單個3.3V電源就可完成讀、編程和擦除操作。也可以使用一個標準EPROM編程器編程和擦除器件。

　　該器件是用AMD的0.32µm技術制造，還具有旁路解鎖編程和在線塊保護/不保護的特點。標準器件提供70、90和120ns的訪問時間，使得高速微處理器操作沒有等待。

　　對于讀和寫功能器件僅需要單個3.3V電源供電。內部產生和調節(jié)編程和擦除操作所需的電壓。根據AM29LV800B引腳的特性。

　　此設計利用PAGE1*作為片選信號，即從VC33的引導2（400000h～7FFFFFh）引導閃存，是因為TMS320VC33把這部分地址正好映射到外部存儲器.VC33的讀為高電平,而AM29LV800B的輸出使能OE#有效為低電平,所以在R和OE#之間必須加上個非門.W#可和WE#直接相連,存儲器的復位引腳直接與VC33的復位引腳相連,使系VC33復位時,閃存器件也復位,為讀寫作好準備.用XF0作為檢測RY/BY的狀態(tài)位,由于采用字的格式,所以直接把BYTE接高電平。

　　此外，電路還包括以MAX706 設計的復位電路、看門狗電路、顯示器、鍵盤電路等。，實現(xiàn)電壓，電流，功率，電網頻率，電網功率因數(shù)的測量。用戶通過鍵盤可以方便地進行人機對話，實現(xiàn)各種功能；通過顯示器可以及時看到測量數(shù)據，通過擴展存儲器可以保存實驗數(shù)據，通過異步串行通信口可以方便的同其他計算機進行信息傳遞和數(shù)據的交換共同完成各種功能。用該設計的工頻電量測試儀在實際應用中，性能穩(wěn)定，效果良好。