CN112181039A - 一种基于dma及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源 - Google Patents

一种基于dma及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源 Download PDF

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李珺
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Abstract

一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，工控器把带纹波的直流波形通过以太网接口以及DSP下载到波形随机存取存储器上，工控器上的带纹波的直流波形可以由MATLAB工具计算产生或软件拟合产生，工控器把波形下载到随机存取存储器的速率由以太网的速率和DSP的速度决定，当工控器把波形全部下载到随机存取存储器后，DSP启动第一DMA控制器、第二DMA控制器，DA把随机存取存储器存储的波形直流转为小模拟量信号，小模拟量信号VIN1通过电压功放输出带纹波的直流电压信号，小模拟量信号VIN2通过电流功放输出带纹波的直流电流信号。本发明实现低频纹波到高频纹波的高准确度输出，且可实现双极性输出，可以广泛应用于低速模拟信号的仿真。

Description

一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源
技术领域
本发明属于电测仪器仪表技术领域，涉及一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源。
背景技术
随着电力电子技术的发展及电力电子技术在各行各业中的应用，包括直流配电网、高压直流输电、电动汽车直流充电桩、光伏逆变直流输出等直流电的应用数量越来越多，一般工业应用的直流电中多少会叠加一些交流成分，对直流配电网、高压直流输电、电动汽车充电桩直流输出等通过交流电压变换、整流滤波后得来的直流电会叠加和工频倍率相关的纹波，对不同的脉动整流的纹波频率会不一样，一般6和12脉动较为常见，也有一些48脉动的整理设备，对这些设备的监测设备的直流电能表、直流监测终端以及其他的直流测试仪器仪表，需要对带直流纹波输出的电气特性及准确度进行检测。
本发明针对新能源直流电叠加的高频、低频信号均可以提供准确的仿真信号输出，为直流电能表、直流继电保护设备、光伏逆变输出监测仪表以及其他各种直流监视仪器仪表提供可任意设定纹波输出的准确度为0.05级的直流电压源、直流电流源，以及电压源和电流源组成的功率源。
现有技术(陈水明；姜文辉；冷学道；张佳学；吴云佳.直流电能表的直流电压与纹波电压合成装置[P].中国专利:CN 108983141 A,2018-05-07)提出了一种合成交直流串联合成电压源，该发明专利的核心在于直流电压和交流电压内置在一台设备里面，通过串联进行合成电压输出，而电流没有相应的装置，电流假如通过并联叠加，会互为负载，造成电路异常。
目前交直流功率源可以产生固定频率(50Hz)再叠加直流信号的模拟纹波输出，但是频率范围大大受到限制，一般纹波模拟为50Hz或50Hz的几倍。
现有技术(陈水明；姜文辉；冷学道；张佳学；吴云佳.直流电能表的直流电压与纹波电压合成装置[P].中国专利:CN 108983141 A,2018-05-07)本质上就是交流电压源和直流电压源的串联，该电压源无法实现低频到高频的连续任意输出，同时没有对直流带纹波输出电流源方案，目前市场的交直电源都无法实现任意设定纹波频率(0.001Hz～20kHz)的直流源输出，并且无法实现对直流电压或电流源的双极性输出。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供了一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，把波形的计算和以及拟合转移到工控器，有效利用Matlab仿真数据或录波数据或其他的仿真的数据，需要DA转换时，通过DMA的硬件自动控制，确保DA输出时序的稳定性，保证DA模拟输出的信号的高保真，并且可以实现各种高低频纹波信号的模拟和仿真，可以模拟直流PLC输出，以及其他高频纹波的输出。
本发明采用如下的技术方案：
一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，包括DSP1、以太网接口2、波形随机存取存储器3、工控器4、定时器5、第一DMA控制器6A、第二DMA控制器6B、第一同步串行通信接口7A、第二同步串行通信接口7B、第一DA转换器8A、第二DA转换器8B、晶体9、电压功放10、电流功放11，
工控器4把带纹波的直流波形通过以太网接口2以及DSP1下载到波形随机存取存储器3上；
工控器4上的带纹波的直流波形由MATLAB工具计算产生，或者由示波器或录波仪现场实际录波产生；
当工控器4把波形全部下载到波形随机存取存储器3后，DSP1启动第一DMA控制器6A、第二DMA控制器6B，把波形随机存取存储器3的直流波形通过第一DMA控制器6A发送至第一同步串行通信接口7A，并且把波形随机存取存储器3的直流波形通过第二DMA控制器6B第一同步串行通信接口发送至第一同步串行通信接口7B；
将通过第一同步串行通信接口7A的直流波形发送至第一DA转换器8A，将通过第二同步串行通信接口7B的直流波形发送至第二DA转换器8B，
然后第一DA转换器8A将波形随机存取存储器3的波形直流转为小模拟量信号VIN1，第二DA转换器8B将波形随机存取存储器3的波形直流转为小模拟量信号VIN2，小模拟量信号VIN1通过电压功放10输出带纹波的直流电压信号，小模拟量信号VIN2通过电流功放11输出带纹波的直流电流信号；
其中，DSP为数字信号处理，DMA为直接存储器访问。
所述晶体9为1ppm的10M的有源晶体；
所述工控器4为带网口的台式机或笔记本电脑。
所述第一DA转换器8A和第二DA转换器8B转换过程需要片选信号高电平，片选信号高电平包括D15～D0和大于等于一个时钟信号，其中，D15～D0有16个时钟信号，完成一次DA转换需要大于等于17个时钟信号，当能够对时钟信号实现可编程时，则通过时钟信号时基的改变修改纹波的输出频率，
设在纹波输出每周波采样点为N，纹波输出的频率为f，纹波的输出的周期为T，纹波的DA输出的时间间隔为Ts，
纹波输出的连续时间函数为
Figure BDA0002738192060000031
纹波输出的频率为
f＝CLK/17N (2)，
其中，A为纹波的幅值、N为纹波一个周期的拟合点数、i为拟合序列点、φ为初始相位，A0为直流输出的幅值，CLK为时钟信号。
时钟信号由DSP内部的32Bit的定时器5控制，定时器的输入为DSP1将晶体9倍频为80MHz，定时器5在232内的任意值进行分频。
所述纹波频率控制适用于低频纹波。
所述纹波的输出频率范围为：
当输出高频纹波时，定时器5的定时器最大分频为2，输出为40MHz，最小拟合N为100；
当输出低频纹波时，定时器5的定时器最大分频为232，输出为0.0018Hz，
最小拟合N为8。
所述第一同步串行通信接口7A控制第一DA转换器8A的转换，第二同步串行通信接口7B控制第二DA转换器8B的转换，完成从数字量到模拟量的转换，同步时钟SCLK设置为输入，接入到定时器5的输出上，第一DA转换器8A在时钟信号和片选信号的控制下数据输入信号SDI数据按高位到低位的顺序传输并转换，
第一DA转换器8AAD5543为电流输出，通过运放U8_3转换为电压信号，双极性输出通过运放U8_4转换为双极性，
其转换公式为
Vin＝(D/32.768–1)×VREF
其中，Vin为输入电压，VREF为参考电压，D为参考电压芯片REF102的输出16Bit的数字量。
第一DMA控制器6A控制电流输出，第二DMA控制器6B控制电压输出，DMA控制器设置随机存取存储器的起始地址，纹波周期的拟合点数N，N取值范围为1～8000000；
当DMA的首地址、循环周期设定后，启动DMA，DMA把内存里面的波形数据按DA的时序要求自动循环输出；
电压通道的DMA和电流通道的DMA在DSP1的控制下同步启动，保证电压和电流的同步输出。
所述电压功放10由比例放大电路组成，输出的带纹波的直流电压信号的范围由芯片3483和工作电源决定；
电路的放大倍数为Vo＝(1+R2/R1)×Vin，
其中，R1为第一电阻阻值，R2为第二电阻阻值，Vin为输入电压，Vo为输出电压。
所述电流功放11由功放模块OPA548 U11、反馈电阻R5以及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成，电流功放11采用高端反馈方式，其输出电流I＝R2×Vin/(R1×R5)；
Vin＝(D/32.768–1)×VREF，
其中，Vin为输入电压，VREF为参考电压，D为电压参考模块REF102的输出16Bit的数字量。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明使用高速DMA和可编程时基可调节原理设计了带纹波输出的直流标准功率源，克服了以前直流纹波频率无法任意设置的缺点，可实现低频纹波到高频纹波的高准确度输出，且可实现双极性输出(正或负电压/电流)，可以广泛应用于低速模拟信号的仿真，包括PLC控制的模拟量输出，以及光伏逆变器输出等直流带纹波信号的仿真和测试。
附图说明
图1为一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源总原理图；
图2为DMA传输原理图；
图3为DA转换原理；
图4为电流功率放大器的示意图；
图5为电压功率放大的示意图；
图6为DA输出时序的示意图；
其中，1为数字信号处理器；2为以太网接口；3为波形随机存取存储器；4为工控器；5为定时器；6A为第一DMA控制器；6B为第二DMA控制器；7A为第一同步串行通信接口；7B为第二同步串行通信接口；8A为第一DA转换器；8B为第二DA转换器；9为晶体；10为电压功放；11为电流功放；R1为第一电阻；R2为第二电阻；R3为第三电阻；R4为第四电阻；R5为第五电阻。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
总体工作原理：
如图1所示本发明一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，包括DSP1、以太网接口2、波形随机存取存储器3、工控器4、定时器5、第一DMA控制器6A、第二DMA控制器6B、第一同步串行通信接口7A、第二同步串行通信接口7B、第一DA转换器8A、第二DA转换器8B、晶体9、电压功放10、电流功放11，
工控器4把带纹波的直流波形通过以太网接口2以及DSP1下载到波形随机存取存储器3上；
工控器4上的带纹波的直流波形可以由MATLAB工具计算产生或软件拟合产生，直流波形也可以由示波器或录波仪现场实际录波产生，工控器4将带纹波的直流波形下载到波形随机存取存储器3的速率由以太网接口2的运行速率和DSP1的运行速率决定；
当工控器4把波形全部下载到波形随机存取存储器3后，DSP1启动第一DMA控制器6A、第二DMA控制器6B，把波形随机存取存储器3的直流波形通过第一DMA控制器6A发送至第一同步串行通信接口7A，并且自动把波形随机存取存储器3的直流波形通过第二DMA控制器6B第一同步串行通信接口发送至第一同步串行通信接口7B；
其次，将通过第一同步串行通信接口7A的直流波形发送至第一DA转换器8A，将通过第二同步串行通信接口7B的直流波形发送至第二DA转换器8B；
然后，第一DA转换器8A将波形随机存取存储器3的波形直流转为小模拟量信号VIN1，第二DA转换器8B将波形随机存取存储器3的波形直流转为小模拟量信号VIN2，小模拟量信号VIN1通过电压功放10输出带纹波的直流电压信号，小模拟量信号VIN2通过电流功放11输出带纹波的直流电流信号；
其中，DSP为数字信号处理，DMA为直接存储器访问。
晶体9为1ppm的10M的有源晶体；
工控器4为带网口的台式机或笔记本电脑。
可编程时基时钟信号实现原理：
如图6所示，第一DA转换器8A和第二DA转换器8B转换过程需要片选信号高电平，片选信号高电平包括D15～D0和大于等于一个时钟信号，其中，D15～D0有16个时钟信号，完成一次DA转换需要大于等于17个时钟信号，当能够对时钟信号实现可编程时，则通过时钟信号时基的改变修改纹波的输出频率，时钟信号的改变通过定时器5编程实现。
设在纹波输出每周波采样点为N，纹波输出的频率为f，纹波的输出的周期为T，纹波的DA输出的时间间隔为Ts，
则纹波输出的连续时间函数为
Figure BDA0002738192060000071
其中，A为纹波的幅值、N为纹波一个周期的拟合点数、i为拟合序列点、φ为初始相位，A0为直流输出的幅值，
对比式(1-1)和式(1-2)
Figure BDA0002738192060000072
所以
Figure BDA0002738192060000073
其中，CLK为时钟信号，
所以纹波输出的频率
f＝CLK/17N (2)，
通过修改时钟信号的值控制纹波频率。
时钟信号由DSP内部的32Bit的定时器5控制，定时器的输入为DSP Core 1把晶体8倍频为80MHz，定时器可以在232内的任意值进行分频。
这样纹波的输出频率范围为
a)当输出高频纹波时候，定时器的定时器最大分频为2.输出40MHz，为了波形保真度取最小拟合N为100。
如公式2，f＝CLK/17/N＝40M/17/100＝23.5KHz.
b)当输出低频纹波时，定时器5的定时器最大分频为232，输出为0.0018Hz，最小拟合N为8。(由随机存取存储器的大小确定)
如公式2，f＝CLK/17/N＝0.0009Hz/17/8M＝0.0018Hz/17/8×106
＝0.0018Hz/17/8×106＝1.32×10-9Hz
可实现超低频输出,用于模拟类似缓慢上升的直流信号。
DA转换原理：
如图3所示，DA转换在SPORT口的控制下，完成从数字量到模拟量的转换SPORT的同步时钟SCLK设置为输入接入到定时器的输出上，DA芯片在时钟信号和片选信号的控制下SDI数据按高位到低位的顺序传输并转换如图6所示。
由于DA芯片AD5543为电流输出，所以通过运放U8_3转换为电压信号，同时为了实现双极性输出通过运放U8_4转换为双极性。
第一同步串行通信接口7A控制第一DA转换器8A的转换，第二同步串行通信接口7B控制第二DA转换器8B的转换，完成从数字量到模拟量的转换，同步时钟SCLK设置为输入，接入到定时器5的输出上，第一DA转换器8A在时钟信号和片选信号的控制下数据输入信号SDI数据按高位到低位的顺序传输并转换，
第一DA转换器8AAD5543为电流输出，通过运放U8_3转换为电压信号，双极性输出通过运放U8_4转换为双极性，
其转换公式为
Vin＝(D/32.768–1)×VREF
其中，Vin为输入电压，VREF为参考电压，D为参考电压芯片REF102的输出16Bit的数字量。
DMA传输原理：
DMA传输原理如图2所示，电压和电流分别由两个独立的DMA控制器控制，第一DMA控制器6A控制电流输出，第二DMA控制器6B控制电压输出，DMA控制器可设置随机存取存储器的起始地址，纹波周期的拟合点数N(N由内存的容量决定，在本发明中N最大取8000000)，N可以设定为1～8000000中的任何一个数，其本质上也是可以调节纹波频率。
如公式2，当DMA的首地址、循环周期(拟合周期)设定后，启动DMA，DMA会自动把内存里面的波形数据按DA的是时序要求(如图6)自动循环输出，而不需要CPU的干预，输出的波形没有任何CPU指令的延时，时序抖动等同于晶体的抖动，可以忽略。
电压通道的DMA和电流通道的DMA可以在DSP Core的控制下同步启动，可以保证电压和电流的同步输出。
电压功放原理：
如图5所示，电压功放10由比例放大电路组成，其实输出的范围由芯片3483和工作电源决定，芯片3483最大可工作到+/-150V。
电路的放大倍数为Vo＝(1+R2/R1)×Vin＝11×Vin，
其中，R1为第一电阻阻值，R2为第二电阻阻值，Vin为输入电压，Vo为输出电压。
电流功放原理：
如图4所示，电流功放11由功放模块OPA548 U11、反馈电阻R5以及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成，电流功放11采用高端反馈方式，其输出电流I＝R2×Vin/(R1×R5)＝1k×Vin/(10K×0.1)＝Vin/(1欧)；
Vin＝(D/32.768–1)×VREF，
其中，Vin为输入电压，VREF为参考电压，D为电压参考模块REF102的输出16Bit的数字量。
电流功放实现把1V的电压变成1A的电流。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，包括DSP(1)、以太网接口(2)、波形随机存取存储器(3)、工控器(4)、定时器(5)、第一DMA控制器(6A)、第二DMA控制器(6B)、第一同步串行通信接口(7A)、第二同步串行通信接口(7B)、第一DA转换器(8A)、第二DA转换器(8B)、晶体(9)、电压功放(10)、电流功放(11)，其特征在于：
工控器(4)把带纹波的直流波形通过以太网接口(2)以及DSP(1)下载到波形随机存取存储器(3)上；
工控器(4)上的带纹波的直流波形由MATLAB工具计算产生，或者由示波器或录波仪现场实际录波产生；
当工控器(4)把波形全部下载到波形随机存取存储器(3)后，DSP(1)启动第一DMA控制器(6A)、第二DMA控制器(6B)，把波形随机存取存储器(3)的直流波形通过第一DMA控制器(6A)发送至第一同步串行通信接口(7A)，并且把波形随机存取存储器(3)的直流波形通过第二DMA控制器(6B)第一同步串行通信接口发送至第一同步串行通信接口(7B)；
将通过第一同步串行通信接口(7A)的直流波形发送至第一DA转换器(8A)，将通过第二同步串行通信接口(7B)的直流波形发送至第二DA转换器(8B)；
然后第一DA转换器(8A)将波形随机存取存储器(3)的波形直流转为小模拟量信号VIN1，第二DA转换器(8B)将波形随机存取存储器(3)的波形直流转为小模拟量信号VIN2，小模拟量信号VIN1通过电压功放(10)输出带纹波的直流电压信号，小模拟量信号VIN2通过电流功放(11)输出带纹波的直流电流信号；
其中，DSP为数字信号处理，DMA为直接存储器访问。
2.根据权利要求1所述的一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，其特征在于：
所述晶体(9)为1ppm的10M的有源晶体；
所述工控器(4)为带网口的台式机或笔记本电脑。
3.根据权利要求1所述的一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，其特征在于：
所述第一DA转换器(8A)和第二DA转换器(8B)转换过程需要片选信号高电平，片选信号高电平包括D15～D0和大于等于一个时钟信号，其中，D15～D0有16个时钟信号，完成一次DA转换需要大于等于17个时钟信号，当能够对时钟信号实现可编程时，则通过时钟信号时基的改变修改纹波的输出频率，
设在纹波输出每周波采样点为N，纹波输出的频率为f，纹波的输出的周期为T，纹波的DA输出的时间间隔为Ts，
纹波输出的连续时间函数为
Figure FDA0002738192050000021
纹波输出的频率为
f＝CLK/17N (2)，
其中，A为纹波的幅值、N为纹波一个周期的拟合点数、i为拟合序列点、φ为初始相位，A0为直流输出的幅值，CLK为时钟信号。
4.根据权利要求1或3任一项所述的一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，其特征在于：
时钟信号由DSP内部的32Bit的定时器(5)控制，定时器的输入为DSP(1)将晶体(9)倍频为80MHz，定时器(5)在232内的任意值进行分频。
5.根据权利要求3所述的一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，其特征在于：
所述纹波频率控制适用于低频纹波。
6.根据权利要求3所述的一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，其特征在于：
所述纹波的输出频率范围为：
当输出高频纹波时，定时器(5)的定时器最大分频为2，输出为40MHz，最小拟合N为100；
当输出低频纹波时，定时器(5)的定时器最大分频为232，输出为0.0018Hz，
最小拟合N为8。
7.根据权利要求1所述的一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，其特征在于：
所述第一同步串行通信接口(7A)控制第一DA转换器(8A)的转换，第二同步串行通信接口(7B)控制第二DA转换器(8B)的转换，完成从数字量到模拟量的转换，同步时钟SCLK设置为输入，接入到定时器(5)的输出上，第一DA转换器(8A)在时钟信号和片选信号的控制下数据输入信号SDI数据按高位到低位的顺序传输并转换，
第一DA转换器(8A)AD5543为电流输出，通过运放U8_3转换为电压信号，双极性输出通过运放U8_4转换为双极性，
其转换公式为
Vin＝(D/32.768–1)×VREF
其中，Vin为输入电压，VREF为参考电压，D为参考电压芯片REF102的输出16Bit的数字量。
8.根据权利要求1所述的一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，其特征在于：
第一DMA控制器(6A)控制电流输出，第二DMA控制器(6B)控制电压输出，DMA控制器设置随机存取存储器的起始地址，纹波周期的拟合点数N，N取值范围为1～8000000；
当DMA的首地址、循环周期设定后，启动DMA，DMA把内存里面的波形数据按DA的时序要求自动循环输出；
电压通道的DMA和电流通道的DMA在DSP(1)的控制下同步启动，保证电压和电流的同步输出。
9.根据权利要求1所述的一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，其特征在于：
所述电压功放(10)由比例放大电路组成，输出的带纹波的直流电压信号的范围由芯片3483和工作电源决定；
电路的放大倍数为Vo＝(1+R2/R1)×Vin，
其中，R1为第一电阻阻值，R2为第二电阻阻值，Vin为输入电压，Vo为输出电压。
10.根据权利要求1所述的一种基于DMA及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源，其特征在于：
所述电流功放(11)由功放模块OPA548 U11、反馈电阻R5以及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成，电流功放(11)采用高端反馈方式，其输出电流I＝R2×Vin/(R1×R5)；
Vin＝(D/32.768–1)×VREF，
其中，Vin为输入电压，VREF为参考电压，D为电压参考模块REF102的输出16Bit的数字量。
CN202011140784.XA 2020-10-22 2020-10-22 一种基于dma及可编程时基的带纹波叠加的直流标准功率源 Pending CN112181039A (zh)

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