CN203519678U - 一种高精度带过零同步pps输出的三相交流模拟源 - Google Patents

Abstract

一种高精度带过零同步PPS输出的三相交流模拟源，包括变频模块、信号发生模块、功放模块和人机接口模块。所述信号发生模块由数字信号处理器DSP、外部数据存储器SDRAM和转换器DA组成。所述变频模块的中频率发生器件采用AD9956直接数字合成器。所述信号发生模块，采用具有756MHz/1512MMACs的CPU性能以及12通道DMA的BF533DSP，外部数据存储器使用32M字节的SDRAMMT48LC4M16A2TG。所述功放模块使用LM12CLK高性能功放。所述人机接口模块由LX-801A工控机、800*600TFT液晶显示器，键盘和工业键盘组成。本实用新型三相交流模拟源的准确度优于±0.02%RG、稳定度优于±0.01%RG/1min、输出波形失真度小于0.02%，符合0.02级标准，在输出50Hz的交流信号时输出过零同步PPS的过零误差小于0.5us；适用电能表、电子式互感器以及合并单元等仪器设备的校验和测试。

Description

一种高精度带过零同步PPS输出的三相交流模拟源

技术领域

本实用新型涉及一种高精度的带过零同步秒脉冲（PPS）输出的三相交流模拟源的设计与实现，属于仪器校验和产品性能测试领域。

背景技术

在校验和测试电能表、电子式互感器以及合并单元等仪器设备的过程中，常常需要用到交流功率源作为激励源，对其输出波形有很高的要求，其稳定度、精度和失真度均须符合一定的国家标准。在电力行业标准《DL/T281-2012合并单元测试规范》中，对合并单元的测试给出了非常严格的测试模型。为了满足校验的高精密度要求，本实用新型设计了一种基于ADI公司的BF533高性能DSP、高精度的DA以及功率放大器构成的带过零同步秒脉冲输出的三相交流模拟源。

发明内容

本实用新型的目的是,为满足仪器校验和产品性能测试的需要，推出一种基于ADI公司的BF533高性能DSP、高精度的DA以及高速高精度功率放大器构成的带过零同步秒脉冲（PPS）输出的三相交流模拟源。

为了实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：一种高精度带过零PPS的三相交流模拟源，包括变频模块、信号发生模块、功放模块和人机接口模块，变频模块和人机接口模块分别接信号发生模块的相应输入接口，信号发生模块的输出通过D/A转换器接功放模块。输出精度为0.02级的交流电压电流信号，在输出50Hz交流信号时输出过零同步PPS。

所述信号发生模块由数字信号处理器DSP、外部数据存储器SDRAM和转换器DA组成；外部数据存储器SDRAM接数字信号处理器DSP相应接口，数字信号处理器DSP输出接转换器D/A。

所述变频模块使用直接数字合成器（DDS）技术来产生频率信号，实现模拟源输出信号的频率调制，变频模块中频率发生器件使用美国亚诺德（Analog）公司的AD9956直接数字合成器。

所述信号发生模块完成波形的拟合和原始信号波形的发生。信号发生模块由人机接口输入模拟源输出信号的幅值、频率等参数，并实时计算信号波形的捏合数据点，放入SDRAM中，并通过DMA自动送出至D/A转换。信号发生模块采用ADI公司的BF533高性能DSP，具有756MHz/1512MMACs的CPU性能以及12通道的DMA；软件上使用双精度算法产生各相电压电流的波形数据，每周波拟合点数高达50000点，波形解析度高，几乎无失真，具有很好的暂态特性、相频特性、幅频特性；信号的波形调制和幅度调制使用两个独立的16Bit的D/A叠加而成可达32Bit的分辨率，采用高速16bit D/A转换器将离散信号通过转换为连续的模拟信号，由于D/A分辨率高和转换速度快，D/A的波形质量无需滤波器，可简化设计、降低成本，同时还大大降低波形失真度。

所述的功放模块使用LM12CLK高性能功放，为了提高安全性，输出使用变压器隔离，使用档位自动切换来实现宽量程。

所述的人机接口模块完成人机交互，设置输出信号的幅值、频率和相位，控制各路信号的输出等功能，使用思泰基的LX-801A工控机，液晶使用800*600TFT液晶显示器，键盘使用工业键盘；液晶显示器接工控机输出端口，工业键盘接工控机输入接口。

本实用新型的有益效果是，高精度带过零同步秒脉冲（PPS）输出的三相交流模拟源的信号输出的高保真，准确度优于±0.02%RG、稳定度优于±0.01%RG/1min、输出波形失真度小于0.02%，符合0.02级标准，在输出50Hz的交流信号时输出过零同步PPS的过零误差小于0.5us。

本实用新型适用电能表、电子式互感器以及合并单元等仪器设备的校验和测试。

附图说明

图1是高精度带过零同步秒脉冲PPS输出的三相交流模拟源结构框图。

具体实施方式

为了更加具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

基于DDS的变频信号产生

如图1所示，系统时钟CLK由一个稳定的晶体振荡器产生，它用于同步频率合成器的各个部分。本实用新型实施例使用的频率发生器件是美国亚诺德（Analog）公司的AD9956直接数字合成器。

设系统时钟频率为f_CLK，则DDS系统输出信号的频率f_DDS为：

$f_{\mathrm{DDS}}=\frac{K}{2^{48}}.f_{\mathrm{CLK}}---\left(1\right)$

K叫频率控制字，改变K即可改变DDS的输出频率。最大输出频率f_DDS-Max由Nyquist采样定理决定，即为0.5*f_CLK，对于稳定的正弦波，通常取0.33*f_CLK。

频率分辨率Δf为：

$\mathrm{\Δf}=\frac{1}{2^{48}}.f_{\mathrm{CLK}}---\left(2\right)$

DDS的输出信号经过整形，再输入给信号发生模块的PLL电路进行倍频，然后作为频率基准信号供信号发生模块使用。

波形拟合实现

对频率为f的正弦信号进行量化，在0～T时刻内对函数f(x)按照N个等间隔进行取样，得到离散序列的样本值。极限的取样个数应满足：

N_max＝min{(B/D)*T,2^D}           (3)

B是DSP与DAC之间的最大传输速率，D是DAC的输入位数。取样个数N越接近N_max，DAC输出的信号的解析度越好，信号波形保真度越高。

将离散序列的样本值即波形数据按D位整型进行取整，存储于存储器SDRAM中，用可程控的时钟信号为存储器提供扫描地址，与每个地址相对应的数据则代表波形在等间隔取样点上的幅度值。设置DSP的DMA通道指向这组数据，按照特定的传输速率R将数据周而复始地传送给DA转换2，就将在DAC端建立起频率为1/T的正弦信号输出。

假设每周波拟合点数为N，则特定的传输速率R满足：

R＝(N*D)/T       (4)

由（4）式可知，可以通过调整传输速度或拟合点数来调整输出信号的频率。每个数据点的输出时间间隔Δt为：

Δt＝T/N        (5)

输出采样率即DMA的输出频率f_s为：

f_s＝1/Δt＝N/T         (6)

如图1中32M SDRAM用来存放要输出的按照正弦规律变化的波形数据。采用ADI公司的BF533高性能DSP，DSP根据输出信号的频率的设定值f计算出正弦信号的周期T；每路DA输出都使用两个AD5545芯片来双调制输出，根据设定的输出信号的幅值，DSP计算D/A转换器的参考电压U_ref值，输出给D/A转换1，D/A转换1作为D/A转换2的参考电压输入，用来调制波形的幅值，D/A转换2用来调制波形，负责波形信号的产生。DSP和DAC的接口使用高速串口（SPORT口）连接，AD5545的接口带宽达到50M，其输出建立时间0.5uS。DSP的DMA将以SCLK/16的固定速度为D/A转换2输出波形调制数据，其中f_CLK为输入频率f_DDS的31倍。使用DMA的好处是解放了DSP，大大降低了DSP的负荷。

模拟源设计的频率输出范围是45Hz～55Hz，下面讨论N的取值。

16bit的AD5545的接口带宽达到50M，当输出信号频率为55Hz时，由式(3)知，此时的极限拟合点数为56818；当输出信号频率为45Hz时，此时的极限拟合点数为65535。所以，工频信号输出波形拟合点数确定为每周波50000点，此时的传输速率R为40M。AD5545的接口带宽达到50M可以满足输出在50Hz时每周波5万点的40M的DAC数据传输带宽需求。

功率放大模块

功放模块使用LM12CLK高性能功放，采用交流深度负反馈提高输出信号的准确度，采用直流深度负反馈抑制功放直流调制电压，为了提高安全性，输出使用变压器隔离，使用档位自动切换来实现宽量程。

过零PPS同步脉冲产生

波形的输出使用DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)功能，以初始相位为0的A相电压作为参考，当输出第一个波形的第一个点时，触发脉冲输出，内部定时器开始定时，当A相电压输出一个波形时，定时结束，脉冲变成低电平；之后以每输出f（f=50Hz）个波形为周期，当输出波形的第一个点时，触发脉冲输出。由于本实用新型中A相电压与A相电流是同步的，因此过零同步输出PPS也与A相电流过零点同步。

以上描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点，对本技术领域的技术人员来说，在遵循本实用新型的基本原理下，可以做些改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种高精度带过零同步PPS输出的三相交流模拟源，其特征在于，所述三相交流模拟源包括变频模块、信号发生模块、功放模块和人机接口模块；所述变频模块和所述人机接口模块分别接所述信号发生模块的相应输入接口，信号发生模块的输出通过DA转换器接功放模块。 

2.根据权利要求1所述的一种高精度带过零同步PPS输出的三相交流模拟源，其特征在于，所述信号发生模块由数字信号处理器DSP、外部数据存储器SDRAM和转换器DA组成；外部数据存储器SDRAM接数字信号处理器DSP相应接口，数字信号处理器DSP输出接转换器DA。 

3.根据权利要求1所述的一种高精度带过零同步PPS输出的三相交流模拟源，其特征在于，所述变频模块的中频率发生器件采用AD9956直接数字合成器。 

4.根据权利要求1所述的一种高精度带过零同步PPS输出的三相交流模拟源，其特征在于，所述信号发生模块，采用BF533高性能DSP，外部数据存储器使用32M字节的SDRAM MT48LC4M16A2TG。 

5.根据权利要求1所述的一种高精度带过零同步PPS输出的三相交流模拟源，所述功放模块使用LM12CLK高性能功放。 

6.根据权利要求1所述的一种高精度带过零同步PPS输出的三相交流模拟源，其特征在于，所述人机接口模块由LX-801A工控机、800*600TFT液晶显示器，键盘和工业键盘组成，液晶显示器接工控机输出端口，工业键盘接工控机输入接口。 

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