CN217543698U - 一种基于单片机的简易信号电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单片机的简易信号电源，包括：输入模块、电源模块、控制模块、输出模块和显示模块；输入模块、电源模块、输出模块和显示模块分别与控制模块连接；输入模块，用于接收外部输入的工作指令，并将所述工作指令传输给所述控制模块；控制模块，用于接收所述输入模块发送的控制指令，根据所述控制指令输出对应的PWM波形至输出模块；输出模块，用于将所述PWM波形进行放大、滤除谐波频率；将所述PWM波形输出至显示模块；电源模块，用于给所述简易信号电源供电；显示模块，用于显示所述控制模块的功能。解决目前现场条件下对简单可靠的信号电源的需求问题。

Description

一种基于单片机的简易信号电源

技术领域

本实用新型涉及电力电源技术领域，具体涉及一种基于单片机的简易信号电源。

背景技术

当前，电力信号测量仪器普遍经过采用“定期校准+期间核查”的方法保证其测量准确性。然而，在开展一些特殊条件测量时，测量仪器经过拆分、打包、运输等环节的颠簸，以及使用环境的变化，重新装配的测量仪器在测试现场测量是否准确，尚缺少在试验现场对设备进行性能验证的方法与技术手段。

对于某些设备(如示波器)，通常自带有频率1kHz，峰值电压5V，占空比为50％的标准方波信号，可用于示波器自身的性能验证。但大多数电力信号测量设备自身不带有这样的标准信号。还考虑到，示波器经过拆分、打包、运输后，如果使用自身标准方波信号进行性能验证，如果出现测得的信号参数与标准信号不一致，也无法确定是示波器测量回路的问题还是标准信号输出通路的问题。即示波器的基准信号输出无法满足要求。

因此，在电力测量中，迫切需要一种简单可靠的信号电源，作为现场的电流(电压)基准信号，用于判定测量设备是否可靠。与实验室条件相比，设备的现场验证方法及设备精确度要求相对不高，但一定要结构简单、方便携带，避免采用复杂的控制、传输、显示方法，用于现场条件下对电力信号测量仪器的性能验证。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种基于单片机的简易信号电源，包括：输入模块、电源模块和控制模块；输入模块和电源模块分别与控制模块连接；

输入模块，用于接收外部输入的工作指令，并将所述工作指令传输给所述控制模块；

控制模块，用于接收所述输入模块发送的工作指令，根据所述工作指令输出对应的PWM波形至输出模块；

输出模块，用于将所述PWM波形进行放大、滤除谐波频率；将所述PWM波形输出。

进一步的，还包括：电源模块和显示模块；电源模块和显示模块分别与控制模块连接；

电源模块，用于给的所述简易信号电源供电；

显示模块，用于显示所述控制模块的功能。

进一步的，所述工作指令，包括下述中的至少一种：输出指令、停止指令、改变波形指令、改变频率指令和改变占空比指令。

进一步的，所述输入模块，包括：串口输入子模块、USB输入子模块、WIFI输入子模块和红外输入子模块，上述子模块用于接收外部输入的工作指令。

进一步的，控制模块，具体用于：

若当前波形输出选择方波，则所述控制模块根据接收到的占空比信号，输出占空比不变的方波信号至输出模块；

若当前波形输出选择正弦波，则输出占空比根据正弦变化的PWM波形至输出模块；

若当前波形输出选择三解波，则输出占空比根据三解函数变化的PWM波形至输出模块。

进一步的，控制模块，采用单片机作为核心控制器。

进一步的，控制模块还用于：若所述控制模块收到输出指令，则将当前波形输出至输出模块；

若所述控制模块收到停止指令，则停止将当前波形输出至输出模块。

进一步的，所述输出模块，包括：开关子模块、滤波器子模块和电阻子模块；

所述开关子模块，用于将所述PWM波形进行放大，为双输入开关，输入信号分别为电源模块的12V电源和接收的控的控制模块输出的PWM波形；当所述PWM波形为高电平时，开关导通，直流电源模块的12V电源输出至滤波器模块，反之，开关关闭；

所述滤波器子模块，用于滤除所述开关子模块输出的高频开关谐波频率；

所述电阻子模块，用于将滤波器子模块输出的电压信号转化为电流信号。

进一步的，所述电源模块，输出包括两个不同的电压电源，分别为5V直流电源和12V直流电源，5V直流电源用于为所述控制模块供电，12V直流电源，用于为所述输出模块的开关子模块供电。

本申请提供的一种基于单片机的简易信号电源，可以产生三角波、方波、正弦波等不同类型的波形、且三角波、方波、正弦波频率可调、峰值可调，方波的占空比也可调。从而可以在现场条件下，为电力信号(电压、电流)测量仪器的峰值测量、有效值测量、周期测量、频率测量、占空比测量、波形测量等多方面提供相对准确的基准，满足电力信号测量仪器现场校准需求。解决目前现场条件下对简单可靠的信号电源的需求问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种基于单片机的简易信号电源的硬件结构框图；

图2是本实用新型实施例涉及的采用STM32F103C8T6型单片机作为控制模块、采用MAX232芯片作为串口输入模块、采用CH340T芯片作为USB输入模块的应用实例；

图3是本实用新型实施例涉及的采用12864液晶显示器作为显示模块，与控制模块连接的实例；

图4是本实用新型实施例涉及的采用9013三极管、TLP521光耦与IKW20N60T型IGBT作为开关模块的实施实例；

图5是本实用新型涉及的选用UAF42有源滤波芯片构成滤波器模块的实施实例；

图6是本实用新型涉及的直流电源模块，包括5V锂电池12V锂电池。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

实施例一

本实用新型提供一种基于单片机的简易信号电源，其硬件结构图如图1所示，包括：输入模块、电源模块和控制模块；输入模块和电源模块分别与控制模块连接；

输入模块，用于接收外部输入的工作指令，并将所述工作指令传输给所述控制模块；

控制模块，用于接收所述输入模块发送的工作指令，根据所述工作指令输出对应的PWM波形至输出模块；

输出模块，用于将所述PWM波形进行放大、滤除谐波频率；将所述PWM波形输出。

基于单片机的简易信号电源，还包括：电源模块和显示模块；电源模块和显示模块分别与控制模块连接；

电源模块，用于给所述简易信号电源供电；

显示模块，用于显示所述控制模块的功能。即在所述输入模块接收到外部指令输入，所述控制模块根据外部指令输入调节下一步输出时，将接收到的信号在显示模块上输出，方便用户进行调试，以及确认调试是否完成。

输入模块，用于接收外部输入的工作指令，所述工作指令，包括下述中的至少一种：输出指令、停止指令、改变波形指令、改变频率指令和改变占空比指令。

输入模块又包括串口输入子模块、USB输入子模块、WIFI输入子模块和红外输入子模块，上述子模块用于接收外部输入的工作指令。

控制模块，是整个简易信号电源的核心，用于接收所述输入模块发送的控制指令，根据所述控制指令输出对应的PWM波形至输出模块，若当前波形输出选择方波，则所述控制模块根据接收到的占空比信号，输出占空比不变的方波信号至输出模块；若当前波形输出选择正弦波，则输出占空比根据正弦变化的PWM波形至输出模块；若当前波形输出选择三解波，则输出占空比根据三解函数变化的PWM波形至输出模块。若所述控制模块收到输出指令，则将当前波形输出至输出模块；若所述控制模块收到停止指令，则停止将当前波形输出至输出模块。

控制模块，采用单片机作为核心控制器。

所述输出模块，包括：开关子模块、滤波器子模块和电阻子模块；

所述开关子模块，用于将所述PWM波形进行放大，为双输入开关，输入信号分别为电源模块的12V电源和接收的控的控制模块输出的PWM波形；当所述PWM波形为高电平时，开关导通，直流电源模块的12V电源输出至滤波器模块，反之，开关关闭；因此，该开关模块实际上是起到波形放大作用，将控制器输出的低电平为0V、高电平为5V、输出电流较小的PWM信号，转变为低电平仍为0V，高电平为12V的电流较大的PWM电压信号。

所述滤波器子模块，用于滤除所述开关子模块输出的高频开关谐波频率；尤其是，在输出“正弦波”或者“三角波”时，开关模块输出的实际是占空比按照正弦或三角规律变化的一系列PWM波，只有通过滤波器模块，将开关频率的谐波滤除后，才能得到良好的正弦波和三角波。

所述电阻子模块，用于将滤波器子模块输出的电压信号转化为电流信号，为电流信号测量仪器提供基准。

电源模块，输出包括两个不同的电压电源，分别为5V直流电源和12V直流电源，5V直流电源用于为所述控制模块供电，12V直流电源，用于为所述输出模块的开关子模块供电。

实施例二

具体应用实施例如下：

为了彻底了解本实用新型实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。需要说明的是，本实用新型实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本实用新型的较佳实施案例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

图1是本实用新型提供的信号电源的硬件结构框图。包括输入模块、直流电源模块、控制模块、显示模块、输出模块。其中，所述输入模块又包括串口输入模块、USB输入模块、WIFI输入模块、红外输入模块。所述输出模块包括开关模块、滤波器模块、电阻模块。

图2是采用STM32F103C8T6型单片机作为控制模块、采用MAX232芯片作为串口输入模块、采用CH340T芯片作为USB输入模块的应用实例。9针标准串口的2号和3号引脚分别与MAX232芯片的7号和8号引脚相连。所述MAX232芯片的16号和15号引脚分别与5V电源和地电平相连，MAX232芯片的9号和10号引脚分别与STM32F103C8T6单片机的13和12号引脚相连。4针标准USB接口的1号和4号引脚分别与5V电源和地电平相连，2号和3号引脚分别与CH340T芯片的7号和6号引脚相连。所述CH340T芯片的19号和8号引脚分别与5V电源和地电平相连，3号和4号引脚分别与STM32F103C8T6单片机的21和22号引脚相连。STM32F103C8T6单片机的29号引脚是通用输出输出A8口，因此标记为PA8，该引脚也是图4中的PA8。该引脚是单片机PWM输出引脚，用于输出PWM波形给输出模块。

串口输入模块、USB输入模块都是用来接收上位机(如个人电脑)的控制指令。控制指令用2个字节(16bit)代码表示，如下表所示：

表1指令代码表

注1：16bit指令从0000H至FFFFH，共65535个。除了本表中列出的以外，其余均为无效指令。

注2：本表中的......表示省略号。

上表中的H表示十六进制。1010H对应的16bit数据为0001 0000 0001 0000。13FFH对应的16bit数据为0001 0011 1111 1111。

一个完整的工作流程如下：初始状态下，信号电源没有输出。当串口接收模块接收到上位机传来的1202H指令和1304H指令后，将输出波形选择为三角波，频率选择为50Hz。当再接收到上位机传来的1010H指令后，立即在PA8口输出频率50Hz的三角波。当接收到上位机传来的1100H指令后，单片机PA8口停止输出。再次接收到上位机传来的1201H指令和1309H指令后，输出波形选择为正弦波，频率选择为100Hz。接收到上位机传来的1010H指令后，立即在PA8口输出频率100Hz的正弦波。当接收到上位机传来的1100H指令后，单片机PA8口停止输出。

需要说明的是，USB输入模块、WIFI输入模块和红外输入模块等，与串口输入模块功能一致。此处不予赘述。另外，STM32F103C8T6单片机、CH340T和MAX232芯片都还需要必要的晶振、电阻、电容等元器件才能正常工作，但是这些元器件在图2中未画出。

图3是采用12864液晶屏作为显示模块实例。显示模块主要用于显示当前工作状态。12864指的是液晶屏横向共128个像素，纵向64个像素。一般汉字是横向纵向各16个像素，一般的英文字母和阿拉伯字母是横向8个纵向16个像素，因此12864液晶屏可以显示4行8列汉字或者4行16列英文。足够显示本简易电源的信息。例如，当串口接收模块接收到上位机传来的1202H指令、1304H指令和1010H后，单片机在PA8口输出频率50Hz的三角波，此时液晶屏上显示“三角波”“频率50Hz”和“工作中”。当接收到上位机传来的1100H指令后，单片机PA8口停止输出，液晶屏上显示“三角波”“频率50Hz”和“停止”。

图4是开关模块的实施实例。包括电阻R₁、R₂和R₃，电容C，三极管，光耦合器、绝缘栅双极型晶体管IGBT。所述三极管采用9013型三极管，所述光耦合器采用TLP521，所述IGBT采用IKW20N60T。所属三极管的集电极与电阻R₁的一端相连，基极与电阻R₂的一端相连，发射极与所述光耦合器的输入端相连；电阻R₁的另一端与+5V电源相连；电阻R₂的另一端与主控制器模块相连；所述光耦合器的另一端接地；光耦合器的一输出端分别与电阻R₃的一端和IGBT的门极相连，其另一输出端分别与电容C的一端和地相连；所述电阻R₃的另一端分别与所述电容C的另一端和+12V电源相连。所述IGBT发射极与2号端子、地和12V电源负极相连，集电极与1号端子和电阻R₄的一端相连，R₄的另一端与12V电源正极相连。5V和12V电源即是所述直流电源模块所包含的电源。

在初始状态下，单片机的PA8口为低电平。此时三极管9013的基极电位为低电平，9013截止。光耦TLP521内部无光，处于截止态，IGBT的门极信号被12V电源拉高，IGBT导通，1号端子接地，此时，在1号和2号端子上没有电压。

在接收到“开始”指令后，单片机的PA8口将输出PWM波。如前所述，在PA8口为低电平时，在1号和2号端子上电压为0。而在PA8口口为高电平时，9013导通。光耦TLP521内部有光，处于开通态，IGBT的门极信号被拉低，IGBT截止，1号端子被12V电源拉高至12V，此时在1号和2号端子电压为12V。

单片机通过输出一系列占空比按规律变化的PWM波形，在1号和2号端子上也将得到峰值为12V的占空比按规律变化的PWM波形。通过滤波器模块后，将得到所需要的正弦波或者三角波。

如果需要测量电流，可直接测量电阻R4的电流。

图5是选用UAF42芯片构成滤波器模块的实施实例。包括UAF42有源滤波芯片，电阻R_Q、R_2A、R_F1、R_F2、R_Z1、R_Z2、R_Z3和电容C_1A、C_2A。UAF42芯片的3号引脚与电阻R_Q的一端相连，R_Q的另一端接地。UAF42芯片的12和13号引脚与电阻R_2A的两端相连，13号和8号引脚与电阻R_F1的两端相连，8号和7号引脚与电容C_1A的两端相连，7号和14号引脚与电阻R_F2的两端相连，14和1号引脚与电容C_2A相连，1号和5号引脚与电阻R_Z1的两端相连，5号和6号引脚与电阻R_Z3相连，5号和13号引脚与电阻R_Z2的两端相连。2号引脚连接输入信号，6号引脚连接输出信号。通过合适地选取R_F1、R_F2和R_G的阻值，可以构成对8kHz的带阻滤波器(也称陷波器)。

优选地，R_F1、R_F2和R_G可采用可调电阻器，从而可以调整所述带阻滤波器的通带截止频率、阻带截止频率、阻带增益等参数，避免固定电阻参数偏差对滤波性能的影响。

图6是直流电源模块实施实例，包括5V直流电源和12V直流电源，均选用聚合物锂电池。

本实用新型提供一种基于单片机的简易信号电源，它包括输入模块、直流电源模块、控制模块、显示模块、输出模块。本实用新型可以产生三角波、方波、正弦波等不同类型的波形、且三角波、方波、正弦波频率可调、峰值可调，方波的占空比也可调。从而可以在现场条件下，为电力信号(电压、电流)测量仪器的峰值测量、有效值测量、周期测量、频率测量、占空比测量、波形测量等多方面提供相对准确的基准，满足电力信号测量仪器现场校准需求。同时，所提出的简易信号电源结构简单、重量轻、可封装为一个整体，方便携带，非常适用于电力信号测量仪器的现场校准与评价。解决目前现场条件下对简单可靠的信号电源的需求问题。

本领域内的技术人员应明白，本实用新型的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本实用新型可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本实用新型可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本实用新型是参照根据本实用新型实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于单片机的简易信号电源，其特征在于，包括：输入模块、电源模块和控制模块；输入模块和电源模块分别与控制模块连接；

输入模块，用于接收外部输入的工作指令，并将所述工作指令传输给所述控制模块；

控制模块，用于接收所述输入模块发送的工作指令，根据所述工作指令输出对应的PWM波形至输出模块；

输出模块，用于将所述PWM波形进行放大、滤除谐波频率；将所述PWM波形输出。

2.根据权利要求1所述的简易信号电源，其特征在于，还包括：电源模块和显示模块；电源模块和显示模块分别与控制模块连接；

电源模块，用于给的所述简易信号电源供电；

显示模块，用于显示所述控制模块的功能。

3.根据权利要求1所述的简易信号电源，其特征在于，所述工作指令，包括下述中的至少一种：输出指令、停止指令、改变波形指令、改变频率指令和改变占空比指令。

4.根据权利要求1所述的简易信号电源，其特征在于，所述输入模块，包括：串口输入子模块、USB输入子模块、WIFI输入子模块和红外输入子模块，上述子模块用于接收外部输入的工作指令。

5.根据权利要求1所述的简易信号电源，其特征在于，控制模块，具体用于：

若当前波形输出选择方波，则所述控制模块根据接收到的占空比信号，输出占空比不变的方波信号至输出模块；

若当前波形输出选择正弦波，则输出占空比根据正弦变化的PWM波形至输出模块；

若当前波形输出选择三解波，则输出占空比根据三解函数变化的PWM波形至输出模块。

6.根据权利要求1所述的简易信号电源，其特征在于，控制模块，采用单片机作为核心控制器。

7.根据权利要求1所述的简易信号电源，其特征在于，控制模块还用于：若所述控制模块收到输出指令，则将当前波形输出至输出模块；

若所述控制模块收到停止指令，则停止将当前波形输出至输出模块。

8.根据权利要求1所述的简易信号电源，其特征在于，所述输出模块，包括：开关子模块、滤波器子模块和电阻子模块；

所述开关子模块，用于将所述PWM波形进行放大，为双输入开关，输入信号分别为电源模块的12V电源和接收的控的控制模块输出的PWM波形；当所述PWM波形为高电平时，开关导通，直流电源模块的12V电源输出至滤波器模块，反之，开关关闭；

所述滤波器子模块，用于滤除所述开关子模块输出的高频开关谐波频率；

所述电阻子模块，用于将滤波器子模块输出的电压信号转化为电流信号。

9.根据权利要求1所述的简易信号电源，其特征在于，所述电源模块，输出包括两个不同的电压电源，分别为5V直流电源和12V直流电源，5V直流电源用于为所述控制模块供电，12V直流电源，用于为所述输出模块的开关子模块供电。

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