基于DSP的高速采樣系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、 攀枝花學院專業(yè)課課程設(shè)計實驗報告基于dsp的高速采樣系統(tǒng)設(shè)計學生姓名： xxxx 學生學號： xxxxxxxxxxxxx 院（系）： xxxxxxxxxxxxxxx 年級專業(yè)： 電子信息工程x 指導教師： 二一三年十二月摘 要交流采樣是電網(wǎng)進行微機保護的重要一步，交流采樣方法的優(yōu)劣直接影響到微機保護的效果。本系統(tǒng)應用dsp制作交流采樣電路，使其實現(xiàn)高速、準確的交流采樣，通過軟件控制實現(xiàn)模擬微機保護跳閘功能。本文介紹了應用dsp實現(xiàn)對交流信號的采樣硬件電路設(shè)計，論文總共分為四個部分。（1）介紹交流采樣的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計思路，并分析目前交流采樣的幾種方式；（2）通過對交流采樣對象的分析，確定采樣的

2、參數(shù)大小并設(shè)計基于f2812的采樣電路；（3）運用ccs3.1利用設(shè)計的程序?qū)Σ蓸与娐愤M行試驗，得出電路的誤差并進行分析；（4）通過上述設(shè)計，能夠完成對交流信號的采集、處理并將所需數(shù)值顯示出來。滿足設(shè)計要求。由于時間、水平有限，本系統(tǒng)沒有實現(xiàn)與計算機的數(shù)據(jù)通信，將在日后工作與學習中進一步完善。關(guān)鍵詞：交流采樣，dsp,微機保護abstractthe exchange sampling is the electrical network carries on the microcomputer to protect importantly one step, the exchange sampl

3、ing methods protects fit and unfit quality immediate influence the effect which to the microcomputer. this system applies the dsp manufacture exchange sampling circuit, causes it to realize high speed, the accurate exchange sampling, realizes the simulation microcomputer protective trip function thr

4、ough the software control.this article introduced realizes using dsp to exchanges the signal sampling hardware circuit design, the paper altogether divides into four parts. (1) introduced that the exchange sampling the basic structure, the design mentality, and analyzes the present exchange sampling

5、 several ways; (2) through to exchanges the sampling object analysis, the definite samplings parameter size and designs based on the f2812 sampling circuit; (3) carries on the experiment using ccs3.1 using the design procedure to the sampling circuit, obtains electric circuits error and carries on t

6、he analysis; (4) through the above design, can complete to exchanges signal gathering, processing and will need the value to demonstrate, satisfies the design requirements.because the time, the level are limited, this system has not realized with computers data communication, will be working in the

7、future and in the study further consummates.key words: exchange sampling, dsp, microcomputer protection3目 錄第一章 緒 論11.1研究背景與意義11.2研究現(xiàn)狀11.3課題的總體設(shè)計思路2第二章 交流采樣系統(tǒng)的器件介紹32.1 dsp芯片介紹32.1.1 dsp的特點32.1.2 dsp tms320 f2812芯片的技術(shù)指標42.1.3 dsp f2812開發(fā)板的管腳功能說明42.2 運算放大器lm324介紹62.2.1 lm324工作原理62.2.2 lm324的引腳、結(jié)構(gòu)及其典型運用

8、82.3開關(guān)式穩(wěn)壓電源芯片lm2596介紹122.3.1 lm2596的特點132.3.2 lm2596的引腳及主要性能參數(shù)132.4 穩(wěn)壓芯片tl431介紹142.4.1 tl431工作原理152.4.2 tl431的引腳和其主要性能參數(shù)152.5 led八段數(shù)碼管顯示器152.5.1 led數(shù)碼管的分類162.5.2數(shù)碼管驅(qū)動方式162.5.3數(shù)碼管的顯示段碼172.6 74ls164移位寄存器介紹182.6.1 74ls164工作原理182.6.2 74ls164的引腳及級聯(lián)19第三章 基于dsp的交流采樣系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計方案203.1 硬件電路設(shè)計思路203.2 總體電路的布局203

9、.3 電流互感器、電壓互感器電路的設(shè)計213.4運放電路的設(shè)計213.4.1 跟隨電路223.4.2 二階低通有源濾波電路223.4.3 偏置電路243.4.4 反相電路253.5 tl431 5v偏置電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計253.6 lm2596 5v電源的設(shè)計263.7 繼電保護電路的設(shè)計273.8 合閘電路的設(shè)計273.9 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計283.10 系統(tǒng)軟件的設(shè)計28第四章 系統(tǒng)的硬件調(diào)試和系統(tǒng)測試304.1 系統(tǒng)硬件的調(diào)試304.1.1 采樣電路的調(diào)試304.1.2顯示電路的調(diào)試304.1.3 繼電保護電路的調(diào)試304.2調(diào)試過程中存在的問題及解決方法31結(jié) 束 語32參考文獻33

10、33第一章 緒 論1.1研究背景與意義電力系統(tǒng)在運行中，可能發(fā)生各種故障和不正常運行狀態(tài)，最常見同時也是最危險的故障是發(fā)生各種形式的短路。電力系統(tǒng)中電氣元件的正常工作遭到破壞，但沒有發(fā)生故障，這種情況屬于不正常運行狀態(tài)。故障和不正常運行狀態(tài)都可能在電力系統(tǒng)中引起事故，系統(tǒng)事故的發(fā)生，除了由于自然條件的因素以外，一般都是由于設(shè)備制造上的缺陷、設(shè)計和安裝的錯誤、檢修質(zhì)量不高或運行維護不當而引起的。在電力系統(tǒng)中，除應采取各項積極措施消除或減少發(fā)生故障的可能性意外，故障一旦發(fā)生，必須迅速而有選擇性的切除故障元件，這是保證電力系統(tǒng)安全運行的最有效方法之一。繼電保護裝置到目前為止大部分都被電子元件或計算機

11、代替，在微機保護系統(tǒng)當中，交流采樣裝置是微機保護很重要的一部分，其采樣精度直接影響到了微機保護的準確度。近幾年來隨著半導體技術(shù)的高速發(fā)展，各種種類的新型處理器相繼問世，讓開發(fā)運用在電力系統(tǒng)中的高速采樣系統(tǒng)成為了可能。隨著數(shù)字信號處理器（dsp）的不斷普及，其優(yōu)異的性能逐漸被人們所知，將dsp運用于電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)已經(jīng)是一種趨勢。本課題介紹的交流采樣系統(tǒng)使用運算放大器和dsp對交流信號進行采樣，具有實時性好、高準確高的優(yōu)點，研究一種高實時性、高準確性的采樣系統(tǒng)，對提高微機保護的性能至關(guān)重要，這是本課題研究的意義。1.2研究現(xiàn)狀在電力系統(tǒng)的實際運行中，隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴大使其結(jié)

12、構(gòu)更加復雜，電網(wǎng)存在諧波，還會有各種順勢干擾，采用時間繼電器、電流繼電器、信號繼電器等組成的采樣系統(tǒng)，存在硬件電路復雜等諸多弊端，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，進一步優(yōu)化了交流采樣系統(tǒng)，做到了簡化硬件、提高實時性，并能快速、準確地采集各種電力參數(shù)，具有一定的應用價值。隨著國家gdp快速增長，電力系統(tǒng)的供電負荷日益增大，對其穩(wěn)定性的要求越來越高，對電網(wǎng)的建設(shè)的投入也相當?shù)拇螅趶S礦企業(yè)中，對電的需求十分的大，供配電的穩(wěn)定性直接與效益掛鉤。隨著微型計算機、dsp系統(tǒng)價格的逐步降低和技術(shù)的不斷成熟，在工廠用電中，6.3kv、380v電壓等級的繼電保護設(shè)備也逐步向微機保護發(fā)展，基于ds

13、p的交流采樣系統(tǒng)將大量運用于此類場合。1.3課題的總體設(shè)計思路本設(shè)計是一個交流電壓、電流采樣、繼電保護系統(tǒng)。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，實現(xiàn)交流采樣。其設(shè)計要求如下：1） 用數(shù)碼管顯示當前線路的電壓、電流和功率2） 電壓峰值采樣范圍為0v-480v,電流峰值采樣范圍為0-7.07a。3） 當采樣所得電流或電壓超出設(shè)定范圍時，繼電器動作，切斷負載線路。文章介紹了以dsp f2812為核心的交流采樣系統(tǒng)的設(shè)計，該設(shè)計采用了兩路ad轉(zhuǎn)換器以同時檢測電流與電壓的大小，并在程序上進行監(jiān)控?？刂撇糠质褂美^電器切斷線路。本系統(tǒng)由硬件設(shè)計

14、和軟件變成構(gòu)成，一下逐步對整個系統(tǒng)的軟硬件作出介紹。第二章 交流采樣系統(tǒng)的器件介紹2.1 dsp芯片介紹 我們通常所說的dsp有兩個含義：其一是digital signal processing的簡稱，是指數(shù)字信號處理技術(shù)，它不僅涉及許多學科，還廣泛應用于多種領(lǐng)域。特別是20世紀60年代，隨著計算機和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，進一步推動了數(shù)字信號處理技術(shù)的理論和應用領(lǐng)域的發(fā)展；dsp的第二個含義是 digital signal processor的簡稱，即數(shù)字信號處理器，也稱為dsp芯片，它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度遠遠超過通用微處理器。他是一種適合于數(shù)字信號處理的高性能微處理器。數(shù)字信號

15、處理其已經(jīng)成為數(shù)字信號處理技術(shù)和實際運用之間的橋梁，并進一步促進了數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，也極大地拓展了數(shù)字信號處理技術(shù)的應用領(lǐng)域。在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動下，dsp芯片的功能日益強大，性能價格比不斷提高，開發(fā)環(huán)境日臻完善，應用領(lǐng)域不斷擴大。在步入數(shù)字化時代的進程中，數(shù)字信號處理器扮演著舉足輕重的角色。2.1.1 dsp的特點為了實現(xiàn)快速的數(shù)字信號處理，dsp芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。tms320系列dsp主要采取了哈佛結(jié)構(gòu)、流水線技術(shù)、硬件乘法器和特殊dsp指令等。哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點是將程序和數(shù)據(jù)儲存在不同的存儲空間，對程序和獨立編址，獨立訪問。而且在dsp內(nèi)

16、部設(shè)置了數(shù)據(jù)和程序兩套總線，使得存取指令和執(zhí)行能完全重疊運行，提高數(shù)據(jù)吞吐量。為了進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，一是允許程序存儲在高速緩存中，提高指令讀取速度；二是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運算指令直接使用，增強芯片的靈活性。另外，dsp仲的雙口ram及獨立讀寫總線使數(shù)據(jù)存取速度提高。流水線技術(shù)：dsp芯片廣泛采用流水線技術(shù)，增強了處理器的處理能力。tms320系列流水線深度為26級不等，也就是說，處理器在一個時鐘周期可以并行處理2-6條指令，在每條指令處于流水線的不同階段。在流水線操作中，取指令、指令譯碼和執(zhí)行可以獨立處理，這樣dsp可以同時

17、處理多條指令，只是每條指令處于不同的階段。例如在取n條指令是，前一條指令處于譯碼階段，而前兩條指令則處于執(zhí)行階段。硬件乘法器：在數(shù)據(jù)信號處理的許多算法中，（如fft和fir等），需要做大量的乘法和加法。顯然，乘法速度越快，數(shù)據(jù)處理能力就越強。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)行時間也較長。相比而言dsp芯片一般都有一個硬件乘法器。在tm320系列中，一次乘累加最少可以在一個時鐘周期完成。特殊dsp指令：dsp芯片的另外一個特點就是采用了特殊的尋址方式和指令。比如，tms320系列的位返轉(zhuǎn)尋址方式，ltd、mpy、rptk等特殊指令。采用這些適合于數(shù)字信

18、號處理的尋址方式和指令，進一步減少了數(shù)字信號處理的時間。另外，由于dsp的時鐘頻率提高，執(zhí)行周期的縮短，加上以上一些dsp結(jié)構(gòu)特征使得dsp實現(xiàn)實時數(shù)字信號處理成為可能。2.1.2 dsp tms320 f2812芯片的技術(shù)指標1、芯片運行速度為150m；2、工作速度可達150mips；3、片上ram 18k16bit；4、片上擴展ram存貯空間64k16bit；5、自帶16路12bit a/d,最大采樣速率12.5msps；6、2路的dac7528轉(zhuǎn)換，10m/s，8bit；7、一路uart串行接口，符合rs232標準；8、16路pwm輸出；9、1路can接口通信；10、片上12816bit

19、 flash，自帶128位加密位；11、設(shè)計有用戶可以自定義的開關(guān)和測試指示燈；12、4組標準擴展連接器，為用戶進行二次開發(fā)提供條件；13、具有ieee1149.1相兼容的邏輯掃描電路，該電路僅用于測試和方針14、+12v電源輸入，內(nèi)部+3.3v、+1.8v電源管理；2.1.3 dsp f2812開發(fā)板的管腳功能說明f2812有四個用于二次開發(fā)的34芯外擴總線，分辨是j12、j13、j18、j19。j12擴展插座包含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擴展插座包括f2812外部擴展總線的控制線、mcbsp接口線、外部中斷和外部復位等重要的引腳信號；j18擴展插座主要

20、是ad和da接口，j18仲擴展了所有的ad和da引腳；j19擴展插座主要是擴展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。由于交流采樣系用只需要用到j18和j19擴展插座，下表就對j18和j19的管腳定義進行說明。表2.1 j18的管腳定義和說明管腳號管腳名說明管腳號管腳名說明1vcca模擬電源+5v18agnd模擬地2vcca模擬電源+5v19adinb6模擬輸入通道b63cap1cap輸入端120adinb7模擬輸入通道b74cap2cap輸入端221adrefin測試引腳5adina2模擬輸入通道a222adcreflo模擬參考低電壓輸入6adina3模擬輸入通道a323

21、adina0模擬輸入通道a07adina4模擬輸入通道a424adina1模擬輸入通道a18adina5模擬輸入通道a525daout1模擬輸出通道19adina6模擬輸入通道a626daout2模擬輸出通道210adina7模擬輸入通道a72711adinb0模擬輸入通道b02812adinb1模擬輸入通道b129cap3cap輸入端313adinb2模擬輸入通道b230cap4cap輸入端414adinb3模擬輸入通道b331cap5cap輸入端515adinb4模擬輸入通道b432cap6cap輸入端616adinb5模擬輸入通道b533agnd模擬地17agnd模擬地34agnd模擬地

22、表2.2 j19的管腳定義和說明管腳號管腳名說明管腳號管腳名說明1+5v電源由power提供的電源18gnd地線2+5v電源由power提供的電源19t2ctrp定時器2比較輸出3pwm1pwm1輸出引腳20t3ctrp定時器3比較輸出4pwm2pwm2輸出引腳21t4ctrp定時器4比較輸出5pwm3pwm3輸出引腳22c1crtip比較器1比較輸出6pwm4pwm4輸出引腳23c2crtip比較器2比較輸出7pwm5pwm5輸出引腳24c3crtip比較器3比較輸出8pwm6pwm6輸出引腳25tdira定時器計數(shù)方向a9pwm7pwm7輸出引腳26tckina定時器時鐘輸入a10pwm8

23、pwm8輸出引腳27scitxb異步串口tx端b11pwm9pwm9輸出引腳28scirxb異步串口rx端b12t1pwmt1輸出引腳29spsimaspi主收主發(fā)端13t2pwmt2輸出引腳30spsomaspi主發(fā)從收端14t3pwmt3輸出引腳31spiclkaspi時鐘15t4pwmt4輸出引腳32spisteaspi slave發(fā)送使能16t1ctrp定時器1比較輸出33gnd地線17gnd地線34gnd地線2.2 運算放大器lm324介紹2.2.1 lm324工作原理lm324系列運算放大器是價格低廉的帶差動輸入功能的四運算放大器，可工作在單電源下。與某些單電源應用場合的標準運算放

24、大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0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。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。lm325具有以下優(yōu)點：1.短路保護輸出2.真差動輸入級3.可單電源工作：3v-32v4.低偏置電流：最大100na（lm324a）5.每封裝含四個運算放大器。6.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋?.共模范圍擴展到負電源8.行業(yè)標準的引腳排列9.輸入端具有靜電保護功能lm324內(nèi)部集成四個運算放大器，每個運放相互獨立，可以單獨使用。從原理上說，集成運算放大電路實質(zhì)上就是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放

25、大電路。他的內(nèi)部通常包含四個基本組成部分，即輸入級、中間級、輸出級和偏置電路，如圖所示。以下簡單介紹個部分的功能。圖2.1 集成運放的基本組成部分1) 輸入級集成運放的輸入級對于他的許多指標注入輸入電阻、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，因此是提高集成運放質(zhì)量的關(guān)鍵。為了發(fā)揮集成電路內(nèi)部元件參數(shù)匹配較好、易于補償?shù)膬?yōu)點，輸入級大都采用差分放大電路的形式。2) 中間級中間級的主要任務是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。從這個目標出發(fā)，不僅要求中間級本身具有較高的電壓增益，同時為了減少對前級的影響，還應具有較高的輸入電阻。尤其當輸入級采用有源負載時，中間級的輸入電阻問題更為重要

26、，否則將使輸入級的電壓增益大為降低，失去了有源負載的優(yōu)點。另外，中間級還應向輸出級提供較大的推動電流，并能根據(jù)需要實現(xiàn)雙端輸入至單端輸出的轉(zhuǎn)換。為了提高電壓放大倍數(shù)，集成運放中間級經(jīng)常利用三極管作為有緣負載。另外，中間級的放大管有時采用復合管的結(jié)構(gòu)形式。3) 輸出級集成運放輸出級的主要作用是提供足夠的輸出功率以滿足負載的需要，同時還應具有較低的輸出電阻以便增強帶載能力，也應有較高的輸入電阻，以免影響前級的電壓放大倍數(shù)。一般不要求輸出級提高很高的電壓放大倍數(shù)。由于輸出級工作在大信號狀態(tài)，應設(shè)法盡可能減少出書波形的失真。此外，輸出級應有過載保護措施，以防輸出端意外短路或負載電流過大而燒毀功率管。集

27、成運放的輸出級基本上都采用各種形式的互補對稱放大電路。4) 偏置電路偏置電路的主要作用是向各級放大電路提供合適的偏置電流，確定各級靜態(tài)工作點。一般由三極管組成的電流源電路提供恒定的靜態(tài)電流和有源負載。2.2.2 lm324的引腳、結(jié)構(gòu)及其典型運用圖2.2 lm324管腳圖lm324管腳如上圖所示，管腳3、5、10、12為“+”端，是四個運放的同相輸入端，管腳2、6、9、13為“-”端，是四個運放的反相輸入端，1、7、8、14為四個運放的輸出端。輸出端的電壓與反向輸入端的信號相位相反，而與同相輸入端的信號相位相同。對于理想的運放，工作在線性狀態(tài)時，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為u0=aod(ui2-

28、ui1) （2-1）式中，aod是運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)。由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，所以其線性工作范圍很窄。為了讓運放能在比較大的輸入電壓范圍內(nèi)工作在線性區(qū)，就必須引入深度負反饋降低運放的放大倍數(shù)。當運放工作工作在線性區(qū)時，可組成各類信號運算電路，如比例、加減、微分和積分等。2.2.2.1比例運算電路比例運算電路的輸出電壓與輸入電壓之間存在比例關(guān)系，即電路可以實現(xiàn)比例運算，是其他各種運算電路的基礎(chǔ)。比例運算電路根據(jù)輸入信號解法的不同，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算電路。圖2.3 反相比例運算電路上圖中，輸入電壓ui電阻r1加到集成運放的反相輸入端，其同相輸入端

29、經(jīng)電阻r2接地。輸出電壓u0經(jīng)rf接回到反相輸入端構(gòu)成負反饋放大器。集成運放的反相輸入端和同相輸入端，實際上是運放內(nèi)部輸入級兩個差分對管的基級。為了使差動放大電路的參數(shù)保持對稱，應使兩個差分對管基級對地電阻盡量一致，以免靜態(tài)基流流過這兩個電阻時在運放輸入端產(chǎn)生附加的偏差電壓。因此選擇r2的阻值為r2=r1/rf （2-2）而反比例運算運算電路的電壓放大倍數(shù)為 （2-3）圖2.4 同相比例運算電路上圖中，輸入電壓連接至同相輸入端，但是為保證引入的是負反饋，輸入電壓通過電阻rf仍接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過r1接地。為了使集成運放反相輸入端和同相輸入端對地電阻一致，r2電阻仍應為r2=r1

30、/rf （2-4） 同比例運算電路的電壓放大倍數(shù)為 （2-5） 圖2.5 差分比例運算電路上圖中，輸入電壓ui和ui分別加在集成運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。為了保證運放兩個輸入端對地的電阻平衡，同時為了避免降低共模抑制比，通常要求r1=r1, rf=rf （2-6）差分比例運算電路電壓放大倍數(shù)為 （2-7）2.2.2.2加法和減法運算圖2.6 加法電路加法電路電壓為 （2-8）若取r1=r2=r3=rf=r式可簡化為 （2-9）圖2.7 減法電路減法電路電壓為 （2-10）2.2.2.3濾波電路當運放工作在線性區(qū)時，還可以組成各式各樣的濾波電路。由于

31、集成運放是有源元件，因此由其構(gòu)成的濾波電路通常稱為有源濾波電路。圖2.8 有源二階低通濾波電路二階有源低通濾波電路的通帶電壓放大倍數(shù)為 （2-11）通帶截止頻率為 （2-12）2.3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)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3v、5v、12v， 可調(diào)版本可以輸出小于37v的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(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。由于該器件只需4個外接元件，可以使用通用的標準電感，這更優(yōu)化了lm2596的

32、使用，極大地簡化了開關(guān)電源電路的設(shè)計。該器件還有其他一些特點：在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在15%的范圍內(nèi)；可以用僅80a的待機電流， 實現(xiàn)外部斷電；具有自我保護電路（一個兩級降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路）lm2596常常被運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、正負電壓轉(zhuǎn)換器等。在本采樣系統(tǒng)中，由于lm2596帶載能力強，我們選用了lm2596的5v固定輸出版本用于給所有需要5v供電的元件供電。2.3.1 lm2596的特點1) 3.3v、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1

33、.2v37v4%3) 輸出線性好且負載可調(diào)節(jié)4) 輸出電流可高達3a5) 輸入電壓可高達40v6) 采用150khz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小、效率高7) 低功耗待機模式，iq的典型值為80a8) ttl斷電能力9) 具有過熱保護和限流保護功能10) 封裝形式：to-220（t）和to-263（s）11) 外圍電路簡單，僅需4個外接元件， 且使用容易購買的標準電感2.3.2 lm2596的引腳及主要性能參數(shù)圖2.9 lm2596引腳圖 圖2.1為lm2596的引腳圖，每個引腳的極限參數(shù)如下：1) 1號管腳為vcc，最大電源電壓為45v。2) 2號管腳輸出管腳，輸出電壓為3

34、.3v、5v、12v或者為小于37v的可調(diào)電壓。3) 3號管腳為接地管腳。4) 4號管腳為反饋管腳，所能承受的反饋電壓的范圍是-0.3v-25v。5) 5號管腳為on/off腳，所能承受的控制電壓為-0.3v-25v。表2.3 lm2596的主要性能參數(shù)符號參量條件典型值極限值lm2596-3.3vout輸出電壓4.75vvin40v，0.2aiload3a3.3v3.168v/3.135v3.432v/3.465v效率vin=12v，iload=3a73%lm2596-5.0vout輸出電壓7vvin40v，0.2aiload3a5.0v4.800v/4.750v5.200v/5.250v效

35、率vin=12v，iload=3a80%lm2596-12vout輸出電壓15vvin40v，0.2aiload3a 12.0v11.52v/11.40v12.48v/12.60v 效率vin=25v，iload=3a 88%lm2596-adjvout輸出電壓4.5vvin40v，0.2aiload3avout=3v，1.23v1.193v/1.180v1.267v/1.280v效率vin=25v，vout =3v， iload=3a73%vin=25v，vout =15v，iload=3a90%通過表2.3可知，lm2596僅需4個外接元件，就可以得到很好的轉(zhuǎn)換效率。2.4 穩(wěn)壓芯片tl4

36、31介紹德州儀器公司（ti）生產(chǎn)的tl431是一是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從vref（2.5v）到36v范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。2.4.1 tl431工作原理圖2.10 tl431的符號上圖是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極（cathode）、陽極（anode）和參考端（ref）。tl431的具體功能可用圖2.3的功能模塊示意。圖2.11 tl431功能模塊由圖可以看到，vi是一個內(nèi)部的2.5v基準源，接在運放的反相輸入端

37、。由運放的特性可知，只有當ref端（同相端）的電壓非常接近vi（2.5v）時，三極管中才會有一個穩(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。當然，該圖絕不是tl431的實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。2.4.2 tl431的引腳和其主要性能參數(shù)1）最大輸入電壓為37v2）最大工作電流150ma3）內(nèi)基準電壓為2.5v4）輸出電壓范圍為2.530v2.5 led八段數(shù)碼管顯示器數(shù)碼管是一類顯示屏，通過對其不同的管腳輸入相對的電流會使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字。能夠顯示、時間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)。由于它的價格便宜

38、，使用簡單，在電器特別是家電領(lǐng)域應用極為廣泛。2.5.1 led數(shù)碼管的分類1） 按段數(shù)分：分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管；2） 按位分：可分為1位、2位、4位等等；3） 按發(fā)光二極管單元連接方式分：可分為為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。2.12 四位共陰八段數(shù)碼管圖2.14 共陰八段數(shù)碼管圖2.13共陽八段數(shù)碼管 2.5.2數(shù)碼管驅(qū)動方式讓數(shù)碼管顯示，需要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出所需的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動，是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的i/o端口進行驅(qū)動，或者使用如bcd碼二-十進制譯碼

39、器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用i/o端口多，實際應用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是目前應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的同名端連在一起，每個數(shù)碼管的公共極com增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的i/o線控制，當輸出字形碼時，只有com端電路被選同的數(shù)碼管可以顯示字型。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的com端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在動態(tài)驅(qū)動過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，就能顯示一組穩(wěn)定

40、的數(shù)據(jù)。動態(tài)顯示可以達到和靜態(tài)顯示一樣的效果，并且能夠節(jié)省大量的i/o端口。2.5.3數(shù)碼管的顯示段碼圖2.15 數(shù)碼管段碼八段數(shù)碼管由八個長條狀發(fā)光二極管排列組成。八個發(fā)光二極管排列成“日”字型，只需通過控制相應的發(fā)光二極管發(fā)光，就可以顯示出0-9、a-f十六個字符。將高電平用“1”表示，低電平用“0”表示，那么發(fā)光二極管a-dp的電平可以用一個八位二進制數(shù)表示，這個二進制數(shù)就叫做發(fā)光二極管的段碼。不同的數(shù)字有相應的段碼所對應，并且共陰數(shù)碼管與共陽數(shù)碼管的段碼為相反，段碼也可以用相應的十六進制數(shù)表示。表2.4 共陰數(shù)碼管段碼表數(shù)字二進制段碼十六進制段碼數(shù)字二進制段碼十六進制段碼0001111

41、113f8011111117f100000110069011011116f2010110115ba01110111773010011114fb011111007c40110011066c00111001395011011016dd010111105e6011111017de011110017970000011107f0111000171表2.5 共陽數(shù)碼管段碼表數(shù)字二進制段碼十六進制段碼數(shù)字二進制段碼十六進制段碼011000000c081000000080111111001f991001000090210100100a4a1000100088310110000b0b10000011834100

42、1100199c11000110c651001001092d10100001a161000001082e10000110867111110007cf100011108e2.6 74ls164移位寄存器介紹74ls164是一個八位移位寄存器。移位寄存器除了具有存儲代碼的功能以外，還具有移位功能。所謂移位功能，是指寄存器里存儲的的代碼能夠在移位脈沖的作用下依次左移或右移。因此移位寄存器不但可以用來寄存代碼，還可以用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行-并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的運算以及數(shù)據(jù)處理等等。2.6.1 74ls164工作原理圖2.16 74ls164邏輯圖74ls164由八個觸發(fā)器ff0、 ff1、 ff2、 ff3

43、、ff4、 ff5、 ff6、ff7和各自的輸入控制電路組成。圖中的serial inputs為數(shù)據(jù)串行輸入端，q1qh為數(shù)據(jù)并行輸出端。2.6.2 74ls164的引腳及級聯(lián)74ls164芯片為十四管腳芯片，1、2號管腳為串行輸入端，36和1013號管腳為并行輸出端，7號管腳為接地，8號管腳為時鐘信號端，9號管腳為控制管腳，高電平為開啟，14號管腳為電源輸入。圖2.17 2 74ls164引腳圖一個74ls164有八個并行輸出端，當需要更多并行輸出端時，可以采用多個74ls164進行級聯(lián)的方式達到要求。多個74ls164芯片需要級聯(lián)時，其時鐘信號管腳要并聯(lián)起來，并且下一個芯片的1、2號管腳需

44、要連接到上一個芯片的13號管腳，即上一個芯片的最后一個并行輸出口。這樣，當多個74ls164連接起來后，在芯片之間也實現(xiàn)了移位功能，就實現(xiàn)了多路并行輸出的目的。第三章 基于dsp的交流采樣系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計方案3.1 硬件電路設(shè)計思路交流采樣系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖。它主要由電壓互感器、電流互感器、運放電路、dsp、繼電保護電路、顯示電路、電源電路幾部分組成。電網(wǎng)的交流電進入電壓互感器和電流互感器后，在其二次側(cè)形成了相應的電壓信號和電流信號，然后輸入到運放電路中。經(jīng)過運放電路的處理后，信號就輸入到dsp的ad接口中。dsp對輸入的模擬信號進行采樣并通過算法進行計算，根據(jù)結(jié)果驅(qū)動顯示電路顯示出數(shù)據(jù)和

45、判斷繼電保護電路是否應該動作。圖3.1 硬件電路設(shè)計框圖3.2 總體電路的布局我們將電路焊接在一塊20cm20cm的電路板上，各個電路布局如圖。電路板左上方為采樣電路，包括電網(wǎng)的輸入輸出、變壓器、電流互感器、電壓互感器及其運放電路，右上方為電路所需的兩個5v電源和動作電路，下方為數(shù)碼管顯示屏和與dsp通信用的ide接口。圖3.13 總體電路布局圖3.3 電流互感器、電壓互感器電路的設(shè)計電壓互感器設(shè)計壓降為將331v的電壓降為2.5v，由于壓降過大，我們采用兩級降壓，首先先用220v變12v的變壓器將電壓降至12v，然后通過電壓互感器將把電壓降為峰值為2.5v的正弦波。電流互感器的參數(shù)為5a/5

46、ma，在電流互感器二次側(cè)用一個470的電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號。3.4運放電路的設(shè)計本采樣電路的總體設(shè)計如圖3.2所示，共包括四級運放電路。從互感器傳來的信號，首先通過第一級運放，即電壓跟隨電路進行跟隨，然后通過二階有源低通濾波電路。再通過一個加法電路，將幅值有正有負的正弦波電壓抬高，使其滿足f2812的a/d的需求。此時信號為負最后，信號通過一個反相電路將被加法電路反相的信號再次反相。運放電路的作用是對信號進行細致的處理，設(shè)計的是否合理直接影響到采樣的精度，所以設(shè)計時必須考慮電路可能會受到的干擾。經(jīng)過分析，影響運放電路精度的因素主要有三：圖3.2 運放電路總體設(shè)計圖1、外圍元件的精度。運放電路的效

47、果完全取決于外圍電路的連接方式和外圍元件的值。所以在元件的選用上，盡可能選用高精度元件，并減少使用可調(diào)元件的數(shù)量。2、偏置電壓的干擾。偏置電壓是直接與經(jīng)過濾波的電網(wǎng)信號進行疊加的信號，偏置電壓信號的質(zhì)量與采樣信號質(zhì)量直接相關(guān)。對于偏置電壓的選擇有兩點要求，一是帶載能力盡量好，二是電壓穩(wěn)定性必須高，三是電壓的峰峰值必須盡量小。3、濾波電路元件的匹配。本電路設(shè)計為對電網(wǎng)工頻的七次諧波進行濾波，即通帶頻率為小于350hz。電容的性能和電阻的大小會對波峰的形狀產(chǎn)生影響?；谝陨系姆治?，我們將輸入第一級運放的正弦波波峰最大電壓設(shè)置為2.5v。3.4.1 跟隨電路圖3.3 跟隨電路設(shè)計圖跟隨電路是從互感器

48、輸出的信號進入的第一級運放電路。跟隨電路的作用是與電網(wǎng)隔離的作用。跟隨電路沒有電阻，運放的同相輸入端與輸出端相連，信號從運放的反相輸入端輸入，從輸出端輸出。輸入信號與輸出信號不僅幅值相同，相位也相同，電壓放大倍數(shù)af=1。3.4.2 二階低通有源濾波電路信號從跟隨電路輸出后，就進入濾波電路。濾波電路截止頻率設(shè)置為350hz，只能通過工頻信號和七次及以下諧波。由于電網(wǎng)中電壓并不是標準的正弦波，在工頻信號中參雜許多高次諧波。高次諧波對電網(wǎng)參數(shù)影響很大，將濾波電路通帶設(shè)置為350hz有利于準確采集電網(wǎng)信號。圖3.4 二階有源低通濾波電路圖中，r1=r2=450kr3=10kr4=10kc1=c2=1

49、pf二階有源低通濾波的傳遞函數(shù)為： （3-1）式中；。根據(jù)上式可以計算出通帶電壓放大倍數(shù)為； （3-2）通帶截止頻率為 （3-3） （3-4）根據(jù)上式，可畫出二階低通濾波器的對數(shù)幅頻特性圖3.5 二階低通濾波器的對數(shù)幅頻特性3.4.3 偏置電路從濾波電路送出的信號是以u=0v為對稱軸的交流正弦波，當信號通過偏置電路后，信號整體電壓被抬高，并且被反相。圖3.6 偏置電路電路圖圖中：r5=10kr6=10kr7=3.3kr8=10ku2=5v偏置電路的電壓改變?yōu)?（3-5）3.4.4 反相電路由于偏置電路同時擁有偏置和反向的作用，信號通過偏置電路后，信號進入了負半周，反相電路則在不改變信號的相位和

50、幅值的情況下再次對信號進行反向。圖3.7 反相電路電路圖圖中：r9=22kr10=5.2kr11=6.8k反相電路的電壓放大倍數(shù)為 （3-6）3.5 tl431 5v偏置電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計tl431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源，由于其穩(wěn)定性，我們決定選用其產(chǎn)生偏置電路的5v偏置電壓。圖3.8 運用tl431搭建的5v穩(wěn)壓電路圖中：r2=r3=10k;r1=200電路搭建完成后給電路輸入12v電壓，通過示波器可觀察到電路輸出電壓為5v，峰峰值電壓為50mv左右，電壓精度可以滿足偏置電路對偏置電壓的要求。3.6 lm2596 5v電源的設(shè)計圖3.9 lm2596 5v電源設(shè)計圖圖中

51、：c1=680fc2=220fl=33h二極管：in5824電路搭建完成后，輸入12v電壓，通過示波器可觀察到電路輸出電壓為5v,峰峰值電壓為150mv左右，最大輸出電流為3a，可以滿足需要12v電源的芯片的需求。3.7 繼電保護電路的設(shè)計由于dsp i/o口的驅(qū)動能力不足以驅(qū)動繼電器動作，所以我們利用三極管對信號進行放大，在i/o口之間加入一個電阻目的在于減小i/o口的輸出電流，而續(xù)流二極管的作用是防止繼電器動作瞬間由于繼電器線圈的反向電動勢擊穿三極管。圖3.10 跳閘繼電器設(shè)計圖當dsp通過i/o口發(fā)出跳閘指令時繼電器應該立即跳開切斷故障線路。繼電保護電路由繼電器、三極管、續(xù)流二極管、電阻

52、組成，線路連接如下圖所示。三極管c級接5v電源，b級接dsp信號，e接繼電器線圈的一個管腳。繼電器線圈的另一個管腳接地，并在繼電器線圈兩個引腳的兩端反向接入一個續(xù)流二極管。當dsp的i/o口輸出的3.3v高電平信號時，高電平信號從a進入三極管，三極管導通，繼電器動作。當i/o口輸出低電平時，三極管斷開，繼電器觸點跳開。3.8 合閘電路的設(shè)計合閘電路由一個上拉電阻和一個開關(guān)組成。如圖所示，電阻與開關(guān)串聯(lián)，電阻的另一端接高電平，開關(guān)的另一端接低電平，電阻與開關(guān)之間的一條線接i/o口。當開關(guān)斷開時，i/o口通過電阻與高電平相連。由于沒有電流流過電阻，所以電阻的壓降為零，i/o口電平與高電平點相等。當

53、開關(guān)被按下時，線路中產(chǎn)生電流，電流從高電平點流出，通過電阻和開關(guān)，流入接地點。電阻上的壓降為高電平點的電壓，此時a點的電勢與接地點相等，即為低電平。圖3.11 合閘按鈕設(shè)計圖3.9 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計顯示電路主要是為了顯示采集的電壓和電流信號的大小以及線路上的負載大小。綜合經(jīng)濟性和實用性考慮選用數(shù)碼管顯示。選擇使用74ls164移位寄存器作為數(shù)碼管的驅(qū)動芯片。由于需要顯示三個值，總共需要用到十個數(shù)碼管，因為164芯片的可以通過移位功能將顯示信號傳遞下去，所以十個數(shù)碼管只需要一根數(shù)據(jù)線和一根時鐘線就能被控制顯示出來，程序也不復雜。圖3.12 74ls164級聯(lián)示意圖3.10 系統(tǒng)軟件的設(shè)計本次軟件設(shè)計主要由鍵盤輸入程序、lcd液晶顯示程序、ad采樣程序、通信程序構(gòu)成。整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括主程序模塊，初始化子程序模塊和中斷服務程序模塊。主程序模塊主要包括鍵盤掃描模塊和顯示模塊。初始化子程序模塊的功能主要是設(shè)置各個寄存器，使系統(tǒng)按