专利名称：一种可提供分频动态波形的电力信号源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电力信号源，尤其是涉及一种可提供分频动态波形的电力信号源。
背景技术：
伴随着国家工业化的进一步发展，电子、电力设备的投入逐年增加，尤其近年来国家电力基础建设的大规模改造和提升，国家电网的负荷成指数倍增加，电网污染日益严重，对电网运行的可靠性以及电子产品使用的安全性产生了极大的影响，故此针对电网质量的监视、测量、计量和管理任务也日益受到重视。目前对电网质量的监视、测量、计量和管理任务主要是通过专业的检测设备实现 的，但这种传统的设备购置、检测建立方式成本高、效率低，不能符合国家工业化发展建设的需求。考虑到，目前全国每年电能表产量约2亿，以谐波电能表占2%计，累计数年已近一千万之多，其覆盖到了全国各大中城市，而这批急于投入使用的电能表，因无切实可行的检测手段，难以溯源，部分只能作监视仪表使用，仅局限于传统的电能计费任务，尤其是具有先进的计算能力的谐波电能表，电能表这样的简单利用造成了严重的资源浪费。造成如此现象的根本原因，就是常规的电能表检定装置，无法提供分频动态波形信号，也就无法对谐波电能表在各谐波状态下的计量进行检定。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种可提供分频动态波形的电力信号源。上述技术问题，是通过以下技术措施解决的一种可提供分频动态波形的电力信号源，其特征是，包括单片机模块1，其内包含有独立时钟单元，用于控制及输出波形工作频率；波形数据存储模块2，为双端并口 RAM，用于缓存单片机模块I输出的波形、相位信息；锁相环扫描模块3，包括有锁相环芯片和CPLD芯片，用于控制输出波形频率和相位信息合成；幅值数模转换模块4，为第一 16位并口 D/A转换器，用于将数字输出波形的幅值信息转换成模拟输出波形信号；波形数模转换模块5，第二 16位并口 D/A转换器，用于将数字输出波形的波形、相位信息转换成模拟输出波形信号；波形输出运算放大器6,用于放大模拟输出信号；电压基准模块7，用于输出基准电压；通信接口模块8，用于收发控制信号；幅值输出运放模块9，用于放大模拟输出信号；所述的单片机模块I通过通信接口模块8接收和反馈控制信号，输出波形的数据、地址信号至所述的双端并口的波形数据存储模块2的数据口和地址口 ；输出波形的幅值信号至所述的幅值数模转换模块4的入口端数据口，独立时钟单元输出标准时钟信号至所述的锁相环扫描模块3的锁相环芯片；所述的幅值数模转换模块4的REF 口输入所述的电压基准模块7输出的基准电压，输出幅值信号至幅值输出运放模块9 ；所述的锁相环扫描模块3的CPLD芯片输出地址扫描信号至所述的波形数据存储模块2的出口端地址口 ；所述的波形数据存储模块2的出口端数据输出口输出至所述的波形数模转换模块5的数据口，所述的波形数模转换模块5的REF 口输入幅值输出运放模块9的输出，所述的波形输出运算放大器6输入波形数模转换模块5的输出波形信号、最后输出分频动态波形。在上述基础上，本实用新型还可以做进一步的改进 为了输出滑波波形信号，还包括用于输出指数波形信号的数字电位器10和用于叠加正弦波信号和指数波形信号的加法器11;所述的数字电位器10连接在所述幅值输出运算放大器9的输出端与电压参考端(接地)之间，数字电位器10的控制端连接到所述单片机模块的相应端口，数字电位器的中心抽头和所述波形输出运算放大器6的输出端分别通过第一电阻和第二电阻连接到加法器的同相输入端，加法器11的输出端为电力信号源的波形输出端。本实用新型的电力信号源采用高速单片机、双端口并口存储器和数模转换器的结构实现，以数字处理模拟输出的方式，依据实际需要能提供多种多样的分频动态波形信号;本实用新型的有益效果如下本实用新型的可提供分频动态波形的电力信号源，能够提供分频动态波形的电力信号，对谐波电能表在各谐波状态下的计量进行检定，使得谐波电能表能够得以承担电网质量的监视、测量、计量和管理任务，极大的节约了国家资源。
以下结合附图
和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明图I为本实用新型电力信号源实施例一的电路原理框图；图2为图I所示电力信号源实施例输出半波/触发波形的信号流程图；图3为图I所示电力信号源实施例输出冲击正弦波波形的信号流程图；图4为实施例二的输出滑波波形的信号流程图。
具体实施方式
图I示出了本实用新型电力信号源的实施例一，包括单片机模块1，其内包含有独立时钟单元，用于控制及输出波形工作频率；波形数据存储模块2，为双端并口 RAM，用于缓存单片机模块I输出的波形相位信息；锁相环扫描模块3，包括有锁相环芯片和CPLD芯片，用于控制输出波形频率和相位信息合成；幅值数模转换模块4，为第一 16位并口 D/A转换器，用于将数字输出波形的幅值信息转换成模拟输出波形信号；波形数模转换模块5，第二16位并口 D/A转换器，用于将数字输出波形的波形、相位信息转换成模拟输出波形信号；波形输出运算放大器6，用于放大模拟输出信号；电压基准模块7，用于输出基准电压；通信接口模块8，用于收发控制信号；幅值输出运放模块9，用于放大模拟输出信号。单片机模块I通过通信接口模块8接收和反馈控制信号，输出波形的数据、地址信号至所述的双端并口的波形数据存储模块2的数据口和地址口 ；输出波形的幅值信号至所述的幅值数模转换模块4的入口端数据口，独立时钟单元输出标准时钟信号至锁相环扫描 模块3的锁相环芯片；幅值数模转换模块4的REF 口输入电压基准模块7输出的基准电压、输出幅值信号至幅值输出运放模块9 ;锁相环扫描模块3的CPLD芯片输出地址扫描信号至波形数据存储模块2的出口端地址口 ；波形数据存储模块2的出口端数据输出口输出至波形数模转换模块5的数据口，波形数模转换模块5的REF 口输入幅值输出运放模块9的输出，波形输出运算放大器6输入波形数模转换模块5的输出波形信号、最后输出分频动态波形。单片机模块I包括高速单片机、独立时钟单元、外部晶振和定时器，独立时钟单元、外部晶振和定时器连接到高速单片机的相应端口。独立时钟单元用于产生电力信号源的基准频率，并不占用单片机运行时间和存储空间。外部晶振采用频率为22. 118400M的晶振，这是一个较为折衷的方案，既保证了系统的速度，又保证了系统的稳定性。定时器为十六位、四机器周期的定时器，用于电力信号源输出信号的频率控制。由于电平信号转脉冲信号相当于二分频，因而本实施例电力信号源的实际分频系数为11059200Hz (晶振频率)/4 (机器周期)/2 (分频)/50Hz (目标值)=55296 (分频系数)。此值小于65536，符合十六位定时器的工作要求。则本实施例电力信号源的频率调节细度为50Hz/55296，优于50Hz/50000 = 0. OOlHz。波形数据存储模块2采用双端并口存储器，用于存储一个周期的高分辨率全波波形信号，确定输出波形的相位，可重复写入。其存储空间分配为水平分辨率72000，即每个基波信号周期分为72000点，相应的相位调节细度为360度/72000 = 0. 005度；垂直分辨率为65536，这样的分辨率已经可以满足较小的失真要求。电压基准模块7采用型号为LM399的高稳定度精密电压基准，其稳定度为20PPM，用于提供基准电压。所述幅值数模转换模块4采用十六位D/A转换器，用于波形信号幅值数据的数模转换。因此，本实施例电力信号源的幅值调节细度为=1/65536X100%优于1/50000X100%= 0. 002% o锁相环扫描模块3包括锁相环芯片、CPLD芯片以及外部电路，锁相环芯片连接单片机模块I中的独立时钟单元，CPLD芯片连接波形数据存储模块2的地址B端口。波形数模转换模块5采用十六位D/A转换器，用于波形信号波形数据的数模转换。运放模块包括至少二个独立的运算放大器。通信接口模块8采用RS232通信接口。本实施例电力信号源的工作原理为单片机模块I内部存放高分辨率的1/4周期基波波形，根据实际输出波形要求，内部查表，将其全波波形直接映射到波形数据存储模块2中。单片机模块I中的独立时钟单元输出50Hz基准频率脉冲，起动高速锁相环扫描模块工作，锁相环扫描模块3中的CPLD复杂可编程逻辑器件，既做倍频器，同时输出地址扫描线，对波形数据存储模块2扫描，将波形数据输出到波形数模转换模块5，再通过波形输出运算放大器6，输出符合要求的模拟波形。[0036]以下结合图2 3说明上述实施例的电力信号源输出2种特殊动态波形的工作过程如图2所示，为上述实施例的电力信号源输出半波/触发波形的信号流程图。因一个完整的基波波形，可分为4个象限，每个象限占用1/4周期，单片机模块I将其一个周期的正弦波映射到波形数据存储模块2中，则将波形数据存储模块2的存储区域划为四等份，分别设为A、B、C、D，则其分别对应正弦波的4个象限。当通信接口模块8向单片机模块I输入要求电力信号源输出半波波形的指令时，单片机模块I将存放波形的波形数据存储模块2的C、D区域写入数据“0”，则经锁相环扫描模块3扫描输出的波形即为半波，再经过波形数模转换模块5和波形输出运算放大器6，输出符合要求的模拟半波信号。同理，当通信接口模块8向单片机模块I输入要求电力信号源输出相位触发波形的指令时，单片机模块I只需将波形数据存储模块2的A、C区域写入数据“0”即可。如图3所示，为上述实施例的电力信号源输出冲击正弦波波形的信号流程图。因冲击正弦波的特点在于正弦波的幅值随时间在Ib与FiXIb之间变化，依据这一特点，当 通信接口模块8向单片机模块I输入要求电力信号源输出冲击正弦波波形的指令时，单片机模块I中的定时器以标准50Hz脉冲周期为最小计时单位，根据要求设定冲击正弦波变化的时间间隔，切换幅值数模转换模块4的输入数据，它的输出，通过幅值输出运算放大器输入波形数模转换模块5，为波形数模转换模块5提供基准输入，这个基准的改变，会直接影响到输出正弦波幅值得变化，从而输出冲击正弦波波形。上述幅值数模转换模块4输入数据的切换时间，由于本实施例电力信号源是采用高速单片机和并口 D/A转换器，基本可忽略。在汇编语言中，切换约14条指令，每条约4个机器周期，则切换时间4X14/22. 1184M = 2. 5 y S，而正弦波周期为20mS，所以切换时间占一个正弦波周期的比例为2. 5mS/20mSX 100%= 0.0125%，本实施例电力信号源输出冲击正弦波波形的结果令人满意。如图4所示，为本实用新型的实施例二，在实施例一的基础上，还包括用于输出指数波形信号的数字电位器10和用于叠加正弦波信号和指数波形信号的加法器11 ;数字电位器10连接在幅值输出运算放大器9的输出端与电压参考端(接地)之间，数字电位器10的控制端连接到单片机模块的相应端口，数字电位器的中心抽头和波形输出运算放大器6的输出端分别通过第一电阻和第二电阻连接到加法器的同相输入端，加法器11的输出端为电力信号源的波形输出端。图4为电力信号源输出滑波波形的信号流程图。因滑波波形的实质是一个基波波形，叠加一个e_at的直流信号而得到的。所以，当通信接口模块8向单片机模块I输入要求电力信号源输出滑波波形的指令时，在单片机模块I中的高速单片机内预设了 e_at随时间(I 7个正弦波周期)变化的幅值数据表格，单片机模块I中的十六位定时器采用中断方式，依次将表格中的数据写入数字电位器，数字电位器的中心抽头即输出e_at波形信号，该波形信号与波形输出运算放大器6输出的正弦波波形信号通过加法器叠加输出滑波波形。因数字电位器采用内部100抽头的规格，所以其变化细度足以满足滑波波形变化的细度要求，本实施例的电力信号源能输出令人满意的滑波波形。
权利要求1.一种可提供分频动态波形的电力信号源，其特征是包括 单片机模块(I)，其内包含有独立时钟单元，用于控制及输出波形工作频率； 波形数据存储模块(2)，为双端并口 RAM，用于缓存单片机模块(I)输出的波形、相位信息； 锁相环扫描模块(3)，包括有锁相环芯片和CPLD芯片，用于控制输出波形频率和相位信息合成； 幅值数模转换模块(4)，为第一 16位并口 D/A转换器，用于将数字输出波形的幅值信息转换成模拟输出波形信号； 波形数模转换模块(5)，第二 16位并口 D/A转换器，用于将数字输出波形的波形、相位信息转换成模拟输出波形信号； 波形输出运算放大器(6),用于放大模拟输出信号； 电压基准模块(7)，用于输出基准电压； 通信接口模块(8)，用于收发控制信号； 幅值输出运放模块(9)，用于放大模拟输出信号； 所述的单片机模块(I)通过通信接口模块(8)接收和反馈控制信号，输出波形的数据、地址信号至所述的双端并口的波形数据存储模块(2)的数据口和地址口 ；输出波形的幅值信号至所述的幅值数模转换模块(4)的入口端数据口，独立时钟单元输出标准时钟信号至所述的锁相环扫描模块(3)的锁相环芯片； 所述的幅值数模转换模块(4)的REF 口输入所述的电压基准模块(7)输出的基准电压、输出幅值信号至幅值输出运放模块(9)； 所述的锁相环扫描模块(3)的CPLD芯片输出地址扫描信号至所述的波形数据存储模块(2)的出口端地址口 ； 所述的波形数据存储模块(2)的出口端数据输出口输出至所述的波形数模转换模块(5)的数据口，所述的波形数模转换模块(5)的REF 口输入幅值输出运放模块(9)的输出，所述的波形输出运算放大器(6)输入波形数模转换模块(5)的输出波形信号、最后输出分频动态波形。
2.根据权利要求I所述的可提供分频动态波形的电力信号源，其特征是还包括用于输出指数波形信号的数字电位器(10)和用于叠加正弦波信号和指数波形信号的加法器(11);所述的数字电位器(10)连接在所述幅值输出运算放大器(9)的输出端与电压参考端之间，数字电位器(10)的控制端连接到所述单片机模块的相应端口，数字电位器的中心抽头和所述波形输出运算放大器出)的输出端分别通过第一电阻和第二电阻连接到加法器的同相输入端，加法器(11)的输出端为电力信号源的波形输出端。
专利摘要本实用新型公开了一种可提供分频动态波形的电力信号源，包括用于接收电力信号源工作状态控制信号的通信接口模块；连接通信接口模块，用于控制电力信号源工作状态和输出波形工作频率的单片机模块；连接单片机模块，用于缓存电力信号源输出波形、相位信息的波形数据存储模块；连接在单片机模块与波形数据存储模块之间，用于控制输出波形频率和相位信息合成的锁相环扫描模块；连接波形数据存储模块，用于将数字输出波形信息转换成模拟输出波形信号的波形数模转换模块；以及连接波形数模转换模块，用于放大模拟输出模型信号的波形输出运算放大器；采用上述电力信号源检定的电能表能够承担电网质量的监视、管理和电能的测量、计量任务。
文档编号G01R1/28GK202433419SQ201120438188
公开日2012年9月12日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者吴伟宗, 周克西, 孙卫明, 肖勇, 赵伟, 陈锐民 申请人:广东电网公司电力科学研究院