专利名称：用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于方波信号发生器领域，尤其是一种用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器。
背景技术：
中性点经消弧线圈接地电网，又称谐振接地电网。当谐振接地电网发生单相接地故障时，消弧线圈提供一电感电流，可补偿谐振接地电网三相传输线对地电容产生的电流，使接地残流减小，并使故障相接地电弧两端的电压迅速降低，从而使电弧易于自熄。在测量谐振接地电网的谐振频率时，需要用到大功率的方波信号发生装置来进行扫频，然而现有的信号源发出的信号比较微弱，而且其频率范围受到装置内元器件的限制，给谐振频率的测量带来了困难，甚至会产生错误信号而影响电力系统的可靠运行。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种信号功率大、抗干扰能力强且可靠性高的用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器。本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的一种用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器，包括单片机控制模块、电源模块和方波信号发生模块，电源模块的输入端与220V交流电源相连接,其输出端分别与单片机控制模块及方波信号发生模块相连接分别为其供电，单片机控制模块与方波信号发生模块相连接，该方波信号发生模块由四个反相器、四个光电耦合、四个驱动电路和四个IGBT及其辅助电路连接构成，四个反相器与单片机的四个I/O接口相连接用于隔离高电压信号，四个IGBT管及其辅助电路在单片机控制模块的控制下分成两组定时导通和截止从而输出方波信号。而且，所述的单片机控制模块还连接一手动调节模块用于调节输出方波信号的幅值、频率和占空比。而且，所述的单片机控制模块还连接一显示模块用于显示方波信号的幅值、频率或占空比。而且，所述的单片机控制模块包括单片机AT89C51芯片、外围电路和A/D转换器。而且，所述的电源模块包括电压可调电源模块和5V电源模块，该电压可调电源由自耦变压器、桥式整流电路及RC电路连接构成并为方波信号发生模块供电；所述的5V电源模块由变压器及整流稳压单元连接构成并为单片机控制模块供电。而且，所述的显示输出模块由六个八段数码管构成。本实用新型的优点和积极效果是本实用新型采用适用于高频电路的IGBT管作为开关器件并通过手动调节模块对输出的频率、占空比及电压幅值进行调节并通过显示模块进行显示，克服现有方波信号发生器的信号能量弱的缺点，在单片机与光耦之间设置反相器，增强了电路的抗干扰能力，具有信号功率大、频率及电压幅值调节范围宽且可手动调节、性能稳定等特点，可广泛用于电力系统谐振接地电网谐振频率测量中。
图1是本实用新型的电路方框图；图2是本实用新型的电源模块和方波信号发生模块电路图；图3是本实用新型的单片机控制模块及显示模块电路图；图4是本实用新型的单片机程序处理流程 图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步详述。一种用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器，如图1所示，包括单片机控制模块、电源模块、方波信号发生模块、手动调节模块和显示模块，电源模块的输入端与220V交流电源相连接，其输出端分别与单片机控制模块及方波信号发生模块相连接分别为其供电，该单片机控制模块包括单片机AT89C51芯片及与其相连接的外围电路、A/D转换器，单片机控制模块分别与方波信号发生模块、显示模块相连接控制方波信号发生模块输出一定频率的方波信号并通过显示模块进行显示，单片机控制模块与手动调节模块相连接实现调节方波输出信号功能。如图2所示，电源模块包括电压可调电源模块和5V电源模块，电源模块外接220V交流电，一方面经过自耦调压器通过手动旋钮控制输出方波电压幅值的变化；另一方面经变压器和整流稳压单元产生5V直流电供给AT89C51单片机和MAX187使用。其中，电压可调电源包括自耦变压器、桥式整流电路及RC电路，该自耦变压器的主边与220交流电源相连接，其副边通过桥式整流电路后，再通过RC电路获得一个基本保持在50V 200V的直流电压的方波信号发生电路供电，该直流电作为4个IGBT组成电路的电源，通过控制IGBT的导通和关断输出该电压幅值的方波；5V电源由变压器及整流稳压单元构成，该变压器的主边与220交流电源相连接，其副边通过整流稳压单元后输出5V电源为单片机控制模块供电。如图2所示，方波信号发生模块包括四个反相器、四个光电耦合、四个驱动电路和四个IGBT及其辅助电路。四个反相器与单片机控制模块中的单片机AT89C51的四个I/O接口(P1.1、Pl. 2、Pl. 3和Pl. 4)可以有效地隔离高电压信号，起到保护单片机的作用。四个光电耦合提供了两端电路的电气隔离。由于IGBT综合了 MOSFET和GTR的优点，并且具有开关容量大、通态损耗低、开关损耗低、控制方便的优点，因此选取IGBT作为开关器件，四个IGBT管及其辅助电路在AT89C51的控制下分成两组定时导通和截止，图中左上角和右下角的IGBT管及其辅助电路为一组，另外两个IGBT管及其辅助电路为一组，当其中一组IGBT管导通时另一组则截止，并由AT89C51控制使导通和截止的持续时间相等。其工作原理为Pl.1和Pl. 4发出信号控制IGBTl和IGBT4导通，在直流电压E的作用下输出端会获得高电平E，且IGBTl和IGBT4导通时间记作tm ;通过单片机Pl. 2和Pl. 3发出信号控制IGBT2和IGBT3导通，在直流电压E的作用下输出端会获得低电平-E，IGBT2和IGBT3导通时间记作
Iff，则获得方波的周期为T=Uttjff，占空比为α = ~Τ在没有调节占空比旋钮的情况下，
5默认输出tm = toff即a =0. 5的方波。通过检测到旋钮的调节量，控制Pl.1 Pl. 4引脚最终得到所需频率的波形。因为电力IGBT的开关速度快，工作频率高、功率大的优点，可以产生出频率可调范围宽，功率大的方波信号，进而应用到谐振接地电网谐振频率的测量中。手动调节模块包括一个波段开关和三个调节旋钮。波段开关主要负责在显示功能方面的调节，三个波段分别为频率显示档、占空比显示档和幅值显示档。频率和占空比的连续调节是通过旋钮调节电位器实现的，电压幅值的调节是通过旋钮调节自耦变压器实现的。调节频率控制旋钮可以改变电位器上获得的电压信号，这个电压信号是一个模拟量，通过A/D转换器变成数字量后传递给单片机，经过单片机程序分析输出控制信号，经由反相器和光电耦合装置构成的驱动电路后控制4个IGBT的导通和关断，这样便可以形成所需要的特定频率的波形。同时，该频率还可以用数码管显示出来。本装置默认输出的是方波，如需其他占空比的方波，可通过转动占空比控制旋钮改变。如图3所示，单片机控制模块通过Pl.1 Pl. 4引脚的输出和显示模块进行控制，该显示模块采用的是六个数码管。调节频率控制旋钮时，电位器阻值的变化导致其端电压 发生变化，假设电位器的调节精度为O.1V，经MAX187转化成对应的数字量后送给单片机的Pl. 5引脚，该引脚获取信号后将数字量锁存到寄存器中。单片机的晶振选择10MHz，则它的振荡周期为O.1 μ S，取每100个振荡周期为一个单位，对应电位器的O.1V，这样，便可以将寄存器中的数字量转化成时间，控制Pl.1 Pl. 4引脚的开通和关断，达到通过旋钮可以连续调节方波频率的目的。通过6个数码管可以实现显示方波频率、占空比和电压幅值的目的。数码管的段码a，b, c, d, e, f, g, dp分别与单片机的P2. 7 P2. O相连，控制数码管中显示的字形；数码管的位选通由6个PNP三极管控制，分别接到单片机的PO. 2 PO. 7端口上，程序中通过控制PO. 2 PO. 7端口的输出电平就可以控制数码管的显示与关闭。如PO. 2输出低电平时，三极管Tl导通，+5V电源加到第一个数码管的COM端，那么第一个数码管Dl就会显示出相应的数字，显示的数字由单片机P2. 7 P2. O输出段码决定，当PO. 2输出高电平时，三极管Tl截止，数码管DGl就不显示，从而实现数码管位的选通控制功能。单片机内部的显示处理流程如图4所示。需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式
中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。
权利要求1.一种用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器，其特征在于包括单片机控制模块、电源模块和方波信号发生模块，电源模块的输入端与220V交流电源相连接，其输出端分别与单片机控制模块及方波信号发生模块相连接分别为其供电，单片机控制模块与方波信号发生模块相连接，该方波信号发生模块由四个反相器、四个光电耦合、四个驱动电路和四个IGBT及其辅助电路连接构成，四个反相器与单片机的四个I/O接口相连接用于隔离高电压信号，四个IGBT管及其辅助电路在单片机控制模块的控制下分成两组定时导通和截止从而输出方波信号。
2.根据权利要求1所述的用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器，其特征在于所述的单片机控制模块还连接一手动调节模块用于调节输出方波信号的幅值、频率和占空比。
3.根据权利要求1所述的用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器，其特征在于所述的单片机控制模块还连接一显示模块用于显示方波信号的幅值、频率或占空比。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器，其特征在于所述的单片机控制模块包括单片机AT89C51芯片、外围电路和A/D转换器。
5.根据权利要求4所述的用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器，其特征在于所述的电源模块包括电压可调电源和5V电源模块，该电压可调电源由自耦变压器、桥式整流电路及RC电路连接构成并为方波信号发生模块供电；所述的5V电源模块由变压器及整流稳压单元连接构成并为单片机控制模块供电。
6.根据权利要求3所述的用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器，其特征在于所述的显示模块由六个八段数码管构成。
专利摘要本实用新型涉及一种用于谐振接地电网谐振频率测量的方波信号发生器，其技术特点是包括单片机控制模块、电源模块和方波信号发生模块，电源模块的输入端与220V交流电源相连接，其输出端分别与单片机控制模块及方波信号发生模块相连接分别为其供电，单片机控制模块与方波信号发生模块相连接控制其输出一定频率的方波信号，该方波信号发生模块由四个反相器、四个光电耦合、四个驱动电路和四个IGBT及其辅助电路连接构成。本实用新型设计合理，克服现有方波信号发生器的信号能量弱的缺点，增强了电路的抗干扰能力，具有信号功率大、频率及电压幅值调节范围宽且可手动调节、性能稳定等特点，可广泛用于电力系统谐振接地电网谐振频率测量中。
文档编号G01R31/02GK202854185SQ20122046085
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者李聪利, 李玲玲, 李建伟, 段超颖, 张渭澎, 吉海涛 申请人:天津市电力公司, 国家电网公司