周波跌落模擬器的研制

摘    要：本文介紹了周波跌落模擬器的設(shè)計(jì)方法以及信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的組成。該儀器計(jì)量精密，能模擬電網(wǎng)電壓的變化,為用戶提供所需要的電壓波形，從而可實(shí)現(xiàn)電壓瞬時(shí)跌落、短時(shí)中斷等功能，可廣泛應(yīng)用于電氣、電子設(shè)備抗擾性的測(cè)試和研究領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：抗擾性；跌落電壓；跌落相位

引言
電磁兼容(EMC)要求電子電氣裝置必須具備在一定的電磁環(huán)境下正常工作的能力。而進(jìn)行抗電磁干擾的測(cè)試和研究離不開(kāi)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電磁干擾模擬器。以前這些設(shè)備都是依賴進(jìn)口，且價(jià)格昂貴。為此研制了這臺(tái)周波跌落模擬器。該儀器計(jì)量精密，能模擬電網(wǎng)電壓中斷或增大/減小，具有顯示直觀、輸出穩(wěn)定、使用方便、成本低等特點(diǎn)。

工作原理
當(dāng)電網(wǎng)或變電設(shè)備發(fā)生故障或負(fù)荷突然變化時(shí)會(huì)引起電壓瞬時(shí)跌落、短時(shí)中斷，在某些情況下還會(huì)連續(xù)出現(xiàn)兩次或更多次的電壓跌落與中斷。這些現(xiàn)象本質(zhì)上是隨機(jī)的，其特征表現(xiàn)為偏離額定電壓，并持續(xù)一段時(shí)間。但是，電壓瞬時(shí)跌落和短時(shí)中斷不總是突然的，因?yàn)榕c供電網(wǎng)絡(luò)相連的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和保護(hù)元件有一定的反作用，如果大的電源網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，電壓將由于很多旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接到電源網(wǎng)絡(luò)上，而僅僅是逐步降低。這些旋轉(zhuǎn)電機(jī)短期內(nèi)將作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行并向電網(wǎng)輸送功率。為了保護(hù)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)器中，大的數(shù)字處理設(shè)備都裝有內(nèi)置式斷電探測(cè)器，以便在電源恢復(fù)后，設(shè)備按正確的方式啟動(dòng)。但有些斷電探測(cè)器不能迅速反應(yīng)，導(dǎo)致直流電壓在斷電探測(cè)器觸發(fā)之前會(huì)減小到低于最小運(yùn)行電壓的水平，從而造成數(shù)據(jù)丟失或改變。當(dāng)電源電壓恢復(fù)時(shí)，數(shù)據(jù)處理設(shè)備就不能正確啟動(dòng)。本文討論的周波跌落模擬器由單片機(jī)與存儲(chǔ)顯示部分、電壓采樣和過(guò)零信號(hào)檢測(cè)部分、功率驅(qū)動(dòng)部分和有關(guān)直流工作電源等四部分組成，總體構(gòu)成如圖1所示。

單片機(jī)系統(tǒng)
采用8051型單片機(jī)協(xié)調(diào)、控制各部分電路的正常運(yùn)行，并用鍵盤、彩色液晶顯示器輸入顯示設(shè)定值。設(shè)定值主要包括跌落電壓、跌落相位、跌落時(shí)間、跌落間隔和跌落次數(shù)等等，并有中英文兩種版本。設(shè)定值有三種選擇：手動(dòng)模式、程式模式、標(biāo)準(zhǔn)模式。為了充分利用單片機(jī)的資源，P1.0和P1.1用于額定電壓、跌落電壓的切換；P1.3檢測(cè)電壓過(guò)零信號(hào)；P1.4和P1.5控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；P1.6用于換屏；P1.7連接看門狗電路；P3.3控制A/D中斷；P3.5選擇選通開(kāi)關(guān)。為了處理大量數(shù)據(jù)的信息、糾錯(cuò)方案和軟件容錯(cuò)，需要一定的RAM，因此，本儀器采用擴(kuò)充8K的外部RAM。這臺(tái)周波跌落模擬器不僅可單獨(dú)工作，而且留有RS-232通信口還可與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。為了提高設(shè)備的可靠性和安全性，滿足國(guó)標(biāo)的要求，本設(shè)計(jì)在軟件和硬件上都采用了保護(hù)措施，特別是一些抗干擾措施。首先，在保護(hù)CPU方面，采用光電隔離器和繼電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)采用變壓器和光電隔離器來(lái)取樣電壓信號(hào)和過(guò)零信號(hào)。這樣就把強(qiáng)電和弱電部分完全隔開(kāi)，即使外圍線路損壞，也不會(huì)損壞CPU。其次，在工作電源方面，通過(guò)串接電感線圈來(lái)減小直流電壓的波動(dòng)，這樣就保證了工作電壓的穩(wěn)定性。最后在抗高頻干擾方面，采用數(shù)塊金屬板把相關(guān)電路隔開(kāi)，這樣就能使整個(gè)儀器減少高頻方面的干擾。
此外，還利用軟件的優(yōu)勢(shì)，采用多種濾波方法凈化信號(hào)，以及容錯(cuò)技術(shù)，如設(shè)置看門狗等。

電壓采樣和過(guò)零信號(hào)檢測(cè)電路
電壓采樣和過(guò)零信號(hào)檢測(cè)電路是提高跌落電壓和跌落相位精度的關(guān)鍵電路。電壓采樣主要包括額定電壓采樣和跌落電壓采樣。這里重點(diǎn)介紹跌落電壓采樣，具體電路見(jiàn)圖2所示。
在圖2中，0~255V跌落電壓經(jīng)6V變壓器降壓，變成較低的交流信號(hào)。由于跌落電壓的取樣精度直接影響到整臺(tái)儀器的測(cè)試精度，過(guò)去采用的只用一個(gè)二極管來(lái)整流的方法雖然簡(jiǎn)單，但是線性不好，誤差非常大，最終只能在軟件中加補(bǔ)償來(lái)消除誤差，這樣就大大增加了軟件的工作量，而且重復(fù)性也不好。因此為了減小二極管的非線性在整流中造成的誤差，本設(shè)計(jì)采用了典型的運(yùn)放跟蹤整流電路，由運(yùn)放mA741和二極管RF107組成。從而避免了以上弊端。只用硬件電路就能滿足精度要求，無(wú)須軟件補(bǔ)償。
圖2中電解電容C1和電容C2組成濾波電路。在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)電解電容C1的電容值選取非常關(guān)鍵，它直接影響到定標(biāo)的準(zhǔn)確。由于跌落電壓經(jīng)過(guò)取樣和選通開(kāi)關(guān)以后進(jìn)入ADC，因此電路要求交流255V對(duì)應(yīng)直流5V的線性定標(biāo)。本電路中C1取47mF。電阻R2是可調(diào)精密電阻，在定標(biāo)過(guò)程中輸出取樣信號(hào)對(duì)它的變化非常敏感。因此在圖2所示的整個(gè)電路中，取樣信號(hào)的精確度主要取決于電容C1和電阻R2的數(shù)值。后一個(gè)運(yùn)放mA741起隔離作用，主要是防止后續(xù)電路對(duì)取樣電路的影響。整個(gè)取樣電路不僅成本低，而且性能好，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，完全滿足跌落電壓的設(shè)計(jì)要求。
跌落相位是周波跌落模擬器的另一個(gè)重要的參量，而過(guò)零檢測(cè)電路是保證跌落相位精度的關(guān)鍵電路。以前采用的方法是利用二極管的正向?qū)?、反向截止的特性?lái)直接對(duì)交流220V的過(guò)零信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，這種方法由于二極管的導(dǎo)通并不完全是在電壓的零位，因此誤差較大，必須在軟件中加一定的補(bǔ)償。為了克服這些缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用零電壓比較的方法。這種方法不僅可以提高交流過(guò)零信號(hào)的精度，而且還避免了在交流220V線路中串接電阻所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。具體電路見(jiàn)圖3所示。
在圖3中，交流220V通過(guò)變壓器降為12V，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)二極管組成的鉗位電路進(jìn)入電壓比較器LM311，輸出的信號(hào)是方波，再經(jīng)過(guò)光電耦合送到CPU的P1.3口。其中可調(diào)精密電阻R2起過(guò)零微調(diào)作用。這個(gè)電路經(jīng)過(guò)實(shí)踐，證明完全滿足跌落相位的設(shè)計(jì)要求。

軟件
本儀器的軟件分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，主要功能有：檢測(cè)跌落電壓、計(jì)算跌落時(shí)間、跌落間隔、跌落次數(shù)以及判斷設(shè)置數(shù)值是否超出范圍等等。另一類是上位機(jī)通信軟件，其功能是通過(guò)RS-232接口控制儀器的運(yùn)行，用VB編寫。由于硬件已能滿足要求，因此跌落電壓的取樣和過(guò)零信號(hào)的檢測(cè)都未加軟件補(bǔ)償，這樣使軟件工作量大大減輕。在測(cè)試中，若超出允許范圍，會(huì)顯示出錯(cuò)信息。主程序分為四部分：開(kāi)機(jī)，儀器初始化；根據(jù)設(shè)置值執(zhí)行功能子程序；開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)模塊，輸出所需的跌落電壓和波形；與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)的通信程序。程序流程圖如圖4所示。

誤差
本儀器誤差主要包括：(1) 取樣電路的定標(biāo)誤差，一般小于