電壓監測儀的檢測裝置總體設計方案研究

南方電網玉溪供電局 魯子豪 楊景程 李佳蓉

前 言

針對單相電壓檢測儀在檢測上的裝置設計專門設置了電壓監測儀，其精度極大，檢測裝置為表源一體化結構。這一檢測裝置能夠產生數字正弦信號，此信號在特性上具有可調性，信號的發出得益于直接數字頻率合成技術（DDS），模擬的正弦波獲得需要經過濾波器與16位的D/A數模轉換芯片生成，幅值可調的信號源由另一個D/A數模轉換芯片通過對基準電壓的改變獲得，經過以上步驟獲得標準電壓源，其物理性質是50Hz的工頻、電壓為220V，精度為0.05級[1]。

應用高精度的數據采集器實現了數據的顯示與采集，而高精度的數據采集器構成依靠高速AD模數轉換芯片，其特點是精度高。電壓與檢測裝置的檢測數據信息回傳以及本地通訊是通過裝置中設置的通訊模塊得以實現。電壓的輸出數值大小調整通過控制中心的通訊模塊向FPGA遠程發送命令實現，以上檢測結果也可反饋傳送至控制中心[2]。

電壓檢測裝置在設計過程中主要的核心設計要素是對標準電壓源的設計，在上文中知悉其精度高，具體精度為0.05級，精度要求使用以往的整流逆變難以得到，因此采用程控電壓源實現此設計。此系統在硬件設計中包含的設計內容包含了FPGA控制器外圍電路、高速D/A數模轉換電路、有源濾波器、按鍵及顯示電路，在檢測裝置中輸出的標準電壓的采集依賴于12位的A/D模數轉換芯，而后控制中心中電壓數據的收回依靠GPRS/GSM遠程通訊。

軟件設計的內容主要包含了LED顯示模塊，以及建立在Verilog硬件基礎上的可編程語言按鍵模塊。頻率控制字K由按鍵控制模塊處理得到，使用累加器將頻率控制字K累加，ROM查找表模塊獲取渠道為波形寄存器的尋址地址，進而獲得正弦波形序列；顯示模塊發揮的主要功能作用是顯示電壓值與頻率。

1 檢測裝置的工作流程

信號源與電壓標準表可以合一的由檢測裝置發揮功能使用，當檢測裝置以標準表的功能被使用時，首先應進行量程選擇工作，測量工作的進行主要是在輸入端接入被測電壓；當應用表、源合一功能進行使用，連接的兩端是裝置輸出端子與電壓輸入端子，連接之后進行測量與試驗的相關工作，可以實現的功能有電壓校準、時鐘校準、綜合試驗、精度試驗、靈敏度試驗、諧波試驗。裝置在工作當中將采集的電壓表信號與外部電壓進行存儲，采樣的起始位置控制由起始信號決定，采樣的長度由結束信號進行控制，在結束轉換工作之后，緩存中的數據經過信號量化之后進一步讀取，通過LED將結果顯示出來，同時要處理行數字信號；與上位機之間的通訊通過與RS232接口實現，實現了進一步的處理工作，如曲線顯示、數據存儲、打印輸出[3]。

電壓檢測儀在正常工作狀態之下主要檢測市電電壓，在進行檢測電壓檢測儀工作時，檢測指令由服務器遠程控制發出，通訊模塊GPRS/GSM發出的檢測指令由執行終端接收，電壓檢測儀在這一過程中檢測的電壓由控制模塊對其進行操作，并市電電壓切換到標準電壓的輸出端。與此同時，電壓監測儀在將數據傳送到遠程監測裝置的過程應用RS232接口實現，電壓監測儀傳送的數據以及遠程裝置自身的檢測的對比工作會有遠程監測裝置承擔，通過數據對比易知悉電壓檢測儀的工作狀態是否正常，如數據誤差在允許范圍內則認為正常，與此同時遠程裝置也會接收到反饋數據信息，標明“合格”。否則，誤差過大則認定其不合格，也會反饋得到“不合格”的信息[4]。

控制中心服務器的接收終端數據通過GPRS/GSM由電壓監測儀遠程檢測裝置和電壓監測儀檢測傳回，數據對比工作由服務器監控軟件完成，清晰明了的對兩組數據結果進行查看。兩組數據對比的結果誤差處于允許范圍內情況時，則可以認定電壓檢測儀處于正常的狀態情況。當兩個數據之間的誤差超出了允許范圍，認定出現了檢測誤差，則需要對電壓檢測儀進行校準，此項工作由工作人員針對性的判斷完成。

2 檢測裝置的設計方案

硬件與軟件兩部分的設計組成了系統設計，選擇控制器芯片與配套器件是硬件設計的主要工作，其中其他配套器件的內容包含選取FPGA控制器芯片與D/A數模轉換芯片，電路設計包含的內容是電源、高速數模轉換、有源低通濾波、功率放大、遠程通信等，同時包含了液晶接口與鍵盤電路的設計工作。下文對其進行介紹[5,6]。

FPGA控制器。本文研究的內容中，在FPGA控制器中選擇了Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE10E22控制器作為核心控制器，此項控制器具有諸多優點，其中對比其他控制器較為明顯的是其功耗極低，在數據處理能力上依托強大的內部邏輯計算十分強大，擁有22320個LE邏輯單元，594個嵌入式存儲器，擁有66個嵌入式的18×18乘法器具，4個通用PLL，20個全局時鐘網絡，153個用戶I/O，不止擁有以上功能之外，其成本價格也低。

D/A數模轉換芯片。本研究的內容中，在D/A數模轉換芯片中選擇了美信公司生產的MAX5216，此款芯片的特點是精度高、速度快，數據輸入是16位串行，擁有50MHz的刷新頻率，功耗較低，供電范圍在7V至5.25V。

電源電路。本研究的內容中，在應有的電源主要是為D/A轉換芯片與FPGA控制器供電，應用+5V直流電源的MAX5216芯片，FPGA控制器EP4CE10E22在正常工作中所需要的直流電壓數值主要為3.3V、5V、1.2V，選用3.3V直流為晶振供電電壓。

低通濾波電路。本文章課題研究設計選用有源低通濾波器。同時依靠Multisim軟件對其進行了參數化仿真驗證。

功率放大電路。本文章課題研究設計中選用的功率放大電路設備是TL074，同時選用的變壓器變比值為1：20，運算放大器型號是PA51。系統輸出的電壓使用的保持穩定采用的方法是硬件的閉環方式，不止應用了硬件閉環、也使用了軟件閉環，進一步的保障了電壓輸出打的穩定性。

3 結語

本文主要對電壓監測儀的工作流程與總體結構進行論述，對于其總體設計方案的內容從硬件與軟件兩方面進行闡述，FPGA控制器、數模轉化電路、電源電路、濾波電路和功率放大電路，以及鍵盤和顯示接口電路等組成了硬件設備，鍵盤控制模塊、數據處理模塊、DDS模塊等組成了軟件設備。