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，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，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，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)ā⒎聪蚪刂沟奶匦詠?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：開機(jī)，儀器初始化；根據(jù)設(shè)置值執(zhí)行功能子程序；開啟驅(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。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)用戶要求研制的周波跌落模擬器現(xiàn)在已在中日合資上海三基電子工業(yè)有限公司批量生產(chǎn)。這臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)試儀器的研制成功為今后研制其他類型的高精度儀器打下了良好的基礎(chǔ)。

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