便攜式在線局放信號(hào)源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

陳慧鵬，李文欣，王堃喆，金杜挺

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的普及，局放檢測(cè)儀得到迅速地發(fā)展，其中一些關(guān)鍵性問(wèn)題，如:局放測(cè)試系統(tǒng)、實(shí)時(shí)高速采集技術(shù)以及干擾的抑制和局放信號(hào)的提取技術(shù)等問(wèn)題，已經(jīng)得到了很好的解決。KEMA 實(shí)驗(yàn)室的Rutgers等人在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)變壓器特高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了初步研究。英國(guó)Strathclyde 大學(xué)的Judd 等人在GIS 的局部放電檢測(cè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，也對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)［1-2］。近年來(lái)國(guó)內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)各種局部放電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，但總的來(lái)講，國(guó)內(nèi)外利用各種先進(jìn)方法檢測(cè)電力設(shè)備局部放電的工作大部分集中在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展的較少，缺乏大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、調(diào)試。因此研究人員必須研制能反映所檢測(cè)局放的在線信號(hào)源系統(tǒng)，以便真實(shí)地展現(xiàn)電力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中局部放電狀況。

本研究提出了一套基于AVR Atmega128 單片機(jī)控制ADF4350 的硬件電路結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計(jì)方法。

1 設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)原理圖如圖1 所示。該設(shè)計(jì)利用鎖相原理，寬帶頻率合成器根據(jù)指令合成并發(fā)出頻率范圍為137．5 MHz～4 000 MHz 的信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波器組形成單純的單載波信號(hào)。MCU 通過(guò)程控開(kāi)關(guān)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)t 提取的同步信號(hào)在線精確截取操作鍵盤(pán)所設(shè)定的信號(hào)頻段與相位。所需信號(hào)經(jīng)可編程放大器(TQM8M9076)處理后，由片上天線發(fā)射。使用者可通過(guò)用戶端12864 顯示屏旁的按鍵，查看產(chǎn)品運(yùn)行模式資料并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，分析、選擇特定的工作模式。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖

1．1 全數(shù)字鎖相環(huán)

該設(shè)計(jì)采用了一種基于FPGA 的可變模全數(shù)字鎖相環(huán)。

在工作過(guò)程中:一方面，前饋鑒頻器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒頻，快速檢測(cè)到輸入頻率的變化，并通過(guò)前饋通路改變輸出信號(hào)，調(diào)整可變模分頻器的分頻系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)快速調(diào)頻，提高了鎖相速度。另一方面，鑒相器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒相，并通過(guò)具有比例積分調(diào)節(jié)作用的環(huán)路濾波器，調(diào)整可變模分頻器的分頻系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)精確調(diào)相，消除了輸出信號(hào)的相位誤差，并能有效抑制量化誤差等干擾［3］。

1．2 同步信號(hào)提取

利用同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)位同步的方法有直接法(自同步法)和插入導(dǎo)頻法(外同步法)2 種，該入導(dǎo)頻法是在發(fā)送有用信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)頻率位置上插入一個(gè)或多個(gè)稱為導(dǎo)頻的正弦波;直接法則不需要專門的導(dǎo)頻，而是設(shè)法在接收信號(hào)中直接提取同步信號(hào)。直接法又分為濾波法和鎖相法2 種該設(shè)計(jì)將再次使用數(shù)字鎖相法。

位同步鎖相法的實(shí)現(xiàn)原理是在提取端利用鑒相器比較提取碼元和本地時(shí)鐘產(chǎn)生的位同步信號(hào)的相位，若兩者不一致(超前或滯后)，鑒相器就產(chǎn)生誤差信號(hào)，并通過(guò)控制器調(diào)整位同步信號(hào)的相位，直至獲得準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)同步信號(hào)為止［4-10］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要由頻率合成器、Atmega128 芯片、濾波器組、同步信號(hào)輸入端、轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)控可變?cè)鲆娣糯笃?、片上天線、操作板、電源等組成。

2．1．1 頻率合成器

該設(shè)計(jì)采用的頻率合成器，結(jié)合外部環(huán)路濾波器和外部基準(zhǔn)頻率使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)小數(shù)N 分頻或整數(shù)N 分頻。鎖相環(huán)ADF4350 具有一個(gè)集成電壓控制振蕩器，其基波輸出頻率范圍為2 200 MHz～4 400 MHz。此外，利用1/2/4/8/16 分頻電路，用戶可以產(chǎn)生低至137．5 MHz 的RF 輸出頻率。對(duì)于要求隔離的應(yīng)用，RF 輸出級(jí)可以實(shí)現(xiàn)靜音。諸多功能既可以通過(guò)引腳控制也可以通過(guò)軟件控制。同時(shí)提供輔助RF 輸出，且不用時(shí)可以關(guān)斷，ADF4350 原理如圖2所示。

本研究利用INT、FRAC 和MOD 的值以及R 計(jì)數(shù)器，可以產(chǎn)生間隔為PFD 頻率的分?jǐn)?shù)的輸出頻率。RF VCO 頻率公式為:

式中:RFOUT—外部電壓控制振蕩器的輸出頻率，INT—二進(jìn)制16 位計(jì)數(shù)器的預(yù)設(shè)分頻比，MOD—預(yù)設(shè)小數(shù)模數(shù)，F(xiàn)RAC—小數(shù)分頻的分子。

式中:REFIN—基準(zhǔn)輸入頻率，D—REFIN倍頻位器，T—REFIN2 分頻位，R—二進(jìn)制10 位可編程參考分頻器的預(yù)設(shè)分頻比。

2．1．2 濾波器組

信號(hào)的處理在設(shè)計(jì)伊始主要圍繞隔離度的提升展開(kāi)。對(duì)于RF 功放而言，其諧波成分必須限制在一定電平以下才能避免工作時(shí)對(duì)其他設(shè)備的干擾。而單純的放大器本身，二次諧波成分的抑制往往只有20 dBc左右，為了達(dá)到一定的諧波抑制指標(biāo)，必須額外增加濾波器濾除諧波。當(dāng)RF 功放的工作頻帶超過(guò)1 個(gè)倍頻程的時(shí)候，低端頻率的二次諧波就將落在工作帶寬以內(nèi)，此時(shí)不得不采用“分段濾波”的方式來(lái)保證寬帶范圍內(nèi)的諧波抑制。因此該設(shè)計(jì)采用了四波段開(kāi)關(guān)濾波器組。

圖2 ADF4350 原理圖

目前來(lái)看，多路開(kāi)關(guān)濾波器組件中高低波段的相互串?dāng)_是難以避免的。雖然不能消除它，但可以通過(guò)將兩組四波段濾波器串聯(lián)的辦法使之盡可能地減小。

2．1．3 天線與放大器

信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，最后將通過(guò)天線發(fā)射出去。該系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用“片上天線”技術(shù)，系統(tǒng)在制作后期，通過(guò)更新、采用TQM8M9076 數(shù)控可變?cè)鲆娣糯笃?，使其寬帶頻率范圍達(dá)到50 MHz～4 000 MHz，可提供范圍0．5 dB～31．5 dB 數(shù)字可變?cè)鲆?，具有高線性度和低噪聲的特點(diǎn)。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件的流程如圖3 所示。關(guān)鍵代碼主要包括:片內(nèi)寄存器的讀寫(xiě)、USB 串口的通訊和ADF4350的寄存器寫(xiě)控制等。最終在硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn):同步信號(hào)引入、特定頻率合成、特定相位截取和與操作板之間的串口通信。

2．2．1 同步信號(hào)的引入

在實(shí)際的在線監(jiān)測(cè)中，必須考慮現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)源的振蕩性和其受到的干擾，本研究將在上文提到的信號(hào)濾波之后，引入同步信號(hào)技術(shù)，即配合使用一個(gè)工頻電流傳感器(電磁式電流互感器由于鐵芯的非線性特點(diǎn)，主要適用與額定頻率的電流測(cè)量，額定頻率通常為50/60 Hz)。工頻電流傳感器，感應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境，輸出信號(hào)為50 Hz 正弦波。經(jīng)模塊轉(zhuǎn)換后形成相同頻率的方波，利用同步信號(hào)提取技術(shù)，輸入至系統(tǒng)內(nèi)部修正信號(hào)源所發(fā)出的信號(hào)。

圖3 程序框圖

2．2．2 特定頻率合成

特定頻率合成程序功能主要是讀取內(nèi)部緩存區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入ADF4350 的寄存器或接收上位機(jī)的串口數(shù)據(jù)寫(xiě)入片內(nèi)緩存區(qū)后寫(xiě)入ADF4350 的寄存器。軟件部分主程序正是將圍繞著頻率合成器展開(kāi)，程序如下:

2．2．3 特定相位截取

程控開(kāi)關(guān)如圖4 所示。MCU 通過(guò)SPI 總線系統(tǒng)，設(shè)置受控信號(hào)源的頻率，經(jīng)過(guò)濾波后，將流向程控開(kāi)關(guān)。由于通常情況下并不需要整個(gè)周期的信號(hào)都通過(guò)天線發(fā)射出來(lái)，非常有必要通過(guò)程控開(kāi)關(guān)截取每個(gè)周期特定的一段相位。

圖4 程控開(kāi)關(guān)

程控開(kāi)關(guān)的功能主要運(yùn)用軟件方式實(shí)現(xiàn)，即針對(duì)Atmega128 芯片的en 引腳。通過(guò)捕捉同步信號(hào)的上升沿(An)，校準(zhǔn)、鎖定每一個(gè)濾波后信號(hào)周期的起始點(diǎn)An，再通過(guò)兩個(gè)定時(shí)器中斷:An～Bn、Bn～Cn，適時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉en 引腳。

2．2．4 串口通信

該設(shè)計(jì)采用的SPI 是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，特別是在ADF4350 芯片的管腳上只占用4根線，節(jié)約了芯片的管腳，從軟件角度為硬件PCB 的布局節(jié)省空間、提供方便。操作板部分主要由Atmega16 芯片、12864 液晶顯示屏、按鍵和JTAG 輸入端組成。前期，可由專業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要和所匹配的局放檢測(cè)儀，確定好所需的信號(hào)參數(shù)(如信號(hào)頻率、截取相位等)對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)單地修改附帶的c 文件，通過(guò)JTAG輸入端更新、導(dǎo)入atmega16 芯片?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)便可通過(guò)按鍵便捷地選擇工作模式，經(jīng)串口通信至主板，最終輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

3 工作特性與結(jié)果分析

3．1 技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)

分輸出頻率范圍:137．5 MHz～4 400 MHz;

程控開(kāi)關(guān)截取時(shí)間間隔:10 us;

小數(shù)N 分頻頻率合成器和整數(shù)N 分頻頻率合成器;

具有低相位噪聲的VCO;

可編程1/2/4/8/16 分頻輸出;

均方根(RMS)抖動(dòng):小于0．4 ps rms(典型值);

電源電壓:3．0 V～3．6 V;

邏輯兼容性:1．8 V;

可編程雙模預(yù)分頻器:4/5 或8/9;

可編程的輸出功率;

RF 輸出靜音功能;

三線式串行接口;

模擬和數(shù)字鎖定檢測(cè);

在寬帶寬內(nèi)快速鎖定模式周跳減少;

工作溫度:－10 ℃～+70 ℃;

存儲(chǔ)溫度:－20 ℃～+75 ℃;

環(huán)境相對(duì)濕度(在25 ℃時(shí))最大日平均值:95%。

3．2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

初步調(diào)試時(shí)，本研究設(shè)置頻率合成器頻率為702 MHz，分別發(fā)出－70 dBc 和－75 dBc 的信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖如圖5 所示。測(cè)試結(jié)果將顯示分別為－71． 70 dBc 和－76．56 dBc。

盡管該系統(tǒng)的檢測(cè)頻率較高，受外界干擾小，但還是存在少量的高頻干擾信號(hào)。在檢測(cè)系統(tǒng)的背景噪聲中，除系統(tǒng)的熱噪聲外還存在兩類比較穩(wěn)定且幅值較大的干擾信號(hào)，分別為無(wú)線電干擾和手機(jī)信號(hào)。對(duì)于窄帶干擾可使用軟件方法予以消除。另外，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足，后期組裝選用包裝箱體時(shí)，沒(méi)有考慮選擇正規(guī)的材料，對(duì)發(fā)射出來(lái)的信號(hào)造成了一定的影響。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

4 結(jié)束語(yǔ)

鎖相環(huán)是用分立元件實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)致鎖相環(huán)電路的體積過(guò)大，而且分立元件容易引發(fā)各種不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題。該系統(tǒng)與分立器件實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)相比，采用ADF4350 實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，調(diào)試工作量小，抗干擾性能好。整個(gè)系統(tǒng)和常用的信號(hào)發(fā)生器相比，在體積上更加便攜，與局放測(cè)試儀配合使用，將有力地保障智能電網(wǎng)電力設(shè)備的安全運(yùn)行，推進(jìn)在線監(jiān)測(cè)理念的落實(shí)。在投入批量生產(chǎn)后，完全可以進(jìn)一步集成，使整個(gè)系統(tǒng)主體部分體積如同一個(gè)萬(wàn)用電表;而在功能上則更加集成化，在射頻信號(hào)質(zhì)量、隔離度與E4421B 相當(dāng)?shù)那闆r下，增加了程控開(kāi)關(guān)、同步信號(hào)等技術(shù)。

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