電網(wǎng)擾動信號頻譜分析儀設計

熊　潔，林　琳，胡賽純

?

電網(wǎng)擾動信號頻譜分析儀設計

熊潔，林琳，胡賽純

（湖南城市學院，湖南益陽 413000）

針對當前電網(wǎng)中大量電能質(zhì)量信號需要進行頻譜分析的問題，本文基于FFT算法，利用Atmega 128L單片機大容量flash存儲器、高速數(shù)據(jù)處理能力以及AD轉(zhuǎn)換器，LCD12864液晶顯示屏、結合串口通信模塊，設計了一款電網(wǎng)擾動信號頻譜分析儀，進行了實際測試，結果表明該分析儀功耗低，性價比高，實用性較強，可用于電網(wǎng)質(zhì)量實時監(jiān)測時進行頻譜分析。

頻譜分析儀；Atmega 128L單片機；快速傅里葉變換

由于電網(wǎng)中大量電力電子器件等非線性負荷的使用，給基于微處理器、微計算機的自動控制設備的正常運行帶來了極大危害[1[[2]。為了有效改善電網(wǎng)質(zhì)量，就必須及時了解電網(wǎng)電能質(zhì)量信息。對電網(wǎng)進行實時監(jiān)測并進行頻譜分析，是了解電網(wǎng)質(zhì)量信息的一條重要途徑[3]。而頻譜分析儀就是一種測試電網(wǎng)擾動信號的重要設備。本文設計了一款頻譜分析儀，該種頻譜分析儀利用Atmega 128L最小系統(tǒng)、MAX232芯片及裝有AVR Studio 4軟件的PC機進行頻譜分析儀系統(tǒng)設計。利用Atmega 128L單片機大容量flash存儲器和高速數(shù)據(jù)處理能力，直接用FFT算法進行譜分析和信號的實時處理。功耗比較低，性價比比較高，可用于電網(wǎng)質(zhì)量的實時監(jiān)測以及對低于64Hz的信號進行頻譜分析，具有很強的實用意義[4][5]。

1 信號頻譜分析儀的設計原理

這種頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC)對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。采用快速傅里葉變換使計算機計算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)大為減少，特別是被變換的抽樣點數(shù)N越多，F(xiàn)FT算法計算量的節(jié)省就越顯著。被測信號被分解成分立的頻率分量，達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結果[6]。

而快速傅里葉變換（FFT），是離散傅里葉變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。

在FFT運算中，旋轉(zhuǎn)因子

即

求正弦和余弦數(shù)值計算量是很大的。在FFT程序開始前預先計算出，，存放在數(shù)組中，作為旋轉(zhuǎn)因子表，在程序執(zhí)行過程中，直接查表得到所需旋轉(zhuǎn)因子值，不再計算。實際中，序列一般為實序列，即，所以該系統(tǒng)只對實序列進行DFT變換[7-8]。

2 系統(tǒng)整體設計

一個電網(wǎng)擾動信號源，經(jīng)A/D采樣之后，就變成了數(shù)字信號。采樣定理告訴我們，采樣頻率要大于信號頻率的兩倍。利用單片機的ADC隔一定時間采一次樣，并將其存入相應數(shù)組中。然后做一個正弦表和余弦表，通過查表求出旋轉(zhuǎn)因子，再進行FFT變換，得到FFT的實部與虛部，也分別存入相應數(shù)組，之后，用平方根計算出對應的模值。假設采樣頻率為Fs，采樣點數(shù)為N，做FFT之后，某一點n（n從1開始）表示的頻率為：；該點的模值除以N/2就是對應該頻率下的信號的幅度，對于直流信號是除以N。最后通過LCD12864顯示和MAX232串口發(fā)送給PC機進行分析。該設計的總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)整體電路由主控制電路、信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、SRAM存儲器、串口通信電路、LCD12864顯示電路和電源電路等幾大塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 部分硬件電路設計

3.1 主控制電路的設計

主控制電路由芯片Atmega 128L、復位電路、時鐘晶振電路等組成。主控制電路如圖2所示。

圖2 主控制電路

3.2 串口通信電路的設計

串口通信電路，用于單片機與計算機通信，如圖3所示。

3.3 LCD12864顯示電路的設計

LCD12864液晶屏，由128*64點組成。設計時，采用128點作為橫坐標，64點作為縱坐標，且1點代表1Hz。當進行DFT分析后，將分析結果幅度通過劃線顯示于液晶屏。如圖4所示。

圖3 MAX232串口通信電路

圖4 LCD12864顯示電路

3.4 電源電路的設計

電源模塊采用線性電源，采用常用美國國家半導體公司生產(chǎn)的集成三端穩(wěn)壓器。LM7805是正5V電源輸出的線性直流穩(wěn)壓電源。在設計時使用了大電容濾波，紋波系數(shù)小，性能優(yōu)良可靠，完全滿足系統(tǒng)的要求。電源模塊電路如圖5所示。

圖5 5V直流穩(wěn)壓電源

4 軟件設計

圖6 DIT–FFT運算程序框圖

5 結果測試與分析

5.1 輸入直流信號測試

輸入5.0V直流信號，液晶屏上顯示，如圖7所示?？梢钥吹搅泐l率點幅值最大，其他頻率點振幅幾乎為零。說明DFT變換是正確的。

圖7 直流信號頻譜圖

為了能夠定量分析幅度譜，通過單片機的串口將128點采樣數(shù)據(jù)和頻譜的幅度發(fā)送給計算機，再通過串口調(diào)試助手顯示出來，如圖8所示，該圖中，“START”表示采樣開始，“END”表示采樣結束。128個坐標表示完成頻譜分析計算的結果。

圖8 輸入直流信號128點頻譜分析數(shù)據(jù)

對于AD采樣，可以看到128個十六進制0XFF（相當于十進制255），將其換算成實際值，，與輸入5V直流接近，則采樣結果正確。對于坐標數(shù)據(jù)，可以看到只有零頻率點幅值最大，其余頻率點的幅值相對于零頻可以忽略，說明輸入信號只有直流成分。零頻點幅值為0X01F0（相當于十進制496），則實際值為，由于編程時考慮單片機不適合做浮點運算，所以全部計算均采用定點，并且單片機使用的AD轉(zhuǎn)換器精度不足8位，這些都會造成精度損失。因此，實際計算值3.875V與輸入信號5V相比較，可以認為結果是正確的，即驗證了DFT算法的正確性。

5.2 輸入方波信號測試

由信號源輸入峰峰值9.0V、頻率10Hz方波信號，通過液晶屏顯示其幅度譜，如圖9所示。

圖9 方波信號頻譜圖

可以看到幅度譜約以64Hz對稱分布，因此，只要分析正頻率部分（0～64之間）即可。0Hz值時有幅度，則該信號有直流分量；如果將0～64幅度值用光滑的曲線連接起來，可以看到其包絡接近于，與周期方波幅度譜接近，說明FFT變換是正確的。

通過單片機的串口將128點采樣數(shù)據(jù)以及和頻譜幅度發(fā)送給計算機，同樣可以通過串口調(diào)試助手顯示出來。

對于AD采樣結果，由于只能對0～5V進行轉(zhuǎn)換，所以輸入方波的負電壓則轉(zhuǎn)換為0，這就是上述結論出現(xiàn)直流分量的原因。根據(jù)采樣值可知，該信號為方波，且峰峰值為4.6V，與實際值4.5V接近，則采樣結果正確。

綜合以上分析可知，由于采用定點計算、AD轉(zhuǎn)換精度不足7位，造成精度損失，引起的誤差是可以接受的，證明了該假設矩形脈沖函數(shù)的擬合是成立的；通過交直流信號的幅度譜分析，根據(jù)絕對誤差的值，在精度要求不是很高的情況下，用該系統(tǒng)分析信號的幅度譜是可行的。

表1 數(shù)據(jù)分析

6 結束語

針對現(xiàn)有電網(wǎng)電能質(zhì)量問題，以Atmega 128L芯片為控制核心，采用FFT算法。設計了一款電網(wǎng)擾動信號頻譜分析儀，進行了實際檢測，達到了較好的效果。該頻譜分析儀信號處理及時。功耗較低，性價比較高，能較好的運用于電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測時擾動信號的頻譜分析。由于在實際設計與制作中較為粗糙，所測結果與實際值存在一些誤差，這將是下一步要重點解決的問題。

[1]李加升,戴瑜興,黃文清.電能質(zhì)量擾動及其在線監(jiān)測裝置的設計[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2008,36(18):69-72

[2]高西全,丁玉美.數(shù)字信號處理(第三版)[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008,8.

[3]劉泉,江雪梅.信號與系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2006,2.

[4]郭剛,李釗,李建軍,等.基于Atmega 64L的128點實時FFT[J].無線電工程,2011,3:53-55.

[5]武曉春.實序列的FFT算法及應用[J].自動化與儀器儀表,2010,5:81-82.

[6]陳東云. Atmega128單片機原理與開發(fā)指導[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[7]李加升,黃文清,戴瑜興.基于自定義閾值函數(shù)的小波去噪算法[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2008,36(19):21-24

[8]張志涌,楊祖櫻,等.MATLAB R2010a教程[M].北京:北京航天航空大學出版社,2010,8.

Design of the disturbance signal spectrum analyzer

(Hunan City University, Yiyang Hunan 413000)

In view of the current power grid requires a lot of power quality signal spectrum analysis of the problems, this article is based on FFT algorithm, using the large capacity flash memory Atmega 128 l MCU, high-speed data processing ability and AD converter, LCD12864 LCD display, serial communication module, designed a grid disturbance signal spectrum analyzer, the results show that the analyzer, low power consumption, can be used in the power grid quality real time monitoring for frequency spectrum analysis.

spectrum analyzer; Atmega 128L single-chip microcomputer; FFT

（責任編輯：廖建勇）

TM935.21

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.06.018

1672–7304(2016)06–0040–04

熊潔（1979-），男，湖南益陽人，講師，研究方向：電路與系統(tǒng)。