CN111665377B - 一种远程锁相同步标准源 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种远程锁相同步标准源，所述标准源包括BDS/GPS模块、与BDS/GPS模块相连的信号发生模块和与信号发生模块相连的功率放大单元；所述标准源通过功率放大单元输出标准源电压和标准源电流；所述功率放大单元由信号发生模块输出的周波脉冲信号控制；在多台标准源进行锁相同步时，信号发生模块以BDS/GPS模块接收定位卫星的精确时钟信号，并以该时钟信号对输出的周波脉冲信号进行时钟基准校正，从而让各标准源的信号发生模块的周波脉冲信号与定位卫星的精确时钟信号进行同步锁定，从而让各标准源输出的标准源电压和标准源电流的锁相同步；本发明利用卫星定位模块的高精度PPS信号进行锁相同步的技术方案，解决了多台标准源远距离同步输出的技术难题。

Description

一种远程锁相同步标准源
技术领域
本发明涉及标准源远程同步技术领域，尤其是一种远程锁相同步标准源。
背景技术
在电力***中经常要用到标准源，标准源是可以提供精确电压、电流输出的设备，其输出电压电流程控精确可调，一般有单相、三相、四相之分，每相包含一路可调恒压源一路可调恒流源。标准源经常用于对一些测试测量仪器进行校准。
在电力测试中经常需要对多个被测进行同步测试，以验证设备的性能，但由于目前没有远距离同步测试的设备，需要做同步测试的几个设备只能在短距离内进行，比如同一个变电站内部，通过同一台标准源拉长线来进行，这种测试方式只能将被测设备放在一起进行，而对于远距离这种方法就无能为力了。
还有另外的测试情况，比如需要更多通道的同步信号进行测试时，比如双母线情况下需要多达12路同步的输出信号，一般的标准源无法提供。
现有方案的缺点主要表现为两点：
1、无法解决远距离的同步测试需求，同一台标准源的输出线最多拉一两百米的距离，而实际上场站间的距离可能都在几公里甚至几十公里，如果需要同步测试时将会非常麻烦。就算只在本地测试，距离稍微拉长点也很麻烦效率很低。
2、无法解决多台标准源输出信号的同步问题，多台标准源无法协同输出。
发明内容
本发明提出一种远程锁相同步标准源，利用卫星定位模块的高精度PPS信号进行锁相同步的技术方案，解决了多台标准源远距离同步输出的技术难题。
本发明采用以下技术方案。
一种远程锁相同步标准源，所述标准源包括BDS/GPS模块、与BDS/GPS模块相连的信号发生模块和与信号发生模块相连的功率放大单元；所述标准源通过功率放大单元输出标准源电压和标准源电流；所述功率放大单元由信号发生模块输出的周波脉冲信号控制；在多台标准源进行锁相同步时，信号发生模块以 BDS/GPS模块接收定位卫星的精确时钟信号，并以该时钟信号对输出的周波脉冲信号进行时钟基准校正，从而让各标准源的信号发生模块的周波脉冲信号与定位卫星的精确时钟信号进行同步锁定，从而让各标准源输出的标准源电压和标准源电流的锁相同步。
所述信号发生模块包括DSP控制器、差值比较单元和信号发生器；所述信号发生器包括通过数据和控制信号线与DSP控制器相连的DDS时钟基准；所述 DDS时钟基准按DSP控制器的指令，向信号发生器提供其运行所需的基准时钟信号；所述DSP控制器接收外部控制指令并控制标准源的运行；所述功率放大器通过放大信号发生器产生的周波的波形信号来产生标准源电压和标准源电流；所述信号发生器在每个周波的周期内均产生与该周波对应的用于与卫星时钟信号比对的周波脉冲信号。
所述DDS时钟基准为向信号发生器提供高可控精度时钟基准的数字频率合成器；所述信号发生器的周波脉冲信号的频率增减变化与DDS时钟基准的频率增减变化同步。
所述信号发生器包括DAC；信号发生器将DSP控制器产生的离散化的数字波形信号按照预设的速率从DAC上输出至功率放大器，使数字信号转化成功率放大器可用的连续的模拟波形信号；所述信号发生器在模拟波形信号的每个周波的起始时刻输出一个周波脉冲信号；
在多台标准源进行锁相同步时，所述BDS/GPS模块先接收定位卫星的同步信号并根据卫星时钟基准对时，再根据卫星同步信号产生精准的秒脉冲输出至差值比较单元；所述差值比较单元提取信号发生器的周波脉冲信号并计算其与秒脉冲的时间差值，所述DSP控制器根据该时间差值对信号发生器的DDS时钟基准进行控制。
当差值比较单元计算时间差值时，通过比较秒脉冲和周波脉冲信号的上升沿，来计算出两个脉冲到来的时间差。
当时间差值表明周波脉冲信号落后于秒脉冲信号，则DSP控制器控制DDS 时钟基准提高基准频率值以加大信号发生器周波的频率来减小其周期，加快周波脉冲信号的发送频次来使周波脉冲信号能追上秒脉冲信号，从而减小周波脉冲信号与秒脉冲信号之间的时间差直至时间差减小至误差允许范围内；
当时间差值表明周波脉冲信号超前于秒脉冲信号，则DSP控制器控制DDS 时钟基准减小基准频率值以降低信号发生器周波的频率来增加其周期，减小周波信号的发送频次来使秒脉冲信号能追上周波脉冲信号，从而减小周波脉冲信号与秒脉冲信号之间的时间差直至时间差减小至误差允许范围内。
所述DSP控制器可通过反馈算法来控制DDS时钟基准的输出clk，以使信号发生器的周波脉冲信号相位快速锁定至秒脉冲信号；
所述反馈算法以公式表述为CLK＝A+K×ΔT；
其中，CLK：DDS时钟基准输出的基准CLK值；
A为假设源输出的周波脉冲信号相位已经锁定到BDS/GPS模块的秒脉冲上后的CLK值，该值为已知数值；
K为调节系数，K系数越大则相位锁定越快，为防止K系数过大时引起的灵敏度过高可能导致的超调震荡，K为通过实测后所取合适的数值；
ΔT为差值比较单元得出的源周波脉冲和秒脉冲上升沿的时间差。
所述差值比较单元包括FPGA；所述FPGA内建一个32bit的计数器，计数器以预设的频率进行计数，计数器在秒脉冲到来时清零，在周波脉冲的上升沿将计数器的值锁存到锁存器中，锁存器中锁存的计数值包含了秒脉冲和周波脉冲上升沿的时间差信息；设该数值记为C，在减法器中判断如果锁存的数值大于计数器最大值的一半则用C-232作为减法器的输出，否则C直接作为输出值，减法器的输出即差值比较单元的输出。
所述标准源内置电源模块。
所述BDS/GPS模块、差值比较单元、DSP控制器、DDS时钟基准、信号发生器共同构成一个锁相负反馈回路；当标准源完成锁相同步后，所述DSP控制器向外发送用于提示当前标准源锁相同步成功的信号。
本发明提出了利用卫星定位模块的高精度PPS信号进行锁相同步的技术方案，解决了多台标准源远距离同步输出的技术难题，解决了电力***远距离同步测试的难题，也提高了工作效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的原理示意图；
附图2是差值比较单元的原理示意图；
附图3是DDS控制器的电路原理示意图；
附图4是BDS/GPS模块的电路原理示意图；
附图5是差值比较单元FPGA的电路原理示意图；
附图6是DSP控制器的电路原理示意图；
附图7是信号发生器的电路原理示意图。
具体实施方式
如图1-7所示，一种远程锁相同步标准源，所述标准源包括BDS/GPS模块、与BDS/GPS模块相连的信号发生模块和与信号发生模块相连的功率放大单元；所述标准源通过功率放大单元输出标准源电压和标准源电流；所述功率放大单元由信号发生模块输出的周波脉冲信号控制；在多台标准源进行锁相同步时，信号发生模块以BDS/GPS模块接收定位卫星的精确时钟信号，并以该时钟信号对输出的周波脉冲信号进行时钟基准校正，从而让各标准源的信号发生模块的周波脉冲信号与定位卫星的精确时钟信号进行同步锁定，从而让各标准源输出的标准源电压和标准源电流的锁相同步。
所述信号发生模块包括DSP控制器、差值比较单元和信号发生器；所述信号发生器包括通过数据和控制信号线与DSP控制器相连的DDS时钟基准；所述 DDS时钟基准按DSP控制器的指令，向信号发生器提供其运行所需的基准时钟信号；所述DSP控制器接收外部控制指令并控制标准源的运行；所述功率放大器通过放大信号发生器产生的周波的波形信号来产生标准源电压和标准源电流；所述信号发生器在每个周波的周期内均产生与该周波对应的用于与卫星时钟信号比对的周波脉冲信号。
所述DDS时钟基准为向信号发生器提供高可控精度时钟基准的数字频率合成器；所述信号发生器的周波脉冲信号的频率增减变化与DDS时钟基准的频率增减变化同步。
所述信号发生器包括DAC；信号发生器将DSP控制器产生的离散化的数字波形信号按照预设的速率从DAC上输出至功率放大器，使数字信号转化成功率放大器可用的连续的模拟波形信号；所述信号发生器在模拟波形信号的每个周波的起始时刻输出一个周波脉冲信号；
在多台标准源进行锁相同步时，所述BDS/GPS模块先接收定位卫星的同步信号并根据卫星时钟基准对时，再根据卫星同步信号产生精准的秒脉冲输出至差值比较单元；所述差值比较单元提取信号发生器的周波脉冲信号并计算其与秒脉冲的时间差值，所述DSP控制器根据该时间差值对信号发生器的DDS时钟基准进行控制。
当差值比较单元计算时间差值时，通过比较秒脉冲和周波脉冲信号的上升沿，来计算出两个脉冲到来的时间差。
当时间差值表明周波脉冲信号落后于秒脉冲信号，则DSP控制器控制DDS 时钟基准提高基准频率值以加大信号发生器周波的频率来减小其周期，加快周波脉冲信号的发送频次来使周波脉冲信号能追上秒脉冲信号，从而减小周波脉冲信号与秒脉冲信号之间的时间差直至时间差减小至误差允许范围内；
当时间差值表明周波脉冲信号超前于秒脉冲信号，则DSP控制器控制DDS 时钟基准减小基准频率值以降低信号发生器周波的频率来增加其周期，减小周波信号的发送频次来使秒脉冲信号能追上周波脉冲信号，从而减小周波脉冲信号与秒脉冲信号之间的时间差直至时间差减小至误差允许范围内。
所述DSP控制器可通过反馈算法来控制DDS时钟基准的输出clk，以使信号发生器的周波脉冲信号相位快速锁定至秒脉冲信号；
所述反馈算法以公式表述为CLK＝A+K×ΔT；
其中，CLK：DDS时钟基准输出的基准CLK值；
A为假设源输出的周波脉冲信号相位已经锁定到BDS/GPS模块的秒脉冲上后的CLK值，该值为已知数值；
K为调节系数，K系数越大则相位锁定越快，为防止K系数过大时引起的灵敏度过高可能导致的超调震荡，K为通过实测后所取合适的数值；
ΔT为差值比较单元得出的源周波脉冲和秒脉冲上升沿的时间差。
所述差值比较单元包括FPGA；所述FPGA内建一个32bit的计数器，计数器以预设的频率进行计数，计数器在秒脉冲到来时清零，在周波脉冲的上升沿将计数器的值锁存到锁存器中，锁存器中锁存的计数值包含了秒脉冲和周波脉冲上升沿的时间差信息；设该数值记为C，在减法器中判断如果锁存的数值大于计数器最大值的一半则用C-232作为减法器的输出，否则C直接作为输出值，减法器的输出即差值比较单元的输出。
所述标准源内置电源模块。
所述BDS/GPS模块、差值比较单元、DSP控制器、DDS时钟基准、信号发生器共同构成一个锁相负反馈回路；当标准源完成锁相同步后，所述DSP控制器向外发送用于提示当前标准源锁相同步成功的信号。
实施例：
在进行远程测试时，先把各个标准源设备运至各个测试点，然后启动标准源设备，BDS/GPS模块先接收定位卫星的同步信号并根据卫星时钟基准对时，再根据卫星同步信号产生精准的秒脉冲，DSP控制器根据该秒脉冲来控制信号发生器的周波频率使之与秒脉冲匹配，当各个标准源的信号发生器的周波频率均与秒脉冲匹配后，各个标准源即均完成远程测试的锁相同步，各个标准源的功率放大器通过放大信号发生器周波的波形信号产生的标准源电压和标准源电流，其相位也实现同步。
测试人员收到全部标准源设备DSP控制器发送的锁相同步成功信号后，即可知全部标准源输出的标准源电压和标准源电流的相位同步完成，可以开始测试工作。

Claims (4)

1.一种远程锁相同步标准源，其特征在于：所述标准源包括BDS/GPS模块、与BDS/GPS模块相连的信号发生模块和与信号发生模块相连的功率放大单元；所述标准源通过功率放大单元输出标准源电压和标准源电流；所述功率放大单元由信号发生模块输出的周波脉冲信号控制；在多台标准源进行锁相同步时，信号发生模块以BDS/GPS模块接收定位卫星的精确时钟信号，并以该时钟信号对输出的周波脉冲信号进行时钟基准校正，从而让各标准源的信号发生模块的周波脉冲信号与定位卫星的精确时钟信号进行同步锁定，从而让各标准源输出的标准源电压和标准源电流的锁相同步；
所述信号发生模块包括DSP控制器、差值比较单元和信号发生器；所述信号发生器包括通过数据和控制信号线与DSP控制器相连的DDS时钟基准；所述DDS时钟基准按DSP控制器的指令，向信号发生器提供其运行所需的基准时钟信号；所述DSP控制器接收外部控制指令并控制标准源的运行；所述功率放大器通过放大信号发生器产生的周波的波形信号来产生标准源电压和标准源电流；所述信号发生器在每个周波的周期内均产生与该周波对应的用于与卫星时钟信号比对的周波脉冲信号；
所述信号发生器包括DAC；信号发生器将DSP控制器产生的离散化的数字波形信号按照预设的速率从DAC上输出至功率放大器，使数字信号转化成功率放大器可用的连续的模拟波形信号；所述信号发生器在模拟波形信号的每个周波的起始时刻输出一个周波脉冲信号；
在多台标准源进行锁相同步时，所述BDS/GPS模块先接收定位卫星的同步信号并根据卫星时钟基准对时，再根据卫星同步信号产生精准的秒脉冲输出至差值比较单元；所述差值比较单元提取信号发生器的周波脉冲信号并计算其与秒脉冲的时间差值，所述DSP控制器根据该时间差值对信号发生器的DDS时钟基准进行控制；
所述差值比较单元包括FPGA；所述FPGA内建一个32bit的计数器，计数器以预设的频率进行计数，计数器在秒脉冲到来时清零，在周波脉冲的上升沿将计数器的值锁存到锁存器中，锁存器中锁存的计数值包含了秒脉冲和周波脉冲上升沿的时间差信息；设该数值记为C，在减法器中判断如果锁存的数值大于计数器最大值的一半则用C-作为减法器的输出，否则C直接作为输出值，减法器的输出即差值比较单元的输出；
当时间差值表明周波脉冲信号落后于秒脉冲信号，则DSP控制器控制DDS时钟基准提高基准频率值以加大信号发生器周波的频率来减小其周期，加快周波脉冲信号的发送频次来使周波脉冲信号能追上秒脉冲信号，从而减小周波脉冲信号与秒脉冲信号之间的时间差直至时间差减小至误差允许范围内；
当时间差值表明周波脉冲信号超前于秒脉冲信号，则DSP控制器控制DDS时钟基准减小基准频率值以降低信号发生器周波的频率来增加其周期，减小周波信号的发送频次来使秒脉冲信号能追上周波脉冲信号，从而减小周波脉冲信号与秒脉冲信号之间的时间差直至时间差减小至误差允许范围内；
所述DSP控制器可通过反馈算法来控制DDS时钟基准的输出clk，以使信号发生器的周波脉冲信号相位快速锁定至秒脉冲信号；
所述反馈算法以公式表述为 ；
其中，CLK：DDS时钟基准输出的基准CLK值；
A为假设源输出的周波脉冲信号相位已经锁定到BDS/GPS模块的秒脉冲上后的CLK值，该值为已知数值；
K为调节系数，K系数越大则相位锁定越快，为防止K系数过大时引起的灵敏度过高可能导致的超调震荡，K为通过实测后所取合适的数值；
为差值比较单元得出的源周波脉冲和秒脉冲上升沿的时间差；
所述BDS/GPS模块、差值比较单元、DSP控制器、DDS时钟基准、信号发生器共同构成一个锁相负反馈回路；当标准源完成锁相同步后，所述DSP控制器向外发送用于提示当前标准源锁相同步成功的信号；
在进行远程测试时，先把各个标准源设备运至各个测试点，然后启动标准源设备，BDS/GPS模块先接收定位卫星的同步信号并根据卫星时钟基准对时，再根据卫星同步信号产生精准的秒脉冲，DSP控制器根据该秒脉冲来控制信号发生器的周波频率使之与秒脉冲匹配，当各个标准源的信号发生器的周波频率均与秒脉冲匹配后，各个标准源即均完成远程测试的锁相同步，各个标准源的功率放大器通过放大信号发生器周波的波形信号产生的标准源电压和标准源电流，其相位也实现同步；
测试人员收到全部标准源设备DSP控制器发送的锁相同步成功信号后，即可知全部标准源输出的标准源电压和标准源电流的相位同步完成，可以开始测试工作。
2.根据权利要求1所示的一种远程锁相同步标准源，其特征在于：所述DDS时钟基准为向信号发生器提供高可控精度时钟基准的数字频率合成器；所述信号发生器的周波脉冲信号的频率增减变化与DDS时钟基准的频率增减变化同步。
3.根据权利要求1所示的一种远程锁相同步标准源，其特征在于：当差值比较单元计算时间差值时，通过比较秒脉冲和周波脉冲信号的上升沿，来计算出两个脉冲到来的时间差。
4.根据权利要求1所示的一种远程锁相同步标准源，其特征在于：所述标准源内置电源模块。
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