李鵬飛 劉銳 廖錦鵬 馬小偉 栗冠媛

摘? 要：以電能質(zhì)量分析儀設(shè)計項目為載體，針對電能質(zhì)量分析儀在實際使用過程中測量不同幅值電壓時需手動操作選擇合適量程的問題，設(shè)計一款自適應(yīng)范圍電壓檢測電路。該電路可以根據(jù)輸入電壓信號的大小選擇合適量程，并對輸入信號進行相應(yīng)倍數(shù)的自適應(yīng)放大或縮小，確保放大或縮小的電壓信號能夠滿足AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍及精度要求的電壓范圍。

關(guān)鍵詞：信號檢測；自適應(yīng)縮放；電壓轉(zhuǎn)換；數(shù)模轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TP39；TP272 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）08-0064-05

Abstract： Taking the power quality analyzer design project as the carrier， an adaptive range voltage detection circuit is designed to address the issue of manually selecting the appropriate range for measuring different amplitude voltages during actual use of the power quality analyzer. The circuit can select an appropriate range based on the size of the input voltage signal， and adaptively amplify or reduce the input signal by corresponding multiples to ensure that the amplified or reduced voltage signal can meet the conversion range and accuracy requirements of the AD converter voltage range.

Keywords： signal detection; adaptive scaling; voltage conversion; digital to analog conversion

0? 引? 言

隨著工業(yè)生產(chǎn)及現(xiàn)代化生活出現(xiàn)大量的電力電子設(shè)備和高精尖儀器，人們對所使用電能的質(zhì)量要求也逐步提升，劣質(zhì)電能的使用不僅給設(shè)備造成不可逆轉(zhuǎn)的損害還會給用戶帶來經(jīng)濟上的損失。因此開發(fā)一款高性能的電能質(zhì)量分析儀對行電能質(zhì)量進行檢測與分析具有十分重要的現(xiàn)實意義[1]。電能質(zhì)量分析儀設(shè)計主要分為前端信號采集模塊和后端數(shù)據(jù)信號處理模塊。前端信號采集是將電網(wǎng)中的大電壓信號轉(zhuǎn)換為小電壓信號。后端信號處理是將前端采集的信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行數(shù)據(jù)分析。本文是對前端采集模塊進行設(shè)計和仿真。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示，該設(shè)計使用電壓互感器對電壓信號進行采集，該方法應(yīng)用簡單，器件價格低，隔離性能好，互感器將采集到的大電壓信號經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為小電壓信號，小信號輸入自適應(yīng)控制模塊和信號調(diào)理模塊，自適應(yīng)控制模塊的功能是將轉(zhuǎn)換后的小電壓信號經(jīng)過放大、交直流轉(zhuǎn)換、比較光隔離后控制繼電器的狀態(tài)從而控制信號調(diào)理模塊，使得信號調(diào)理模塊對信號進行自適應(yīng)選擇縮放倍數(shù)，調(diào)理后的數(shù)據(jù)信號需經(jīng)過抗混疊濾波器電路后輸出給AD轉(zhuǎn)化器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2? 系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1? 互感器電路

互感器采集電路的工作原理是在互感器的原邊電路中串聯(lián)電阻將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，電流信號經(jīng)過互感器進行電流變換后在次級線圈中感應(yīng)出電流并經(jīng)過運算放大器后將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號[2]。

互感器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

該設(shè)計檢測電壓區(qū)間是0—1 000 V，根據(jù)電路損耗公式：P=I2R可知，當(dāng)電路中電阻R固定時，電路的損耗P與流經(jīng)電阻R的電流的平方成反比，為降低原邊串聯(lián)電阻R的消耗功率可減少原邊被測信號的損耗，因此選擇原副邊電流比是2：2 mA；根據(jù)公式計算得：

R=500 K

P=UI=2 W

為降低電阻在工作時發(fā)熱，采用5個100 kΩ的電阻串聯(lián)，副邊反接兩個二極管起到保護電路中作用?；ジ衅麟娐啡鐖D2所示，電路中運放選用ADI公司的AD8512，這是一款雙精度的JFET放大器，具有低偏置電壓、低輸入偏置電流、低輸入電壓噪聲和低輸入電流噪聲的特點，該運放的輸入阻抗大輸出阻抗低起到隔離的作用[3]。原始信號經(jīng)過前端電路的處理后輸出兩路：OUT1和OUT11。OUT1是信號調(diào)理模塊的輸入信號，OUT11是自適應(yīng)控制模塊的輸入信號。OUT1和OUT11計算式為：

2.2? 電壓放大電路陣列

電壓放大電路陣列如圖3所示，前端電路處理后的數(shù)據(jù)OUT1輸入后級電壓放大電路陣列中，進行三級放大，放大倍數(shù)分別是：15、7.5、5。

設(shè)計中運放選擇AD公司的AD8608的四通道軌到軌運算放大器，該放大器失調(diào)電壓低，輸入偏置電流小，電流噪聲小，工作帶寬可高達10 MHz，通道隔離效果好，抗干擾性強。

2.3? 交直流轉(zhuǎn)換電路

交直流轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，交直流轉(zhuǎn)換電路的功能是將放大電路陣列處理后的交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號并檢測信號峰值。運放采用TI公司的LM358芯片，其內(nèi)部有兩個獨立的運算放大器，具有增益高、內(nèi)部設(shè)有頻率補償、適用于電壓范圍很寬的單電源，也適用于雙電源工作方式[4]。以體積小、價格便宜和性能穩(wěn)定等特點，使該雙運算放大器在多種場合廣泛應(yīng)用。

比較控制陣列如圖5所示，交直流轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓峰值信號與具有固定電壓值的電壓比較器進行比較，通過控制光耦的狀態(tài)控制后級電路中繼電器的開關(guān)。在電路中D9、D10、D11反接起到過壓保護的作用。

繼電器的開關(guān)與閉合結(jié)果如表2所示。其中，繼電器閉合：0；繼電器開啟：1；繼電器常態(tài)：1。

2.5? 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路如圖6所示，繼電器的開關(guān)和閉合控制K1K2、K2K3、K3K4對應(yīng)電阻的短路或開路，從而使電壓信號進行不同比例的放大或縮小，使待測電壓信號轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍的信號，如表3所示。

繼電器在常態(tài)下是常開狀態(tài)，通過表3可得知常態(tài)下的電路放大倍數(shù)是2。當(dāng)輸入電壓信號為1 000 V時，OUT11信號的電壓輸出值為2 V，輸出信號OUT12的電壓值為4 V。若選擇常態(tài)為閉合的繼電器，常態(tài)下電路的放大倍數(shù)是8，當(dāng)輸入電壓1 000 V時，OUT11信號電壓輸出值為2 V，而輸出信號OUT12的電壓值則為2×8 V=16 V，遠遠超過AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍，數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差，影響實驗結(jié)果。選擇常開狀態(tài)的繼電器避免了信號縮放超出AD的轉(zhuǎn)換電壓范圍，滿足設(shè)計要求。

2.6? 抗混疊電路

抗混疊電路如圖7所示。

抗混疊電路采用Sallen Key型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)僅需一個AD8617運放并且極點對Q值較低。AD8617是一款微功耗雙通道軌到軌運算放大器，具有低電源電流，低輸入電壓和低電流噪聲特性，特別適合便攜式儀器使用。該濾波器可濾除信號在路徑上的高頻噪聲和干擾，減少混疊信號噪聲污染信號和消除濾波器帶寬之外的過驅(qū)信號，避免噪聲信號和信號疊加的噪聲尖峰讓A/D的模擬調(diào)制飽和[5]。理想抗混疊濾波器具有如下特性：通帶內(nèi)具有單位增益，無増益變化，混疊衰減水平與所用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的理論動態(tài)范圍一致。

3? 仿真結(jié)果分析

本設(shè)計是寬范圍電壓自適應(yīng)檢測，檢測電壓范圍是0～

1 000 V，隨機檢測該范圍內(nèi)的電壓，都可將信號轉(zhuǎn)換成實際中使用的AD轉(zhuǎn)換器最適的輸入范圍，如表4所示。

以下頻率為50 Hz，幅值為100、200、300、400、600、800 V的輸入電壓檢測電路的仿真。

100 V/50 Hz仿真圖如圖8所示。其中通道B是輸入信號，通道A是輸出信號。

根據(jù)不同范圍的縮放倍數(shù)不同，0～250 V所在范圍的輸出電壓計算公式：V/500×8。計算得：（60.670/500）×8=0.971。

200 V/50 Hz仿真圖如圖9所示，其中通道B是輸入信號，通道A是輸出信號。

0～250 V所在范圍的輸出電壓計算公式：V/500×8。計算得：（56.730/500）×8=0.908。

300 V/50 Hz仿真圖如圖10所示，其中通道B是輸入信號，通道A是輸出信號。

250～500 V所在范圍的輸出電壓計算公式：V/500×4。計算得：-257.810/500×4=-2.070 V。

400 V/50 Hz仿真圖如圖11所示，其中通道B是輸入信號，通道A是輸出信號。

250～500 V所在范圍的輸出電壓計算公式：V/500×4。計算得：（218.166/500）×4=1.745 V

600 V/50 Hz仿真圖如圖12所示，其中通道B是輸入信號，通道A是輸出信號。

500～750 V所在范圍的輸出電壓計算公式：V/500×8/3。計算得：（438.171/500）×8/3=2.337 V。

800 V/50 Hz仿真圖如圖13所示，其中通道B是輸入信號，通道A是輸出信號。

750～1 000 V所在范圍的輸出電壓計算公式：V/500×2。計算得：（614.745/500）×2=2.459 V。

4? 結(jié)? 論

該電路設(shè)計符合設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)層次分明，功能明確，使用Multisim 14.0軟件仿真達到了預(yù)期效果。對0～1 000 V的大范圍輸入的電壓能及時轉(zhuǎn)換為合適AD的轉(zhuǎn)換范圍的電壓信號且相位帶寬等信息沒有丟失，為電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 王賓賓.基于雙CPU和嵌入式Linux的便攜式電能質(zhì)量分析儀的研究 [D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 王兵，程漢湘.有源電力濾波器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計與仿真 [J].電源技術(shù)應(yīng)用，2015，18（8）：26-31.

[3] 陳蘭. 電能質(zhì)量分析儀的電路設(shè)計及仿真分析 [D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2013.

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[5] XIE S精密ADC用濾波器設(shè)計的實際挑戰(zhàn)和考慮 [J].集成電路應(yīng)用，2017，34（10）：38-42.

作者簡介：李鵬飛（1997—），男，漢族，安徽亳州人，工學(xué)碩士在讀，研究方向：嵌入式開發(fā)與應(yīng)用。