MAX 274在電力參數測量中的應用

在電力參數測量裝置中，電力參數來(lái)源于具有強大干擾源的電網(wǎng)，同時(shí)由于互感器、放大電路本身的影響，造成在信號進(jìn)入A／D轉換器之前，所采集信號中混有各種頻率的信號，但很多是不需要的信號。在實(shí)際應用中要獲得準確的FFT運算結果，必須滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理的要求，防止頻譜混疊的發(fā)生。因此前置模擬低通濾波器在電力參數的測量裝置中有著(zhù)不可替代的作用，其性能將直接影響到整個(gè)系統的性能。

基于DSP的電力參數測量裝置已經(jīng)成為現在研究的熱點(diǎn)，但多數裝置的前置模擬低通濾波器仍然由運算放大器和R，C實(shí)現。此種濾波器雖然比較容易實(shí)現，但參數調整困難，而且當工作頻率較高時(shí)，元件周?chē)碾s散電容將會(huì )嚴重影響濾波器的特性，使其偏離預定工作狀態(tài)，最終效果不是很好。Maxim公司推出的8階連續時(shí)間濾波器芯片MAX 274是目前較為理想的一種濾波芯片，本文重點(diǎn)介紹MAX 274在電力參數測量裝置中實(shí)現低通濾波器的過(guò)程。

1 模擬信號調理電路的工作過(guò)程

該測量裝置以DSP芯片TMS320LF2407A為核心，主要由模擬信號調理電路、A／D轉換電路、頻率測量電路、鍵盤(pán)顯示電路和通訊接口電路組成，完成對三相電壓、電流和頻率的精確測量，通過(guò)DSP實(shí)現FFT算法，計算出三相有功功率、無(wú)功功率、功率因數和電能，還可以進(jìn)行16次諧波分析。裝置結構圖如圖1所示，圖1中A／D轉換器采用帶有同步采樣保持器的高速多通道14位數據采集芯片MAX 125，它帶8通道的多路開(kāi)關(guān)和8路輸入通道，其采樣電壓的范圍是-5～+5 V，轉換時(shí)間為3μs。

電力系統中的電壓電流信號一般不能直接送到A／D轉換器的輸人端，3路電壓和3路電流模擬信號先經(jīng)PT，CT將電壓電流降低，再經(jīng)過(guò)電壓／電流變換器變?yōu)轭~定值為5 V的電壓信號，經(jīng)過(guò)信號轉換和低通濾波后，送人A／D轉換器MAX 125。

電流信號轉換電路和電壓信號轉換電路類(lèi)似，電壓信號轉換電路如圖2所示。電壓互感器的原邊100 V，副邊輸出2 mA電流經(jīng)OP07轉換成-3.5～+3.5 V的電壓量。D1和D2對運放OP07進(jìn)行輸入限幅保護，C2，R2，R3和R4為互感器相移補償電路，C1，C4和C5用來(lái)去耦和濾波。運放TL084構成電壓跟隨器，起到阻抗匹配的作用，同時(shí)還有緩沖、隔離和提高帶載能力的作用。低通濾波器的設計用MAX 274實(shí)現，TL084的輸出接MAX 274的INA引腳。下面重點(diǎn)介紹由MAX 274設計低通濾波器的過(guò)程。

2 低通濾波器的設計過(guò)程

2.1 確定濾波器性能指標

為了得到精確的電壓和電流有效值，同時(shí)考慮到DSP的運算量，該電力參數測量裝置的每周期采樣點(diǎn)定為32個(gè)，這樣既實(shí)現了對三相電壓、電流等常規電力參數的精確測量，還可進(jìn)行16次諧波分析。所以濾波器的截止頻率Fc為800 Hz，取采樣頻率Fs為1.6 kHz。巴特沃斯濾波器作為迄今為止用得最多的濾波器，其幅頻響應在通帶內非常平坦，過(guò)渡帶的衰減速度比巴塞爾濾波器要快，在阻帶范圍內響應沒(méi)有波紋，所以非常適合作為數據采集系統中的抗混疊濾波器。對于巴特沃斯濾波器通帶內最大衰減Amax為3 dB，阻帶內最小衰減Amin由階數確定。

用MAX 274軟件設計濾波器主要包括2大步驟：

(1)由濾波器指標確定極點(diǎn)、Q值和零點(diǎn)；

(2)完成濾波器在MAX 274硬件上的實(shí)現。

2.2 由濾波器指標確定極點(diǎn)、Q值和零點(diǎn)

這一步主要是根據濾波器所需達到的性能指標，如通帶內的最大衰減、阻帶內的最小衰減、截止頻率、采樣頻率、Q值等，迅速算出經(jīng)典的巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾或橢圓濾波器的極點(diǎn)、階數和Q值等。

(1)濾波器類(lèi)型選為L(cháng)owpass后，將Amax，Fc和Fs值分別輸入，確定濾波器的階數為4階，同時(shí)Amin值變?yōu)?4.079 dB；

(2)按[V]鍵打開(kāi)窗口；用[T]鍵選擇要查看的選項；[Enter]顯示濾波器效果圖，查看其幅頻特性、相頻特性和傳輸延時(shí)特性(見(jiàn)圖3)?？梢钥闯?，其波形在通帶內平直，阻帶內陡降，符合對濾波特性的實(shí)際要求，并且下降速度可達-80 dB／10倍頻頻。若效果不理想，必須返回到前面，重新修改參數，直到滿(mǎn)意為止；

(3)按[P]鍵查看其Q值。必須注意Q和F0(即Fc)的值都要在允許的范圍內。還應注意濾波器設計中的陷阱，即濾波器的階數必須為偶數，這是由芯片結構決定的。