基于MAX274在電力參數測量中的設計

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。

　　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。

2.3 濾波器在MAX 274硬件上的實(shí)現

　　這一步主要是算出濾波器輸出端增益和編程電阻的大小，并給出電路原理圖。具體設計步驟如下：

　　(1)進(jìn)入濾波器在MAX 274硬件上實(shí)現的操作界面，用[L]加載步驟1的結果；

　　(2)根據后續電路的要求，按[ALT+G]設置最后1級輸出對第1級輸入的總增益(可用[U]切換增益單位)。本設計最終增益為1.000；

　　(3)可用[V]來(lái)查看每一個(gè)濾波單元的增益效果圖是否滿(mǎn)意；

　　(4) 若滿(mǎn)意，按[R]鍵進(jìn)行電阻配置。配置電阻主要有3步：第1個(gè)窗口可選擇Fc引腳的連接方式、芯片型號，對于R2，R3和R4若大于4 MΩ，由于電阻精度及寄生電容的影響，Fo和Q值會(huì )出現較大偏差。解決方案是用T型電阻網(wǎng)絡(luò )取代大阻值的外接電阻，按[2]，[3]，[4]數字鍵自動(dòng)將其變換成T型電阻網(wǎng)絡(luò )；然后進(jìn)入第2個(gè)窗口，對Fo／Q值進(jìn)行補償；然后進(jìn)入第3個(gè)窗口，對電阻阻值標準化處理而得到最終結果。

　　若設計過(guò)程中出現錯誤提示，則表明參數不符合要求，應該重新設計。

　　該4階低通濾波器的設計參數如表1所示。

　　由于表1中所列的電阻值是由軟件計算出來(lái)的，不一定能夠買(mǎi)到，所以要進(jìn)行標準化設計。大多數設計采用對電阻值進(jìn)行取舍的標準化方法，這種方法在 5％的誤差范圍內雖然對濾波器的頻譜影響不至于太大，但仍然不夠精確。因此本設計采用將計算出的電阻值進(jìn)行拆分組合的方法，即由幾個(gè)實(shí)際存在的電阻值共同組成計算出來(lái)的電阻值，這樣就減小了由于對電阻值進(jìn)行取舍所帶來(lái)的誤差。如第一組二階濾波器的外接電阻R1的理論值是445.625 kΩ，但實(shí)際并沒(méi)有這樣的電阻，這里由電阻R1A1(430 kΩ)，R1A2(15 kΩ)和R1A3(620)的串聯(lián)結果得到理論上的R1值，低通濾波器電路如圖4所示，每組濾波器的R1，R2，R3和R4的具體值如圖4所示。

　　3 結 語(yǔ)

　　在電力參數測量裝置中，電網(wǎng)的干擾成分很多，本文探討了采用MAX 274設計抗混疊低通濾波器的方法，并給出實(shí)驗數據。

　　實(shí)踐證明，采用連續時(shí)間集成濾波器MAX 274設計的巴特沃斯低通濾波器，結構簡(jiǎn)單、易于設計、性能可靠、達到了設計的要求，為電力參數測量裝置中抗混疊低通濾波器的設計提供了有效的解決方法。用MAX 274設計的低通濾波器代替電力參數測量裝置中的RC低通濾波器將產(chǎn)生至少50萬(wàn)元的經(jīng)濟效益。