《電子技術(shù)應(yīng)用》
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濾波器MAX274在電力參數(shù)測量中的應(yīng)用
摘要: 在電力參數(shù)測量裝置中,電力參數(shù)來源于具有強大干擾源的電網(wǎng),,同時由于互感器,、放大電路本身的影響,造成在信號進入A/D轉(zhuǎn)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,。在實際應(yīng)用中要獲得準確的FFT運算結(jié)果,必須滿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(shù)的測量裝置中有著不可替代的作用,其性能將直接影響到整個系統(tǒng)的性能,。
Abstract:
Key words :

電力參數(shù)測量裝置中,,電力參數(shù)來源于具有強大干擾源的電網(wǎng),同時由于互感器,、放大電路本身的影響,,造成在信號進入A/D轉(zhuǎn)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,。在實際應(yīng)用中要獲得準確的FFT運算結(jié)果,必須滿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(shù)的測量裝置中有著不可替代的作用,其性能將直接影響到整個系統(tǒng)的性能,。

基于DSP的電力參數(shù)測量裝置已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱點,,但多數(shù)裝置的前置模擬低通濾波器仍然由運算放大器和R,C實現(xiàn),。此種濾波器雖然比較容易實現(xiàn),,但參數(shù)調(diào)整困難,而且當工作頻率較高時,,元件周圍的雜散電容將會嚴重影響濾波器的特性,,使其偏離預(yù)定工作狀態(tài),最終效果不是很好,。Maxim公司推出的8階連續(xù)時間濾波器芯片MAX 274是目前較為理想的一種濾波芯片,,本文重點介紹MAX 274在電力參數(shù)測量裝置中實現(xiàn)低通濾波器的過程。

1 模擬信號調(diào)理電路的工作過程

該測量裝置以DSP芯片TMS320LF2407A為核心,,主要由模擬信號調(diào)理電路,、A/D轉(zhuǎn)換電路、頻率測量電路,、鍵盤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DSP實現(xiàn)FFT算法,,計算出三相有功功率、無功功率、功率因數(shù)和電能,,還可以進行16次諧波分析,。裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,圖1中A/D轉(zhuǎn)換器采用帶有同步采樣保持器的高速多通道14位數(shù)據(jù)采集芯片MAX 125,,它帶8通道的多路開關(guān)和8路輸入通道,,其采樣電壓的范圍是-5~+5 V,轉(zhuǎn)換時間為3μs,。

電力系統(tǒng)中的電壓電流信號一般不能直接送到A/D轉(zhuǎn)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)過電壓/電流變換器變?yōu)轭~定值為5 V的電壓信號,,經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換和低通濾波后,送人A/D轉(zhuǎn)換器MAX 125,。

電流信號轉(zhuǎn)換電路和電壓信號轉(zhuǎn)換電路類似,,電壓信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成-3.5~+3.5 V的電壓量,。D1和D2對運放OP07進行輸入限幅保護,C2,,R2,,R3和R4為互感器相移補償電路,C1,,C4和C5用來去耦和濾波,。運放TL084構(gòu)成電壓跟隨器,起到阻抗匹配的作用,,同時還有緩沖、隔離和提高帶載能力的作用,。低通濾波器的設(shè)計用MAX 274實現(xiàn),,TL084的輸出接MAX 274的INA引腳。下面重點介紹由MAX 274設(shè)計低通濾波器的過程,。

2 低通濾波器的設(shè)計過程

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,,同時考慮到DSP的運算量,該電力參數(shù)測量裝置的每周期采樣點定為32個,,這樣既實現(xiàn)了對三相電壓,、電流等常規(guī)電力參數(shù)的精確測量,還可進行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(yīng)在通帶內(nèi)非常平坦,,過渡帶的衰減速度比巴塞爾濾波器要快,,在阻帶范圍內(nèi)響應(yīng)沒有波紋,所以非常適合作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的抗混疊濾波器,。對于巴特沃斯濾波器通帶內(nèi)最大衰減Amax為3 dB,,阻帶內(nèi)最小衰減Amin由階數(shù)確定。

用MAX 274軟件設(shè)計濾波器主要包括2大步驟:

(1)由濾波器指標確定極點,、Q值和零點,;

(2)完成濾波器在MAX 274硬件上的實現(xiàn)。

2.2 由濾波器指標確定極點,、Q值和零點

這一步主要是根據(jù)濾波器所需達到的性能指標,,如通帶內(nèi)的最大衰減、阻帶內(nèi)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,、階數(shù)和Q值等,。

(1)濾波器類型選為Lowpass后,將Amax,,F(xiàn)c和Fs值分別輸入,,確定濾波器的階數(shù)為4階,同時Amin值變?yōu)?4.079 dB,;

(2)按[V]鍵打開窗口,;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特性(見圖3)??梢钥闯?,其波形在通帶內(nèi)平直,阻帶內(nèi)陡降,,符合對濾波特性的實際要求,,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(shù),,直到滿意為止;

(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(nèi),。還應(yīng)注意濾波器設(shè)計中的陷阱,即濾波器的階數(shù)必須為偶數(shù),,這是由芯片結(jié)構(gòu)決定的,。

 

2.3 濾波器在MAX 274硬件上的實現(xiàn)

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(shè)計步驟如下:

(1)進入濾波器在MAX 274硬件上實現(xiàn)的操作界面,,用[L]加載步驟1的結(jié)果;

(2)根據(jù)后續(xù)電路的要求,,按[ALT+G]設(shè)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(shè)計最終增益為1.000;

(3)可用[V]來查看每一個濾波單元的增益效果圖是否滿意,;

(4)若滿意,,按[R]鍵進行電阻配置。配置電阻主要有3步:第1個窗口可選擇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,,F(xiàn)o和Q值會出現(xiàn)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(shù)字鍵自動將其變換成T型電阻網(wǎng)絡(luò),;然后進入第2個窗口,,對Fo/Q值進行補償;然后進入第3個窗口,,對電阻阻值標準化處理而得到最終結(jié)果,。

若設(shè)計過程中出現(xiàn)錯誤提示,則表明參數(shù)不符合要求,,應(yīng)該重新設(shè)計。

該4階低通濾波器的設(shè)計參數(shù)如表1所示,。

由于表1中所列的電阻值是由軟件計算出來的,,不一定能夠買到,所以要進行標準化設(shè)計,。大多數(shù)設(shè)計采用對電阻值進行取舍的標準化方法,,這種方法在5%的誤差范圍內(nèi)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(shè)計采用將計算出的電阻值進行拆分組合的方法,,即由幾個實際存在的電阻值共同組成計算出來的電阻值,,這樣就減小了由于對電阻值進行取舍所帶來的誤差。如第一組二階濾波器的外接電阻R1的理論值是445.625 kΩ,,但實際并沒有這樣的電阻,,這里由電阻R1A1(430 kΩ),R1A2(15 kΩ)和R1A3(620)的串聯(lián)結(jié)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(jié) 語

在電力參數(shù)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(shè)計抗混疊低通濾波器的方法,,并給出實驗數(shù)據(jù)。

實踐證明,,采用連續(xù)時間集成濾波器MAX 274設(shè)計的巴特沃斯低通濾波器,,結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計,、性能可靠,、達到了設(shè)計的要求,為電力參數(shù)測量裝置中抗混疊低通濾波器的設(shè)計提供了有效的解決方法,。用MAX 274設(shè)計的低通濾波器代替電力參數(shù)測量裝置中的RC低通濾波器將產(chǎn)生至少50萬元的經(jīng)濟效益,。

 

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