在電力參數(shù)測(cè)量裝置中，電力參數(shù)來(lái)源于具有強(qiáng)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(hào)進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器之前,，所采集信號(hào)中混有各種頻率的信號(hào),，但很多是不需要的信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中要獲得準(zhǔn)確的FFT運(yùn)算結(jié)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(shù)的測(cè)量裝置中有著不可替代的作用，其性能將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能,。
基于DSP的電力參數(shù)測(cè)量裝置已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn),，但多數(shù)裝置的前置模擬低通濾波器仍然由運(yùn)算放大器和R，C實(shí)現(xiàn),。此種濾波器雖然比較容易實(shí)現(xiàn),，但參數(shù)調(diào)整困難，而且當(dāng)工作頻率較高時(shí),，元件周?chē)碾s散電容將會(huì)嚴(yán)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(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(shù)測(cè)量裝置中實(shí)現(xiàn)低通濾波器的過(guò)程。
1 模擬信號(hào)調(diào)理電路的工作過(guò)程
該測(cè)量裝置以DSP芯片TMS320LF2407A為核心,，主要由模擬信號(hào)調(diào)理電路,、A／D轉(zhuǎn)換電路、頻率測(cè)量電路,、鍵盤(pán)顯示電路和通訊接口電路組成,，完成對(duì)三相電壓、電流和頻率的精確測(cè)量,，通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)FFT算法,，計(jì)算出三相有功功率、無(wú)功功率,、功率因數(shù)和電能,，還可以進(jìn)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(kāi)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(shí)間為3μs,。
電力系統(tǒng)中的電壓電流信號(hào)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(hào)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(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換和低通濾波后,，送人A／D轉(zhuǎn)換器MAX 125,。
電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路類(lèi)似，電壓信號(hào)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(duì)運(yùn)放OP07進(jìn)行輸入限幅保護(hù)，C2,，R2,，R3和R4為互感器相移補(bǔ)償電路，C1,，C4和C5用來(lái)去耦和濾波。運(yùn)放TL084構(gòu)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(shè)計(jì)用MAX 274實(shí)現(xiàn),，TL084的輸出接MAX 274的INA引腳。下面重點(diǎn)介紹由MAX 274設(shè)計(jì)低通濾波器的過(guò)程,。
2 低通濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程
2.1 確定濾波器性能指標(biāo)
為了得到精確的電壓和電流有效值,，同時(shí)考慮到DSP的運(yùn)算量，該電力參數(shù)測(cè)量裝置的每周期采樣點(diǎn)定為32個(gè),，這樣既實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相電壓,、電流等常規(guī)電力參數(shù)的精確測(cè)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(yīng)在通帶內(nèi)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(nèi)響應(yīng)沒(méi)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(duì)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(jì)濾波器主要包括2大步驟：
(1)由濾波器指標(biāo)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(xiàn),。
2.2 由濾波器指標(biāo)確定極點(diǎn),、Q值和零點(diǎn)
這一步主要是根據(jù)濾波器所需達(dá)到的性能指標(biāo)，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(diǎn),、階數(shù)和Q值等,。
(1)濾波器類(lèi)型選為L(zhǎng)owpass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(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(xiàng)；[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(nèi)平直，阻帶內(nèi)陡降,，符合對(duì)濾波特性的實(shí)際要求,，并且下降速度可達(dá)-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(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(nèi)。還應(yīng)注意濾波器設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)步驟如下：
(1)進(jìn)入濾波器在MAX 274硬件上實(shí)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(jí)輸出對(duì)第1級(jí)輸入的總增益(可用[U]切換增益單位)。本設(shè)計(jì)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(hào),，對(duì)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(huì)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(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(duì)Fo／Q值進(jìn)行補(bǔ)償；然后進(jìn)入第3個(gè)窗口,，對(duì)電阻阻值標(biāo)準(zhǔn)化處理而得到最終結(jié)果,。
若設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤提示,，則表明參數(shù)不符合要求,，應(yīng)該重新設(shè)計(jì)。
該4階低通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,。
由于表1中所列的電阻值是由軟件計(jì)算出來(lái)的,，不一定能夠買(mǎi)到，所以要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),。大多數(shù)設(shè)計(jì)采用對(duì)電阻值進(jìn)行取舍的標(biāo)準(zhǔn)化方法,，這種方法在5％的誤差范圍內(nèi)雖然對(duì)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(jì)采用將計(jì)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(jì)算出來(lái)的電阻值，這樣就減小了由于對(duì)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(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(yǔ)
在電力參數(shù)測(cè)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(jì)抗混疊低通濾波器的方法，并給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),。
實(shí)踐證明,，采用連續(xù)時(shí)間集成濾波器MAX 274設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì),、性能可靠,、達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，為電力參數(shù)測(cè)量裝置中抗混疊低通濾波器的設(shè)計(jì)提供了有效的解決方法,。用MAX 274設(shè)計(jì)的低通濾波器代替電力參數(shù)測(cè)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(jì)效益,。