MAX 274在電力參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用

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)，元件周圍的雜散電容將會(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)。可以看出，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；