在電力參數(shù)測(cè)量裝置中，電力參數(shù)來源于具有強(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)低通濾波器的過程。
1 模擬信號(hào)調(diào)理電路的工作過程
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DSP實(shí)現(xiàn)FFT算法，計(jì)算出三相有功功率、無功功率、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)過電壓／電流變換器變?yōu)轭~定值為5 V的電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(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)低通濾波器的過程。
2 低通濾波器的設(shè)計(jì)過程
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(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(shí)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(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(見圖3)?？梢钥闯觯洳ㄐ卧谕◣?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；
(3)可用[V]來查看每一個(gè)濾波單元的增益效果圖是否滿意；
(4)若滿意，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)算出來的，不一定能夠買到，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(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50萬元的經(jīng)濟(jì)效益。