??? 摘? 要: 介紹了鎖相" title="鎖相">鎖相放大技術(shù)的基本原理以及采用交流注入法在線測量蓄電池內(nèi)阻的裝置,詳細(xì)介紹了該裝置的工作原理及采用鎖相放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)阻測量" title="內(nèi)阻測量">內(nèi)阻測量的實(shí)際電路。在該裝置中通過采用平衡調(diào)制解調(diào)芯片AD630有效地抑制了噪聲和干擾,并且簡化了設(shè)計。?

??? 關(guān)鍵詞: 蓄電池內(nèi)阻? 交流注入法? 鎖相放大? AD630

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??? 國內(nèi)外的科研人員通過大量的實(shí)驗發(fā)現(xiàn),蓄電池的內(nèi)阻與容量有著密切的關(guān)系,根據(jù)蓄電池內(nèi)阻的大小可以判定電池的性能。用內(nèi)阻檢測法判定蓄電池性能,實(shí)現(xiàn)免維護(hù)密封鉛酸蓄電池的在線維護(hù),是目前公認(rèn)的蓄電池維護(hù)的最佳方案之一。?

??? 蓄電池的內(nèi)阻一般都很小,滿容量時,內(nèi)阻一般為幾毫歐,甚至零點(diǎn)幾毫歐(一般400Ah的2V蓄電池內(nèi)阻大約為0.5毫歐左右),因此內(nèi)阻法在實(shí)現(xiàn)時有較大的技術(shù)難度。另外,充電機(jī)會產(chǎn)生很大的干擾,環(huán)境的噪聲也是不可忽視的,再加上內(nèi)阻測量信號很微弱,所以如何有效地抑制干擾也就成了內(nèi)阻測量的關(guān)鍵技術(shù)。?

??? 在研究中發(fā)現(xiàn),采用鎖相放大技術(shù)可以有效地抑制干擾和噪聲,并且使得內(nèi)阻的測量變得非常簡單且測量速度快、成本低廉。?

1 鎖相放大的基本原理?

??? 鎖相放大的基本原理框圖如圖1所示。?

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??? 由于被檢測的信號很微弱,而噪聲和干擾卻很強(qiáng),所以被檢測的信號應(yīng)進(jìn)行放大和濾波處理,以濾除通帶以外的噪聲和干擾。參考信號的作用是提供一個與輸入信號" title="輸入信號">輸入信號同頻的方波或正弦波。相敏檢波的作用是對輸入信號和參考信號進(jìn)行乘法運(yùn)算,從而得到輸入信號與參考信號的和頻與差頻信號。后續(xù)的低通濾波" title="低通濾波">低通濾波的作用是濾除和頻分量,這時的等效噪聲帶寬很窄,極強(qiáng)地抑制了輸入噪聲。?

????輸入信號經(jīng)過相敏檢波和低通濾波后,將交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?直流信號經(jīng)直流放大器放大后,即可滿足系統(tǒng)的增益要求。?

2 鎖相放大器中的信號相關(guān)原理?

??? 設(shè)X(t)是伴有噪聲的周期信號,即:?

??? X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t)?

其中,S(t)為有用信號,其幅值為A,角頻率為ω,初相角為φ,N(t)為隨機(jī)噪聲。?

??? 參考正弦信號為:?

??? Y(t)=Bsinω(t+τ)?

其中,τ是時間位移。則兩者的相關(guān)函數(shù)為:?

???

??? 由于參考信號Y(t)與隨機(jī)噪聲N(t)互不相關(guān),所以Rny(τ)=0,于是就有:?

??? ????

??? 從而得出Rxy(τ)正比于有用信號的幅值。?

??? 由以上分析可知,利用參考信號與有用信號具有相關(guān)性,而參考信號與噪聲相互獨(dú)立、互不相關(guān)的性質(zhì),可以使之通過互相關(guān)運(yùn)算削弱噪聲的影響。?

3 內(nèi)阻的測量原理?

??? 內(nèi)阻測量是一個比較復(fù)雜的過程,目前主要有兩種方法,即直流放電法和交流注入法。交流注入法相對直流放電法有很多優(yōu)點(diǎn),如體積小、成本低、對電池?zé)o損害、可在線測量、可進(jìn)行頻繁的測量等。由于交流法具有種種優(yōu)點(diǎn),所以越來越受到業(yè)界的推崇。?

??? 這里采用了交流注入法進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻的測量,運(yùn)用鎖相放大技術(shù)很好地抑制了充電機(jī)的干擾和環(huán)境噪聲。?

??? 交流注入法測量電池內(nèi)阻的原理框圖如圖2所示。由于在變電站和通信基站中使用的免維護(hù)鉛酸蓄電池的內(nèi)阻都很小,一般為零點(diǎn)幾個毫歐至幾個毫歐,所以電池內(nèi)阻測量導(dǎo)線的阻抗是不可忽略的,應(yīng)采用四線法進(jìn)行測量,即將注入電流回路與信號測量回路分開。?

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??? 圖中,低頻交流信號發(fā)生器為一個頻率為5Hz的交流恒流電流源,用于給電池注入交流信號。電阻Rr為取樣電阻,用于產(chǎn)生同步參考信號。

??? 鎖相放大及濾波電路是內(nèi)阻測量的核心部分,用于分離電池內(nèi)阻上固有的容性成分,并對微弱的內(nèi)阻測量信號進(jìn)行鎖相放大及濾波處理。?

??? 測量內(nèi)阻一般是先通過測量電壓計算出內(nèi)阻抗,再測量相移,然后再計算出內(nèi)阻抗中的純阻性部分(即常說的電池內(nèi)阻)。這種方法電路設(shè)計比較復(fù)雜,并且精度也很難做得很高。在設(shè)計中,采用了鎖相放大法進(jìn)行內(nèi)阻的測量,可直接計算出內(nèi)阻,既簡化了設(shè)計,又有效地抑制了干擾和噪聲,大大提高了測量精度。?

4 鎖相放大及濾波處理實(shí)際電路?

??? 對于存在噪聲的非周期信號,通常用濾波器減小系統(tǒng)的噪聲帶寬,即所謂的帶寬壓縮法。對于深埋在噪聲信號中的周期性重復(fù)信號,通常采用鎖相放大技術(shù)(頻域的窄帶化處理)進(jìn)行處理。?

??? 相敏檢波器" title="相敏檢波器">相敏檢波器是鎖相放大器的心臟。對周期信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算的電路框圖如圖3所示。?

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?? 上式表明,相敏檢波器的輸出包括兩部分,前者為輸入信號與參考信號的差頻分量,后者為和頻分量。當(dāng)被測的有用信號與參考信號同步時,即f₁=f₂時,差頻為零,這時差頻分量變成相敏直流電壓分量,而和頻分量成為倍頻。其物理意義表示信號經(jīng)過相敏檢波以后,信號頻譜相對頻率軸作了相對位移,即由原來以f₁為中心的頻譜遷移至以直流(f=f₁-f₂=0)和倍頻(f=f₁+f₂=2f₁)為中心的兩個頻譜。?

??? 通過低通濾波濾除倍頻分量,從而使輸出變?yōu)??

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??? 在實(shí)際的電路中,常常采用對稱方波作為參考信號,使相敏檢波器處于開關(guān)狀態(tài),這時的相敏檢波器稱為開關(guān)型相敏檢波器。為簡化,令Er=1,將方波參考信號展開為傅立葉級數(shù):?

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式中,n為諧波次數(shù),f₂為參考方波的頻率。?

??? 當(dāng)被測的有用信號為Us=Es·sin(2πf₁t+φ₁)時,則相敏檢波器的輸出為:?

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式中,θ=φ₁-φ₂為輸入信號Es與參考信號Er的相位差。?

??? 在本設(shè)計中,采用了AD公司生產(chǎn)的平衡調(diào)制解調(diào)芯片AD630。其實(shí)現(xiàn)的電路原理如圖4所示。?

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??? 參考信號為交流電流信號源輸出電阻Rr上的電壓信號,此信號與電池上的注入信號是同頻同相的。但由于電池的內(nèi)阻抗上存在容性分量,所以從電池上來的取樣信號與注入信號有相位差,設(shè)為θ。并設(shè)電池的內(nèi)阻抗為Rz,純內(nèi)阻為R,則有:?

??? R=|Rz|·cosθ?

??? 設(shè)交流電流信號源的輸出電流為I=Asinωt,則取樣電阻Rr兩端的電壓降為Uf=I·Rr=A·Rr·sinωt。由于電池內(nèi)阻抗上有容性成分存在,所以電池上產(chǎn)生的交流電壓信號會產(chǎn)生相移,設(shè)差分放大器的增益為B,則采樣信號經(jīng)放大后的值為Us=I·Rz·B=A·B·|Rz|·sin(ωt+θ)。將Uf作為AD630調(diào)制時的參考信號,由于此信號在AD630內(nèi)部是經(jīng)過一個與零電平作比較的比較器后再進(jìn)行調(diào)制的,所以實(shí)際的相敏檢波的參考信號為一個對稱的方波Ur,通過外圍管腳的適當(dāng)連接可使AD630工作在1:1的調(diào)制模式下。?

??? 將此方波參考信號Ur展開為傅立葉級數(shù),為:?

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??? 用基準(zhǔn)電阻Rc替換電池進(jìn)行同樣的測試(恒流源電流保持不變),通過類似的推導(dǎo)可得輸出信號為:?

??? 直流電壓Uo′和Uoc′值可通過A/D變換得到,而基準(zhǔn)電阻Rc的阻值是已知的,所以電池的內(nèi)阻就可計算出來了。?

??? 在實(shí)際的應(yīng)用中,設(shè)備出廠前需先經(jīng)過基準(zhǔn)電阻進(jìn)行校準(zhǔn)。對于特定的注入電流,此參數(shù)應(yīng)存于EEPROM中,在現(xiàn)場進(jìn)行內(nèi)阻的在線測量時,只需測出Uo′就可立即計算出電池的內(nèi)阻來。所以電池內(nèi)阻能在很短的時間內(nèi)測量出來。?

??? 本文對鎖相放大法的基本工作原理及信號相關(guān)原理進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。利用調(diào)制解調(diào)芯片AD630對電池內(nèi)阻的測量信號進(jìn)行鎖相放大處理,不僅很好地抑制了干擾和噪聲,而且還簡化了內(nèi)阻的測量,無需分別計算內(nèi)阻抗和相移角,可直接測出內(nèi)阻。電池內(nèi)阻的準(zhǔn)確測量為電池的正常工作提供了可靠的保障,對提高直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行、供電系統(tǒng)的可靠性和自動化程度有著十分重要的意義。該裝置已經(jīng)在很多變電站、電廠和通信基站中有了廣泛的應(yīng)用,運(yùn)行情況良好。?

參考文獻(xiàn)?

1 AD630數(shù)據(jù)手冊.美國ADI公司,1999?

2 Manual for DSP Lock-In Amplifier. Stanford Research?Systems Inc., 1999?

3 Hlavac, M.J., Feder, D.O., Croda, T.G.Field and Laboratory Studies to Assess the State of Health of Valveregulated Lead-acid Batteries. Conf. Proc. INTELEC 93,?1993;(2):375～383