交流輸入電壓、電流監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)3

1、交流輸入電壓、電流監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)引言電子設(shè)備只有在額定電壓、電流下才能長期穩(wěn)定工作，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)、保護(hù)電路，防止外部輸入電壓或者負(fù)載出現(xiàn)異常時(shí)造成設(shè)備損毀。工頻交流電壓、電流的大小，通常是利用它的有效值來度量的。有效值的常用測(cè)量方法是先進(jìn)行整流濾波，得出信號(hào)的平均值，然后再采用測(cè)量直流信號(hào)的方法來檢測(cè)，最后折算成有效值。但是由于供電主回路中存在大量的非線性電力、電子設(shè)備，如變壓器、變頻器、電機(jī)、UPS、開關(guān)電源等，這些設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波等干擾。大型電動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)、負(fù)載突然變化、局部短路、雷電等異常情況出現(xiàn)時(shí)，供電主回路中會(huì)出現(xiàn)浪涌。當(dāng)這些情況發(fā)生時(shí)，供電線路上已不是理想的正弦波，采用平

2、均值測(cè)量電路將會(huì)產(chǎn)生明顯的測(cè)量誤差。利用真有效值數(shù)字測(cè)量電路，可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地測(cè)量各種波形的電壓、電流有效值。下面介紹的監(jiān)測(cè)電路安裝于配電箱中，與外圍保護(hù)電路一起實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備保護(hù)的功能。真有效值數(shù)字測(cè)量的基本原理電流和電壓的有效值采集電路原理基本相同，下面以電壓真有效值為例進(jìn)行原理分析。所謂真有效值亦稱真均方根值(TRMS)。眾所周知，交流電壓有效值是按下式定義的：U険=扌怕血棊近似公式為(2)分析式(1)可知，電路對(duì)輸入電壓u進(jìn)行平方一取平均值一開平方運(yùn)算，就能獲得交流電壓的有效值。因這是由有效值定義式求出的，故稱之為真有效值。丄若將式(1)兩邊平方，且令7，還可以得到真有效值另表達(dá)式UR

3、MS=Li=Align式(3)中，Avg表示取平均值。這表明，對(duì)u依次進(jìn)行取絕對(duì)值一平方/除法一取平均值”運(yùn)算，也能得到交流電壓有效值。式(3)比式(2)更具有實(shí)用價(jià)值。由于同時(shí)完成兩步計(jì)算，與分步運(yùn)算相比，運(yùn)算器的動(dòng)態(tài)范圍大為減小，既便于設(shè)計(jì)電路，又保證了準(zhǔn)確度指標(biāo)。美國模擬器件公司(ADI)的AD536、AD637、AD737系列單片真有效值/直流轉(zhuǎn)換器，即采用此原理設(shè)計(jì)而成。而凌力爾特公司的單片真有效值/直流轉(zhuǎn)換器LT1966、LT1967、LT1968在RMS-DC的轉(zhuǎn)換過程中采用一個(gè)調(diào)制器作除法器，一個(gè)簡單的極性開關(guān)作乘法器。相比采用對(duì)數(shù)/反對(duì)數(shù)電路的產(chǎn)品，號(hào)稱有更好的線性度，增益受

4、溫度影響更小。另一方面，在計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)中U(t)是離散值，可以采用下面的公式計(jì)算：U(i)為各瞬時(shí)采用值，i=1,2，n;n為采用次數(shù)。交流電壓采樣電路設(shè)計(jì)圖1為簡易平均值-有效值測(cè)量電路原理圖，平均值電路由變壓器T、整流橋BR、電容器C和電阻RL組成，虛線部分將平均值折算為有效值輸出。圖1交流信號(hào)平均值-茍效譜対量原理用圖1所示平均值電路進(jìn)行測(cè)量，存在如下問題：變壓器和整流橋是非線性器件，因此必定會(huì)產(chǎn)生非線性誤差，難以精確補(bǔ)償;整流橋BR后為得到穩(wěn)定、平直的DC波形需要較大容值的電容器C,電容充放電時(shí)間長，因此響應(yīng)速度慢;由于電容器C容值不可能無限大，在電容C兩端測(cè)量到的必然是直流脈動(dòng)波形

5、。實(shí)際上，因?yàn)樽儔浩黧w積較大，簡易測(cè)量儀表多采用電阻分壓的方式衰減被測(cè)交流電壓，再由運(yùn)放和二極管組成平均值響應(yīng)的線性整流電路將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后將平均值折算為有效值。對(duì)于理想的正弦交流電壓采用上述測(cè)量方法是沒有問題的，但是電網(wǎng)中存在各種非線性電力、電子設(shè)備，對(duì)于由此造成的失真，采用均值檢波電路將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。表1中列出均值檢波與真有效值的誤差比較。在極端情況下，均值檢波電路產(chǎn)生如此之大的誤差是不能接受的，采用真有效值電路可以避免出現(xiàn)這么大的誤差。單片TRMS/DC轉(zhuǎn)換器可以選用美國模擬器件公司的AD536、AD636、AD637、AD736、AD737和凌力爾特公司的LTC196

6、6、LTC1967、LTC1968。圖2是由AD736構(gòu)成的5量程3位真效值數(shù)字電壓表電路圖。S1為量程開關(guān),S2為測(cè)量/備用模式選擇開關(guān)(常態(tài)下S2斷開，閉合時(shí)儀表呈備用狀態(tài))，S3為電源開關(guān)。精密電阻R1R5構(gòu)成高阻抗分壓器，總阻值為10M。輸入交流電壓Vin首先被衰減成200mV以下，再經(jīng)限流電阻R6接至AD736的第2引腳。VD1、VD2為雙向限幅保護(hù)二極管。C1是輸入端耦合電容，起隔直作用。C2、C6為電源濾波電容。C4是AD736的平均電容。輸出電壓經(jīng)R9、C5濾除紋波后獲得直流電壓，加至ICL7136的模擬輸入端。R9兼ICL7136的限流電阻。ICL7136采用外基準(zhǔn)，由ICL

7、8069提供的1.2V基準(zhǔn)電壓源，通過R8、RP分壓后得到基準(zhǔn)電壓VREV=100mV,基本量程為200mV。交流電流采樣電路交流電流采樣電路前端常用的交流電流互感器有硅鋼FeSi電流互感器、羅果夫斯基線圈(RogowskiCoil)電流互感器、霍爾電流傳感器三種。硅鋼電流互感器由于其普及的價(jià)格，主要被廣泛用在不需要很高精確度的功率監(jiān)控，對(duì)負(fù)載進(jìn)行平衡。但是，由于其只適用于50Hz的正弦波，而且線性度很差（特別在低電流值時(shí)）和相移太大，因而不適合對(duì)電量對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)分析。因?yàn)槠溆执笥直恐?，因此也不太適合在空間有限的環(huán)境中使用（例如小型配電箱）。羅果夫斯基線圈電流互感器雖然實(shí)現(xiàn)了小型、輕型和

8、靈活的對(duì)高強(qiáng)度電流的測(cè)量，但其對(duì)設(shè)計(jì)、制造工藝和固定安裝方面要求較高，而且對(duì)信號(hào)適應(yīng)和標(biāo)定有一定要求。目前，羅果夫斯基線圈技術(shù)只在特定測(cè)量領(lǐng)域是非常有前景的技術(shù)。霍爾電流傳感器尺寸小，重量輕，易于安裝，價(jià)格適中。傳感器的原邊電路與副邊電路之間完全絕緣，絕緣電壓一般為212kV，特殊要求可達(dá)2050kV。其副邊電路可以忠實(shí)地反映原邊電流的波形，可測(cè)量任意波形的電流，如直流、交流和脈沖波形等，可以對(duì)瞬態(tài)峰值參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。一般的霍爾電流傳感器可在020kHz頻率范圍內(nèi)很好地工作，精度優(yōu)于1%，線性度優(yōu)于0.5%,動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于7ms,跟蹤速度di/dt高于50A/ms,過載能力強(qiáng)，測(cè)量范圍大（01

9、0000A）。通過上述比較，為了適應(yīng)艦船電子設(shè)備普遍的中小功率電流精確、穩(wěn)定可靠監(jiān)測(cè)的需要，霍爾電流傳感器是我們的首選。我們可以選擇單電源供電，電壓型輸出的LEM電流傳感器CASXX-NP或者LTSXX-NP系列。選用印制板安裝的單電源電流傳感器可以簡化電源硬件設(shè)計(jì)，選電壓型輸出避免了電流型輸出需要增加的外接采樣電阻以及運(yùn)放，方便與DSP或者單片機(jī)的AD端口直接連接。輸出電壓范圍（2.50.625V）,即原邊電路電流為0時(shí)，輸出電壓為2.5V;正向最大電流時(shí)輸出電壓為3.125V，反向最大電流時(shí)輸出電壓為1.875V。單相交流電壓、電流監(jiān)測(cè)電路在圖3所示電路中，我們采用了一片Microchip

10、公司的RISC結(jié)構(gòu)的高性能嵌入式微控制器PIC16F873。其內(nèi)置的主同步串行端口MSSP模塊具有兩種模式：串行外設(shè)接口SPI和集成電路內(nèi)部I2C總線SPI同步串行輸入/輸出可應(yīng)用于外接移位寄存器、串行E2PROM、串行A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器等。SPI模式使用串行數(shù)據(jù)輸入SDI、串行數(shù)據(jù)輸出SDO、串行時(shí)鐘SCK這三個(gè)I/O口通信，根據(jù)情況還常常需要其他引腳配合使用（例如提供片選信號(hào)）。I2C模式是IC之間的串行總線，只需要串行數(shù)據(jù)SDA和串行時(shí)鐘SCL兩個(gè)I/O端口。通過定義同步串行端口狀態(tài)寄存器，我們可以方便的選擇其中一種工作模式，但兩種串行通信僅能選擇其中之一進(jìn)行工作。如圖3

11、所示，在交流電壓采集通道，我們選用了一片LTC1966真有效值RMS-DC轉(zhuǎn)換器和一片LTC2420A/D轉(zhuǎn)換器。囲3交流茍效值吧雖原瑾自路LTC1966采用計(jì)算技術(shù)，內(nèi)部的增量累加電路使用更為簡便、準(zhǔn)確度更高和功耗更低，與傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)-反對(duì)數(shù)RMS-DC轉(zhuǎn)換器相比，表現(xiàn)出更大的靈活性。LTC1966可接受單端或差動(dòng)輸入信號(hào)（可抑制EMI/RFI）。差動(dòng)輸入范圍為1VPEAK,提供優(yōu)異的線性度。具有獨(dú)立的輸出基準(zhǔn)電壓引腳，可進(jìn)行靈活的電平調(diào)整。LTC1966對(duì)電路板的焊接方式、應(yīng)力及工作溫度都不敏感。與對(duì)數(shù)/反對(duì)數(shù)方案相比，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有本質(zhì)更好的穩(wěn)定性及線形度。LTC2420的ADC是一個(gè)過采

12、樣ADC，具有本質(zhì)性抑制RMS平均紋波的特性。將F0引腳接電源，內(nèi)置的數(shù)字濾波器即可以濾去50Hz紋波。數(shù)據(jù)輸出為三線制接口，兼容SPI和MICROWIRE協(xié)議。在采樣時(shí)它的輸入阻抗是6.5M，如果直接連接負(fù)載LTC1966，將會(huì)造成-0.54%至-0.73%的增益誤差。而且，LTC2420DC輸入電流在0V時(shí)并不為零，而是其基準(zhǔn)的一半，這會(huì)造成輸出偏移和增益誤差。但是對(duì)于特定的LTC1966和LTC2420組合，該誤差是固定的，因此可以通過校準(zhǔn)系統(tǒng)消除這些誤差。交流電壓采樣過程：LTC1966對(duì)衰減后的交流電壓信號(hào)進(jìn)行RMS-DC轉(zhuǎn)換。PIC16F873的RA1端口輸出低電平選中LTC242

13、0的CS片選端啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。PIC16F873通過SPI接口接收LTC2420的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在電流檢測(cè)通道，首先由電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。因?yàn)镻IC16F873內(nèi)部嵌入了一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，將其一路輸入通道與LEM電流傳感器的電壓輸出端連接，由PIC16F873進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，直接通過軟件計(jì)算處理得到交流電流瞬時(shí)值、有效值和峰值。有效值計(jì)算原理依據(jù)公式4。顯示通道由一片帶串行接口的多位譯碼驅(qū)動(dòng)器MAX7221和四個(gè)LED數(shù)碼管組成。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)過程需要顯示的數(shù)據(jù)主要為數(shù)字量，所以選擇7段LED數(shù)碼管作為顯示輸出部件。而且LED數(shù)碼管較LCD顯示器適應(yīng)低溫、震動(dòng)

14、環(huán)境能力更好，價(jià)格更低廉。MAX7221是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器秒，它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個(gè)獨(dú)立的LED。其上包括一個(gè)片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動(dòng)器，而且還有一個(gè)8x8的靜態(tài)RAM用來存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。MAX7221與SPI、QSPI以及MICROWIRE相兼容，同時(shí)它能通過限制段驅(qū)動(dòng)電流來減少電磁干擾。使用MAX7221驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，不僅簡化了硬件電路，也減少了PIC16F873的軟件編程工作。報(bào)警輸出通道，采用一只壓電蜂鳴器發(fā)出音頻報(bào)警，通過一只TLP421-1光耦和一只直流電磁繼電器控制外圍保護(hù)電路動(dòng)作切斷電源輸入進(jìn)而保護(hù)電子設(shè)備。按鍵部分較為簡單，只有四個(gè)按鍵：f、（、一、0。恰好可以利用B端口RB4RB7四個(gè)I/O口的電平變化中斷功能，實(shí)現(xiàn)所有顯示模式”電壓、電流值校準(zhǔn)測(cè)量”高低限報(bào)警值設(shè)定”高低限切斷值設(shè)定”復(fù)位確認(rèn)等功能選擇操作。結(jié)語設(shè)計(jì)