信号调理电路
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2.3.2信号调理电路
1.设计目标
电能质量各项指标的监测主要是通过对三相电压、电流的测量,再经过复杂算法进行计算得到。因此三相电压、电流不仅是装置本身需要测量的重要参数,也是监测电能质量其它指标的原始数据来源,对其测量的精度将直接影响到其它指标的测量结果精度。
信号调理电路的工作环境含有大量的电磁和数字信号,会产生高频干扰,所以模拟量采集模块应该具有低通滤波的功能。在模拟信号接入AD模块之前,需要将信号通过电压、电流互感器调理到DSP片内AD允许的输入范围之内(0.0V~3.0V),同时为了防止信号的干扰和混叠,必须对变换后的信号进行滤波处理,将高次谐波滤除掉。本装置设定对被测信号每周波采样256点,即采样频率为12.8ksps。为了精确测出50次谐波,要将2.5kHz以上的成分滤除掉,考虑到误差的因素,设计的二阶低通滤波器截至频率选取为3kHz。同时为了满足设计精度的要求,电路产生的误差应该控制在允许的范围内。
根据上述分析要求,考虑实现的可能,确定信号调理电路的总体设计目标如下:
误差范围:幅值0~0.1%;
输出信号大小:0~3V;
低通滤波截止频率:大于3kHz;
2.方案设计
为了提高测量精度,并使得输出信号在0~3V之间,在测量电压电流时,我们采用了具有低噪声满电源幅度的TLC2272运算放大器对输入信号进行测量的方式,同时利用TLC2272放大器构成一个二阶有源低通滤波器,滤除采样信号中高于3KHz的高频干扰信号。该测量方式同时实现了采样和滤波两个功能,原理简单,易于实现,精度也较高。二阶低通滤波器能有效的抑制高频的干扰,较好地保持信号的纯度。
在电压信号进入采样电路之前,我们做了一个接地电阻R8,其作用是防止有较大的电流流过信号调理电路,使电路中的芯片受损。
信号调理电路如图2.4所示。
图2.4信号调理滤波电路图
3.详细设计
(1)元件选择
根据输入信号的特点和参数测量的要求,电压变换器采用的是湖北天瑞电子有限公司的TR1102-2C型检测用电压输出型电压变换器,规格分别是Krl=100V/10V,电流变换器采用的是湖北天瑞电子有限公司的TR0102-2C型检测用电压输出型电流变换器,规格分别是Kr2=5A/10V。
调理电路中芯片选择具有低噪声满电源幅度的TLC2272运算放大器,由于DSP的输入电压不能超过3.3V,所以我们选择了具有稳压作用的BAT54S芯片。
(2)参数的计算
有电路图可得,TLC2272(1)的电压U3的表达式为
由元件选择可知,的变化范围为-10~+10之间,可选择R1为200K,R2为10K,并且使<<1,故可取R4为1M,R3为1.5。
由第二部分滤波电路可得:低通滤波的截止频率为f
由于f<3KHz,所以RC=2f,可取R5=R6=15K,C1=C2=10nf
由于滤波部分采用的是电压跟随器,故U3与最后的输出电压相等,参数验证如下:
当Ua=+10V时,U3=2.86V<3V 即输出电压小于3V;
当Ua=-10V时,U3=1.90V<3V即输出电压小于3V,满足条件。
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