集成運(yùn)放在電機(jī)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用研究

肖閩進(jìn) 施楊 李陽 韋佳明 劉秋梅 顧俊

(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

電力系統(tǒng)主變壓器的冷卻系統(tǒng)一般配置多組循環(huán)油泵和風(fēng)扇進(jìn)行散熱冷卻，其油泵和風(fēng)扇電機(jī)的工作狀態(tài)直接關(guān)系到主變壓器的運(yùn)行安全。［1－2］集成運(yùn)算放大器具有集成度高，可靠性好，增益穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，與專用器件相比，其性價(jià)比高，并且可以靈活運(yùn)用。該設(shè)計(jì)采用集成運(yùn)算放大器對(duì)主變壓器的冷卻器電機(jī)的過流、缺相和短路等狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和信號(hào)調(diào)理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多組三相電機(jī)的工作數(shù)據(jù)采集，為冷卻器控制電路提供相應(yīng)的動(dòng)作參數(shù)。［3］

1 集成運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)運(yùn)用

1.1 運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)

集成運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)一般由差分輸入、中間放大、互補(bǔ)放大輸出以及恒流源電源電路組成，［4］如圖1所示。由圖1可見，運(yùn)算放大器實(shí)質(zhì)上是一種高增益直接耦合放大電路。其中差分輸入級(jí)為抑制共模信號(hào)，通常采用高性能差分放大電路，即雙端輸入、雙端輸出的形式。中間放大級(jí)的主要作用是提供高開環(huán)放大倍數(shù)，作為運(yùn)算放大器運(yùn)算精度的保證，通常由共發(fā)射極組成多級(jí)耦合放大電路?；パa(bǔ)輸出級(jí)要提供較大輸出電壓或電流，通常由NPN和PNP三極管或復(fù)合管組成。偏置電流源通常采用各種恒流源電路，為各級(jí)提供穩(wěn)定的偏置電流，保持各級(jí)放大器的工作點(diǎn)和整個(gè)運(yùn)算放大器的工作處于穩(wěn)定狀態(tài)。［5－6］

運(yùn)算放大器的供電方式有單電源和雙電源方式。單電源供電方式輸出信號(hào)在電源與地之間變化，雙電源供電方式輸出信號(hào)在0電壓兩側(cè)變化。

1.2 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)及物理意義［7－8］

Uio(輸入失調(diào)電壓):當(dāng)輸入電壓為0時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。Uio是表征運(yùn)算放大器內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。

Iio(輸入失調(diào)電流):當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí)，放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。

IiB(輸入偏置電流):運(yùn)算放大器兩輸入端靜態(tài)偏置電流的平均值。

Auo(開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)):運(yùn)算放大器在無外加反饋條件下，輸出電壓與輸入電壓的變化量之比。

Uopp(最大輸出電壓):輸出不失真時(shí)的最大輸出電壓值。

Uicm(最大共模輸入電壓):在保證運(yùn)算放大器正常工作的條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。

Kcmr(共模抑制比):差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)絕對(duì)值之比，常用分貝數(shù)來表示。

設(shè)計(jì)中應(yīng)用的運(yùn)算放大器的典型參數(shù)值:

輸入失調(diào)電壓:＜5 mV

輸入失調(diào)電流:＜0.5 pA

輸入偏置電流:＜10 pA

最大輸出電壓:+13 V/－14.4 V

開環(huán)增益:＞100 dB

共模抑制比:＞90 dB

靜態(tài)功耗:120 mW

輸入電阻:1.5 ×1012Ω

輸出電阻:＜200 Ω

開環(huán)帶寬:4.5 MHz

最大共模輸入電壓:－15.5 V/+12.5 V

最大差模輸入電壓:±8 V

電源電壓范圍:±15 V

電源電壓抑制比:104 dB

轉(zhuǎn)換速率:9 V/μs

1.3 集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)運(yùn)用條件

電路中實(shí)際選用的運(yùn)算放大器主要參數(shù)滿足以下指標(biāo)，設(shè)計(jì)中作為理想運(yùn)算放大器運(yùn)用。

1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo≥80 dB，理想化Auo=∞。

2)差模輸入電阻rid比輸入端外電路的電阻大2～3個(gè)量級(jí)，理想化rid=∞。

3)開環(huán)輸出電阻ro比輸入端外電路的電阻小2～3個(gè)量級(jí)，理想化ro=0。

4)共模抑制比Kcmr＞90 dB，理想化Kcmr=∞。

2 電機(jī)數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)中，閉環(huán)工作的運(yùn)算放大器在線性運(yùn)用狀態(tài)，利用理想運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)具有虛地、虛短和虛斷的特點(diǎn)，可以精準(zhǔn)地獲得所需要的電路功能。其中，虛地是運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，工作在反相輸入狀態(tài)下，反相輸入端的電位為0，這一特性稱為虛假接地，簡(jiǎn)稱虛地。虛短是運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短，但不能將兩輸入端真正短路。虛斷是運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，稱為虛斷。同樣也不能將兩輸入端真正斷路。

數(shù)據(jù)采集電路由電流互感器［9］、信號(hào)放大電路、整流濾波電路和電平比較輸出電路組成，如圖2所示。

圖2中，CT是小型精密互感器，接入電機(jī)的工作電流回路，三相電機(jī)每相接入1個(gè)采集電路。OPA是集成運(yùn)算放大器，OPA1設(shè)計(jì)為同相放大器方式，利用上述理想運(yùn)算放大器線性工作特點(diǎn)，其輸出電壓U1O與輸入電壓U1I的關(guān)系為:

圖2 數(shù)據(jù)采集電路

由AOPA1=U1O/U1I，本級(jí)電壓放大倍數(shù)可計(jì)算為:

OPA2與OPA3組成精密全波整流電路。當(dāng)整流電路用于交流電壓信號(hào)的處理和放大時(shí)，由于二極管組成的普通整流電路，存在整流輸出非線性及開啟電壓，對(duì)小信號(hào)輸入電壓會(huì)產(chǎn)生一定的失真。而采用運(yùn)算放大器組成的半波或全波精密整流電路，克服了上述缺點(diǎn)，構(gòu)成了近于理想化的整流電路，對(duì)于微小輸入交流信號(hào)，都能進(jìn)行不失真的整流輸出。利用運(yùn)算放大器的放大作用和二極管的單向?qū)щ娞匦?，將整流二極管置于負(fù)反饋環(huán)路中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入正、負(fù)半波信號(hào)引入不同深度的負(fù)反饋，可以對(duì)輸入小信號(hào)進(jìn)行精密整流。運(yùn)算放大器精密全波整流電壓傳輸特性如圖3所示。

圖3 精密全波整流電壓傳輸特性

由圖3可見，在輸入電壓接近0點(diǎn)處的小信號(hào)區(qū)域，輸出電壓仍保持良好的線性。

當(dāng)輸入信號(hào)正半周時(shí)，為簡(jiǎn)化分析過程，暫不考慮C2的影響(這并不影響電路結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果)，二極管D2導(dǎo)通，OPA2工作在反相放大器狀態(tài)，OPA2的輸出電壓為:

當(dāng)取電阻值R4=R5時(shí)，有UOPA2=－UOPA1。

OPA3的輸入信號(hào)為OPA1和OPA2分別通過R7、R8的兩路輸入，OPA3工作在反相加法器的狀態(tài)，因此OPA3的輸出電壓為:

當(dāng)取電阻值R7=2R8時(shí)，UOPA3=UOPA1。

當(dāng)輸入信號(hào)負(fù)半周時(shí)，二極管D2截止，OPA2無輸出信號(hào)，OPA3的輸出電壓為:

同理，當(dāng)R10=R7時(shí)，有UOPA3= －UOPA1。

在OPA3的外圍電路中，電容器C2反饋支路與OPA3構(gòu)成積分電路，對(duì)整流輸出進(jìn)行濾波以減小輸出信號(hào)紋波。

OPA4、OPA5工作在開環(huán)狀態(tài)，電路為任意幅度電壓比較器形式，其輸出只有高電平和低電平2個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，是集成運(yùn)算放大器的非線性運(yùn)用。OPA4、OPA5分別組成過流和缺相信號(hào)電平比較電路，OPA4為同相電壓比較器，其電壓傳輸特性如圖4(a)所示，UC1為比較參考電壓，比較結(jié)果輸出過流信號(hào);OPA5為反相電壓比較器，其電壓傳輸特性如圖4(b)所示，UC2為比較參考電壓，比較結(jié)果輸出缺相信號(hào)。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路關(guān)鍵點(diǎn)波形進(jìn)行檢測(cè)分析，經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娐吩?shù)調(diào)整，各部分電路功能符合設(shè)計(jì)要求，電路整體能夠進(jìn)行電機(jī)工作時(shí)過流和缺相數(shù)據(jù)采集，并以高電平有效的方式傳遞信號(hào)給后級(jí)冷卻控制器。以下是關(guān)鍵點(diǎn)波形的檢測(cè)結(jié)果分析:

圖4 電平比較器電壓傳輸特性

1)同相放大與輸入信號(hào)。圖5中示波器的設(shè)置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:10 V/Div，下方為Y1信號(hào)，上方為Y2信號(hào)(以下圖中相同)，Y1信號(hào)為輸入信號(hào)，Y2信號(hào)為OPA1輸出信號(hào)，由圖5可見，OPA1實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的同相放大。

圖5 同相放大與輸入信號(hào)

2)半波整流與輸入信號(hào)。圖6中示波器的設(shè)置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:5 V/Div，Y2信號(hào)為OPA2輸出信號(hào)，由圖6可見，對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)正半周，OPA2輸出負(fù)半周信號(hào)，OPA2實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的半波整流。

圖6 半波整流與輸入信號(hào)

3)全波整流與輸入信號(hào)。圖7中示波器的設(shè)置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:5 V/Div，Y2信號(hào)為OPA3輸出信號(hào)，為觀察對(duì)比電路的濾波功能，濾波電容器C1未接入，由圖7可見，由于OPA3接成反相放大器方式，將OPA1和OPA2的2個(gè)負(fù)半周信號(hào)全部轉(zhuǎn)換成正半周信號(hào)，OPA2及OPA3實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的全波整流，未接濾波電容C1時(shí)，輸出信號(hào)為單向脈動(dòng)直流。

圖7 全波整流與輸入信號(hào)

4)濾波輸出與輸入信號(hào)。圖8中示波器的設(shè)置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:5 V/Div，Y2信號(hào)為OPA3輸出信號(hào)，電路接入濾波電容器C1后，濾波效果明顯，輸出信號(hào)為單向直流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了將電流互感器CT輸入的50 Hz交流信號(hào)變換為0－10 V的電平，此信號(hào)經(jīng)OPA4、OPA5電平比較電路比較，輸出過流和缺相信號(hào)。

圖8 濾波輸出與輸入信號(hào)

4 結(jié)語

從電路、信號(hào)和系統(tǒng)3個(gè)層次討論了集成運(yùn)算放大器在電機(jī)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用，分析了集成運(yùn)算放大器的線性和非線性工作形式，并在電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行了有效的組合運(yùn)用。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以多級(jí)集成運(yùn)算放大器為核心的電機(jī)工作數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)了從電流互感器到確定的電平范圍的轉(zhuǎn)換，可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

［1］魯海東，孫純軍，王曉虎.智能變電站中在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(1):134 －137.

［2］李澄，黃偉，吳剛.數(shù)字化變電站新技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用［J］.江蘇電機(jī)工程，2007，26(S1):8 －10.

［3］Association Connecting Electronics Industries.IPC 2251—2003 Design Guide for the Packaging of High Speed Electronic Circuits［S］.Published by IPC 2215 Sanders Road，Northbrook，IL.2003.

［4］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［5］孫傳友，孫曉斌，李勝玉，等.測(cè)控電路及裝置［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［6］孫肖子.實(shí)用電子電路手冊(cè)(模擬電路分冊(cè))［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［7］Texas Instruments Co.，Ltd..Op Amp Datasheets 2006［EB/OL］.［2011 － 11 － 16］.http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/amplifier_and_linear.page.

［8］Analog Devices Co.，Ltd..Op Amp Application Manu 2008［EB/OL］.［2011 －10 －16］.http://www.analog.com/zh/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-opamps/products/index.html.

［9］北京森社公司.精密電流互感器CHG－5A產(chǎn)品手冊(cè)2007［EB/OL］.［2011 －12 －18］.http://www.bjsse.com.cn/cn/uploadpic/products/2008828151722562.pdf.