基于MSP430的硬件可控濾波電路設計

司永杰，靳敬磊，谷 佩，牛莉潔，國冬梅

（石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043）

0 引言

早期的諧波檢測都是采用濾波器來實現(xiàn)的，存在著易受干擾、檢測諧波次數(shù)少等缺陷。當軟件FFT（快速傅里葉變換）算法出現(xiàn)后，由于克服了硬件諧波檢測方式的缺陷，因而得到了廣泛應用，目前大部分智能供電系統(tǒng)中諧波檢測和分析都采用該軟件算法實現(xiàn)。但在實際應用中，由于軟件FFT算法需要一個完整基波周期的數(shù)據(jù)，且如需檢測的諧波次數(shù)升高，采樣點必須成倍增加，繼而會產(chǎn)生占用處理器內(nèi)存空間大、數(shù)據(jù)運算時間長、頻譜混疊等問題，這勢必會給CPU增加很大的負荷，甚至有可能影響到控制系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，而換用高性能的處理器必然會增加系統(tǒng)的成本。在實際應用中，我們往往只對某些特定次數(shù)的諧波感興趣，如3次、5次、11次、19次等，并不需要檢測所有的諧波譜，而此時采用硬件濾波電路“挑出”我們感興趣的諧波，就可以克服軟件FFT算法帶來的占用內(nèi)存空間大、數(shù)據(jù)運算時間長等弊端。采用基于有源帶通濾波器（BPF）的可控濾波電路，可直接對相應諧波進行采樣，由于整個諧波檢測過程主要由硬件電路實現(xiàn)，減少了CPU對諧波檢測和分析的工作量，在對諧波進行定性分析時，其檢測精度和穩(wěn)定性能夠滿足實際需要。該系統(tǒng)可采用成本低廉的低端單片機進行控制，也可與其他管理功能共用一個處理器，電路結構簡單，大大降低了成本。

1 系統(tǒng)硬件結構

圖1為系統(tǒng)基本結構框圖。電路主要由MSP430單片機、有源諧波檢測電路、信號調(diào)理電路組成。負載中含有諧波的信號Vi通過由CPU控制中心頻率的有源諧波檢測電路挑出相應的諧波信號V′，再由信號調(diào)理電路將其調(diào)理成0V～3．3V的標準信號Vo供后續(xù)電路（本系統(tǒng)中為 MSP430F149的集成AD12）采集、分析。

圖1 系統(tǒng)基本結構框圖

1．1 主要芯片

MSP430系列單片機是一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。

CD4066是4路雙向模擬開關，控制端輸入高電平時該路導通，輸入低電平時該路關斷，通過單片機提供的控制信號可控制電路的導通與關斷，將不同阻值的電阻接入電路，即可構成不同中心頻率的帶通濾波器，從而可以“挑出”相應次數(shù)的諧波進行檢測。在本設計中CD4066的控制信號由MSP430提供。

1．2 濾波電路

濾波電路是一種只允許某一部分頻率的信號順利通過，而將另一部分頻率的信號濾掉的電路，其作用實質(zhì)上是“選頻”，常用于無線電通信、自動測量和控制系統(tǒng)中對模擬信號的處理。根據(jù)其選頻作用，濾波器可分為低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）和帶阻濾波器（BEF）。

由于無源濾波器電壓放大倍數(shù)低，帶負載能力差，故濾波電路采用一階有源帶通濾波器。其主要參數(shù)有中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和通帶寬度B。在設計應用于電力系統(tǒng)的帶通濾波器時，由于諧波頻率較為固定，相鄰諧波間一般沒有其他頻率的信號，因而對帶通濾波器的參數(shù)要求相對較寬松，Q值可以設的比較高，帶寬變窄，濾波器對諧波的分辨能力強。圖2為帶通濾波器幅頻特性。理想狀況下在下限截止頻率f1和上限截止頻率f2處諧波的幅值應該變?yōu)?，但實際應用中往往會有一些通頻帶以外的諧波信號通過濾波器。實驗證明，帶通濾波器中50Hz的基波電流大約有8%的通過率，盡管已有較大衰減，但由于電力系統(tǒng)所有諧波信號中基波信號比重很大，其對所檢測諧波信號的影響也最大，為減小基波干擾，可以考慮在濾波器信號輸出端接一個針對基波信號的簡易基波抑制電路（硬件解決方案）。

圖2 帶通濾波器幅頻特性

圖3為經(jīng)典的一階有源帶通濾波電路，由RC元件與運算放大器UA741組成，左邊的UA741接成電壓跟隨器電路，可以保證被采集的信號不受干擾；右邊的UA741及其周圍的RC組成一個有源帶通濾波器（BPF），其功能是只允許符合被檢測條件的諧波信號通過，抑制或急劇衰減通頻帶以外頻率的諧波信號。被采集的信號Vi從輸入端進入濾波電路，理論上只有符合被檢測頻率的信號V′從電路右端輸出，其他頻率的信號均被過濾掉，這樣就“挑”出了我們所需的諧波信號。電阻Rx使用可調(diào)變阻器，可以對被檢測的諧波頻率進行微調(diào)。

1．3 可控濾波電路設計

可控濾波電路設計的關鍵在于首先能夠?qū)Χ鄠€不同頻率的諧波信號分別進行檢測，其次是能夠?qū)@些諧波信號進行循環(huán)檢測。由圖3可知，通過改變電阻Rx、Ra和Rb的阻值即可改變?yōu)V波器的中心頻率，且這3個電阻的阻值大致相同。下面以該電路在高校公寓智能供電系統(tǒng)中的應用為例來介紹其工作原理。

圖3 經(jīng)典的一階有源帶通濾波電路

在高校公寓智能供電系統(tǒng)中，由半波對稱特性可知偶次諧波可以被抵消，而高次諧波對電路的影響又比較小，故只設置了對3次、5次、7次、9次諧波的可控檢測。圖4為可控濾波電路，是在圖3的電路中接入了3個模擬開關CD4066和若干不同阻值的電阻。電阻Rx、Ra、Rb分別設計為4組不同阻值的電阻，Rx對應Rx1、Rx2、Rx3、Rx4；Ra對應Ra1、Ra2、Ra3、Ra4；Rb對應Rb1、Rb2、Rb3、Rb4。其中Rx1、Ra1、Rb1這3個電阻為一組，由同一個單片機信號控制，同時導通或關斷。Rx2、Ra2、Rb2為第二組電阻，Rx3、Ra3、Rb3為第三組電阻，Rx4、Ra4、Rb4為第4組電阻，每一組中的3個電阻均同時導通或關斷。MSP430給CD4066發(fā)送控制信號，控制4組電阻中的某一組導通，且同一時刻僅允許有一組電阻導通。當?shù)谝唤M電阻導通時，電路檢測的是3次諧波；當?shù)诙M電阻導通時，電路檢測的是5次諧波；當?shù)谌M電阻導通時，電路檢測的是7次諧波；當?shù)谒慕M電阻導通時，電路檢測的是9次諧波。

確定每一組電阻中的電阻值，也是電路設計的一個關鍵。高校公寓中所用市電電壓為220V，頻率為50Hz，故3次、5次、7次、9次諧波的頻率分別為150 Hz、250Hz、350Hz和450Hz。由帶通濾波器的中心頻率計算公式可以分別計算出檢測3次、5次、7次、9次諧波時Rx、Ra、Rb的電阻值。經(jīng)計算得到的4組電阻值為：Rx1＝Ra1＝Rb1＝10．6kΩ；Rx2＝Ra2＝Rb2＝6．37kΩ；Rx3＝Ra3＝Rb3＝4．55kΩ；Rx4＝Ra4＝Rb4＝3．54kΩ。

在實際應用中，由于CD4066芯片存在內(nèi)阻以及其他干擾因素，直接采用計算所得電阻值進行濾波效果并不理想，需要對電阻值的大小進行適當微調(diào)。通過單片機向模擬開關CD4066發(fā)送控制信號控制某一路電阻的通斷即可檢測待測信號中是否存在3次、5次、7次、9次中的任意次諧波，也可對這4種諧波信號進行循環(huán)檢測。如需檢測其他次數(shù)的諧波或者對更多路不同的諧波進行循環(huán)檢測時，只需改變電阻Rx、Ra和Rb的阻值、增設CD4066芯片即可。如果需要檢測的諧波次數(shù)比較多，也可考慮使用數(shù)控電位器來實現(xiàn)。

圖4 可控濾波電路

2 結果分析

當可控濾波電路的第一組電阻Rx1、Ra1、Rb1導通時，檢測的是3次諧波，其中心頻率為150Hz。由電路輸入端輸入一個頻率為150Hz、幅值為5V的正弦波信號時，輸出信號的幅值為3．66V。保持輸入信號的幅值不變，改變其頻率，輸出信號的幅值變化情況見表1。

表1 輸入不同頻率信號時輸出信號的幅值變化

由表1可以得出以下結論：①輸入信號的頻率是150Hz時，輸出信號的幅值最大，為3．66V；②在頻率為150Hz的輸入信號兩側，輸出信號的幅值急劇衰減；③輸入信號的頻率小于130Hz或大于170Hz時，輸出信號的電壓已經(jīng)很微弱，基本符合圖2中帶通濾波器的幅頻特性，且其通帶寬度大約是40Hz；④只有3次諧波可以順利通過該電路，實現(xiàn)了對3次諧波的檢測。

用單片機控制其他3組電阻導通，分別對5次、7次、9次諧波進行相同的實驗，得到的結果類似。

3 結束語

電路的可控諧波檢測功能主要由硬件電路實現(xiàn)，其組成也只有幾個小器件和電容電阻，設計簡單，成本低廉。在高校智能測控管理系統(tǒng)中采用此設計能夠很大程度上減小CPU的負荷，提高測控管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電路運行非常穩(wěn)定、可靠，其檢測結果作為定性分析能夠滿足實際需要，移植性好，可廣泛應用于多種不同場合，具有很大的推廣價值。

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