適應(yīng)DSP 系統(tǒng)的可重構(gòu)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

焦 鍵，鄭雪嬌

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，重慶 402160)

電力電子系統(tǒng)中各種設(shè)備工況參數(shù)的監(jiān)控，一直是工程師們關(guān)注的問題［1，2］，因此系統(tǒng)中信息的采集非常重要。DSP 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應(yīng)用廣泛的嵌入式系統(tǒng)，具有準(zhǔn)確、可靠、通用等特性，在電力電子實(shí)時(shí)監(jiān)控中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要部分，它決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固定轉(zhuǎn)換速率下的分辨率。電力電子系統(tǒng)提供的電壓和電流信號(hào)必須滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中ADC 輸入信號(hào)的范圍要求。由于系統(tǒng)中存在多種類型的被測(cè)信號(hào)，而通常DSP 中ADC 均由低電壓(3.3 V)驅(qū)動(dòng)，為了滿足ADC輸入信號(hào)的條件，信號(hào)調(diào)理成為一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。

本文提出了一種可重構(gòu)信號(hào)調(diào)理電路，可根據(jù)輸入信號(hào)的特性及實(shí)際應(yīng)用選取相應(yīng)的功能模塊。該電路與文獻(xiàn)［4，5］中的調(diào)理電路相比，主要優(yōu)勢(shì)是低功耗、高兼容，可重配置等。

1 電路設(shè)計(jì)與規(guī)范

調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號(hào)，使其適合于ADC的輸入。由于被監(jiān)控系統(tǒng)中的信號(hào)可能存在高壓，過流，浪涌等，不能被采集系統(tǒng)正確識(shí)別，因此設(shè)計(jì)中考慮衰減、隔離、抗混濾波、電平位移、限幅五個(gè)電路模塊。

衰減器主要用來降低輸入信號(hào)的幅度;隔離器在電壓瞬變或地環(huán)流干擾的情況下為電路提供保護(hù);抗混濾波器通過限制帶寬來防止混疊，以便準(zhǔn)確地對(duì)信號(hào)采樣;直流電平位移器能夠使交流信號(hào)獲得足夠的位移;限幅器防止A/D 轉(zhuǎn)換器過壓飽和。

電力電子(如逆變器、DC/DC 變換器、智能電表、電能等)不同應(yīng)用系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中，根據(jù)需求分析，電路需完成的功能可歸納為以下四種:

1)衰減－隔離－抗混濾波－直流電平位移－限幅;

2)衰減－抗混濾波－直流電平位移－限幅;

3)衰減－直流電平位移－限幅;

20世紀(jì)70年代至80年代，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和通訊等技術(shù)的提升促進(jìn)了圖書館自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷完善［5］，集成了包括采訪、編目、流通等在內(nèi)的主要功能，逐漸形成圖書館集成管理系統(tǒng)［6］。Sirsi、Dynix、ExLibris、Innovation Interface Inc．等眾多知名圖書館系統(tǒng)軟件供應(yīng)廠商在這個(gè)時(shí)期成立。

4)衰減－隔離－直流電平位移－限幅;

為了適應(yīng)不同的輸入信號(hào)，保證靈活的電路配置，可依據(jù)輸入信號(hào)的特性來“激活”電路結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖1 所示。

1.1 衰減器

對(duì)于DSP 0～5 V 的輸入電壓范圍(DSP 輸入電壓的絕對(duì)最大額定值)，設(shè)計(jì)中采用反相放大器(OPA690)來實(shí)現(xiàn)衰減。IC1 主要進(jìn)行反相比例放大，而IC2 主要起著反相的作用。這里通過S1來選取兩種可能的衰減方式，如圖2 所示。當(dāng)±5 V 信號(hào)輸入時(shí)，衰減器的衰減系數(shù)為:

當(dāng)±15 V 信號(hào)輸入時(shí)，首先使用R1和R3構(gòu)成一個(gè)分壓器，電阻R1=R2=R3=1 kΩ。經(jīng)分壓后將其連接到反相比例放大器的輸入端，則衰減系數(shù)為:

R4為可調(diào)電阻，只要選擇合適的阻值，即可滿足G ＜1，達(dá)到衰減的目的。

1.2 隔離放大器

ISO122JP 是一個(gè)帶有調(diào)制解調(diào)技術(shù)的精密隔離放大器，工作時(shí)不需要其他外部元件，使用非常方便。它的主要特點(diǎn)是最大0.020%非線性、50 kHz 的信號(hào)帶寬，200 μV/°C的電壓漂移。供電范圍為±4.5 V～±18 V，VS1 與VS2 引腳的靜態(tài)電流分別為±5.0 mA 和±5.5 mA。因此，本設(shè)計(jì)中衰減器的輸出信號(hào)使用隔離放大器ISO122JP 進(jìn)行電氣隔離。它的電源由兩個(gè)獨(dú)立的DC/DC 轉(zhuǎn)換器TEL 2－0521 提供，輸入電壓范圍是4.5 V～9 V，輸出電壓為±5 V。

圖1 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

1.3 抗混濾波器

考慮輸入信號(hào)中可能會(huì)夾雜不同的頻率成分，導(dǎo)致高頻信號(hào)疊加到低頻段。為了防止混疊，設(shè)計(jì)中使用一個(gè)八階巴特沃斯開關(guān)電容低通濾波器，利用一個(gè)外部開關(guān)電容來選擇截止頻率(通過改變時(shí)鐘頻率來改變截止頻率)。電容根據(jù)以下公式計(jì)算:

其中，fc表示截止頻率。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，5 kHz 和10 kHz 的截止頻率足夠完成電力線信號(hào)采樣，從而進(jìn)行在線電壓與電流畸變分析(諧波和間諧波);15 kHz 和25 kHz 的截止頻率足夠?qū)δ孀兤鬟M(jìn)行信號(hào)采樣;50 kHz 的截止頻率也足夠從典型的DC/DC 轉(zhuǎn)換器對(duì)電感電流進(jìn)行采樣。針對(duì)上述系統(tǒng)的應(yīng)用，這里選擇五個(gè)常用的截止頻率，即5 kHz，10 kHz，15 kHz，25 kHz 及50 kHz，通過五個(gè)板載電容的跳線來選取。

1.4 直流電平位移

DSP 的ADC 模擬輸入范圍一般滿足以下條件［7］:

其中，Vin是ADC 的輸入電壓，VDDA是DSP 的電源電壓。

對(duì)于雙極性模擬信號(hào)，為了滿足ADC 輸入的要求，必須產(chǎn)生VDDA/2 的電壓位移。

本設(shè)計(jì)中采用加法器來完成電壓正向位移。TI－ DSP 2000 系列常應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)，其內(nèi)部ADC 輸入電壓范圍通常為0～3 V［7］(建議運(yùn)行條件)，為了滿足這個(gè)條件，使用一個(gè)+1.5 V 的位移電壓輸入到同相加法器的輸入端，如圖1 所示。

1.5 限幅器

由于在電壓產(chǎn)生位移后，模擬輸入仍可能出現(xiàn)負(fù)的壓值，當(dāng)啟動(dòng)外部基準(zhǔn)時(shí)，基準(zhǔn)電壓將消失或采樣不正確。因此，有必要加入限幅環(huán)節(jié)，用來保證ADC 的安全輸入范圍。例如，TMS320F2812(DSP)的ADC 輸入電壓范圍為0～3 V，電源電壓VDDA為3.3 V。電壓若高于VDDA+0.3 V 或低于VSS－0.3V，將其應(yīng)用到一個(gè)模擬輸入引腳上，可能暫時(shí)會(huì)影響其他引腳的轉(zhuǎn)換。為了避免這種情況，這里采用雙向限幅器使模擬輸入保持在這些限值內(nèi)。如果輸入滿足0≤Vi≤3 V，則D1 和D2 均不導(dǎo)通，輸出電壓跟隨輸入，即Vi=Vo。

2 電路實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

根據(jù)原理圖，制作實(shí)際電路。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，首先通過仿真得到了電路的頻率響應(yīng)。由于設(shè)計(jì)中考慮了五個(gè)截止頻率范圍，因此這里使用Tek AFG3022B 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(雙通道，正弦波1 μHz～25 MHz，任意波1 mHz～12.5 MHz，幅度20 mVP－P～20VP－P，采樣率250 MS/s)產(chǎn)生一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)，進(jìn)行1 Hz～500 kHz 的線性頻率掃描。同時(shí)利用NI CompactRIO 采集板上的2 個(gè)16 位ADC 去獲取設(shè)計(jì)電路的輸入和輸出。理論選擇的截止頻率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 理論和實(shí)驗(yàn)截止頻率比較

可以看出，實(shí)驗(yàn)值接近理論值。由于電容器和其它誤差的容許值引起了較小的偏差。5 kHz 和50 kHz 的截止頻率對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)如圖2 所示，中間截止頻率的頻率響應(yīng)圖略。

在截止頻率之前，頻率響應(yīng)基本上是平直的，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。接下來進(jìn)行電路運(yùn)行工況的測(cè)試。輸入一個(gè)20.01 kHz，4.440VP－P的正弦信號(hào)，測(cè)量衰減器及整個(gè)電路的輸出。測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖2 頻率響應(yīng)(fc=5 kHz 與fc=50 kHz)

圖3 電路運(yùn)行工況的測(cè)試

CH2 即為衰減后的信號(hào)，衰減系數(shù)約為0.9。同時(shí)信號(hào)產(chǎn)生微弱的相移，這是由于反相比例放大器的緩沖作用導(dǎo)致。CH3 為整個(gè)電路的輸出信號(hào)，經(jīng)過1.5 V 直流電壓位移，雙極性輸入信號(hào)變換為單極性，同時(shí)由于抗混濾波器的作用，相位偏移較大。經(jīng)調(diào)理后，輸出信號(hào)基本能夠滿足ADC 輸入信號(hào)范圍要求。

最后，通過實(shí)際生活中的一個(gè)非正弦交流信號(hào)對(duì)電路的性能進(jìn)行檢測(cè)。這里使用電吹風(fēng)(額定輸入功率800 W，額定電壓220 V)來產(chǎn)生該交流信號(hào)。為了分析和比較，不僅需要單獨(dú)測(cè)量電吹風(fēng)的輸入電流，同時(shí)還需測(cè)量利用電路調(diào)理的輸出電流。前者采用霍爾傳感器LEM LA55－P 測(cè)量，后者采用Tektronix AC/DC 電流探針A622(輸出100 mV/A)測(cè)量。圖4 將測(cè)量的輸入信號(hào)與調(diào)理輸出信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比。

顯然，調(diào)理后的信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)的波形相似，基本上沒有發(fā)生失真。而調(diào)理電路能夠較好地完成衰減、電平位移等功能，使信號(hào)控制在0～3 V 的范圍。

為了評(píng)估限幅器，在電吹風(fēng)的信號(hào)中加入干擾，如圖5所示。

由于干擾的影響，產(chǎn)生了一部分功耗。同時(shí)可觀測(cè)到，調(diào)理電路限制了輸出信號(hào)，從而避免了ADC 飽和。

圖4 測(cè)量信號(hào)與調(diào)理信號(hào)

圖5 干擾情況下測(cè)量信號(hào)與調(diào)理信號(hào)

3 結(jié)論

本文針對(duì)DSP 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出一種可重構(gòu)的信號(hào)調(diào)理電路。通過對(duì)電力電子系統(tǒng)的信號(hào)類型的分析，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的處理模塊。該電路使用成品器件，具有高精度、低功耗等特點(diǎn)。通過仿真及實(shí)測(cè)驗(yàn)證，該電路能有效衰減高達(dá)±15 V的信號(hào)，并且可重構(gòu)抗混疊濾波器，可有效篩選超過5 kHz、10 kHz、15 kHz、25 kHz 及50 kHz 的頻率信號(hào)，調(diào)理電路使信號(hào)輸出限制在0～3 V 之間，任何一個(gè)處理模塊都可選擇性地應(yīng)用于DSP 系統(tǒng)，技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了要求。

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