多通道便攜式城市軌道電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

朱航昕 劉雪晴 向悅萍 陳 曦 張翔宇（西南交通大學(xué)，四川 成都 611756）

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多通道便攜式城市軌道電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

朱航昕 劉雪晴 向悅萍 陳 曦 張翔宇
（西南交通大學(xué)，四川 成都 611756）

摘 要：隨著城市軌道交通的大力發(fā)展，大量的電力參數(shù)需要及時(shí)采樣處理。為此我們研制多通道便攜式城市軌道電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)八通道電壓、八通道電流的同步測量。調(diào)理板主要由基于LF353的電壓跟隨器、電壓電流通道組成。電壓通道的設(shè)計(jì)以MAX275為核心，進(jìn)行四階低通濾波，并兼有放大信號的功能。電流通道以INA128為核心，低功耗、精度高，且放大倍數(shù)設(shè)置簡單。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)；LF353；MAX275；INA128

0. 引言

為貫徹“一路一帶”的發(fā)展方針，城市軌道交通相繼發(fā)展，相關(guān)技術(shù)與軌道交通產(chǎn)品隨之出現(xiàn)，鐵路軌道上信號的采集處理分析顯得尤為重要。鐵路軌道系統(tǒng)是由高壓電網(wǎng)組成，對其軌道上信號的采集分析更加有助于了解實(shí)時(shí)的信號情況并隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。我們所研制的多通道便攜式城市軌道電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)不僅能對城市軌道交通的電能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣分析，還實(shí)現(xiàn)了多通道，即由八路電壓通道、八路流通道進(jìn)行同步測量，能夠方便迅速的采集多路信息，更多的節(jié)約時(shí)間。

1. 正文

多通道便攜式城市軌道電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是通過電壓傳感器和電流鉗將測試箱與軌道連接，再將測試箱與電腦進(jìn)行通信，最終得出電能參數(shù)的裝置。其中硬件部分是由傳感器、調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成。

1.1 傳感器部分

系統(tǒng)首先分別用電壓傳感器和電流傳感器將電壓和電流信號轉(zhuǎn)換成調(diào)理板所能處理的電力信號，實(shí)現(xiàn)對電力信號進(jìn)行精確地采集和傳遞。電壓傳感器通常使用Vps2000探頭，其內(nèi)置電阻為99M，將電壓跟隨器輸入端的接地電阻設(shè)為1M，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使輸入信號在進(jìn)入電壓跟隨器之前實(shí)現(xiàn)100倍的衰減。這樣能有效防止大電壓或大電流對調(diào)理板的損壞，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及使用壽命。

1.2 調(diào)理板

1.2.1 電壓跟隨器

電壓跟隨器以LF353為核心構(gòu)成，在調(diào)理板電壓通道的最前端，每個(gè)LF353芯片可以同時(shí)供兩個(gè)電壓通道使用，8路電壓通道共需要4片LF353。電壓跟隨器起到阻抗變換的作用，可以提高輸入阻抗，減少輸出阻抗，減少對輸入信號的影響，穩(wěn)定輸入信號。

1.2.2 電壓信號的處理

軌道電力信號中往往含有高次諧波，所以在信號分析時(shí)需要把一部分高次諧波濾掉，留下幅值較高、影響較大的較高次諧波，這就需要濾波器的參與。因傳統(tǒng)有源濾波器由運(yùn)放、電阻、電容組成，由于電路結(jié)構(gòu)和分布參數(shù)的限制，很難設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的濾波器。為此提出了一種通用有源濾波器設(shè)計(jì)方法，以MAX275為核心，不需外接時(shí)鐘信號，可方便靈活地設(shè)計(jì)各種濾波器，實(shí)現(xiàn)2階、4階、6階、8階低通帶通濾波功能。

MAX275能夠從復(fù)雜的干擾中提取特定頻率的信號，也能對一些信號進(jìn)行波形變換。它所達(dá)到的高精度是日常所設(shè)計(jì)的有源濾波器所無法做到的，而且實(shí)現(xiàn)非常簡單。中心（截止）頻率F0、品質(zhì)因數(shù)Q值以及放大倍數(shù)的設(shè)計(jì)只需改變外圍的4個(gè)電阻就能夠完成。

對于低通電壓濾波器，可以按照以下步驟設(shè)計(jì)：

在本設(shè)計(jì)中，截止頻率選在5000Hz，放大倍數(shù)HOLP=1，令FCA、FCB引腳接地，即Q=0.707，并代入上式即可算出電阻值，R1=80.6kΩ，R2=400kΩ，R3=56.2kΩ，R4=395kΩ。然后將兩個(gè)濾波單元級聯(lián)，構(gòu)成四階濾波器，為了對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，我們使用Multisim對max275進(jìn)行了仿真，信號源為10V，觀察其對頻率的響應(yīng)，驗(yàn)證其濾波效果。

通過幅頻特性曲線可知，當(dāng)幅度下降約3分貝時(shí)，頻率大約為5.009kHz，與設(shè)置的截止頻率十分相近。這就說明MAX275的工作特性良好，精度高，同時(shí)阻值的選取也較為合適。

1.2.3 電流信號的處理

電流信號的處理是以INA128芯片為核心構(gòu)成的。INA128是一種通用儀用放大器，尺寸小、精度高、功耗低，可用于電橋、熱電偶、數(shù)據(jù)采集、RTD傳感器和醫(yī)療儀器等。同時(shí)，INA128只需一個(gè)外部電阻就可以設(shè)置1～10000之間的任意增益值，使芯片的應(yīng)用更加的方便。而選取其作為電流信號的核心處理芯片，主要還看中了其可輸入模擬信號的范圍很寬。

其電源電壓可從±2.25V到±18V變化，輸入模擬信號可在±40V之間，且在此范圍內(nèi)大部分參數(shù)仍能維持很好的性能。在城市軌道供電系統(tǒng)中，電壓大小相對確定，而電流大小卻可能出現(xiàn)較大浮動(dòng)，所以選取可輸入模擬電壓范圍寬的INA128芯片，能大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止電路燒毀。

此放大電路的放大倍數(shù)設(shè)為1.5，則根據(jù)放大倍數(shù)G=1+50kΩ/RG，可得RG=100kΩ。通過Multisim進(jìn)行仿真，由波特圖可知，當(dāng)RG=100kΩ時(shí)，增益為3.522dB，換算為放大倍數(shù)是1.5倍，所以INA128是相當(dāng)精確地。

1.2.4 繪制PCB板及做出實(shí)物

為了能夠使體積盡可能小，我們采用了四層板的畫法。四層板將電源線和地線單獨(dú)放在兩層，電源層和地線層能夠緊密耦合。同時(shí)，每個(gè)信號層都與內(nèi)電層直接相鄰，與其他信號層均有有效的隔離，使信號層之間基本上不發(fā)生串?dāng)_。

最終做出的實(shí)物如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡，簡稱采卡，是信號處理進(jìn)入計(jì)算機(jī)之前的最后一道工序，實(shí)現(xiàn)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。系統(tǒng)的采卡以DSP單片機(jī)為處理器，能夠高效精確地對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體構(gòu)成本文不再詳述。

結(jié)論

本文提出了一種基于MAX275和INA128的信號采集和調(diào)理系統(tǒng)。通過仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，滿足城市軌道電能信號監(jiān)測系統(tǒng)的要求，可應(yīng)用于通信、測量、信號處理、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制等領(lǐng)域中。綜上所述，多通道便攜式城市軌道電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究對于城市軌道的安全運(yùn)營有重要意義，能夠促進(jìn)城市軌道的又好又快的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TM715

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