各种电压电流采样电路的设计

0 常用采样电路常用采样电路设计方案比较设计方案比较 配电网静态同步补偿器 DSTATCOM 系统总体硬件结构框图如图2 1所 示 由图2 1可知DSTATCOM的系统硬件大致可以分成三部分 即主电路部分 控制电路部分 以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路 其中采样 电路包括3路交流电压 6路交流电流 2路直流电压和2路直流电流 电网电压 同步信号 3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号 6路交流电流采样 电路分别为电网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号 2路直流电压和 2路直流电流的采样电路DSTATCOM的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流 信号 电网电压同步信号采样电路即电网电压同步信号 信号调 理 TMS320 LF2407A DSP 键盘显示 电路 电压电 流信号 驱动 电路 保护 电路 控制电路 检测与驱动 电路 主电路 图 2 1 DSTATCOM 系统总体硬件结构框图 1 1 常用电网电压同步采样电路及其常用电网电压同步采样电路及其特点特点 1 1 1 常用电网电压采样电路常用电网电压采样电路 1 从 D STATCOM 的工作原理可知 当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢 量幅值大小相等 方向相同时 连接电抗器内没有电流流动 而 D STATCOM 工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制 因此 逆变 器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考 的 因此 系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要 1 1 2 3 4 5 6 7 8 U LM311 12 A 4069 12 A 4069 15pF C4 15pF C5 12v 5v XINT2 12V Ua 10K R7 1K R5 10K R6 图 2 2 同步信号产生电路 1 从图 2 2 所示同步电路由三部分组成 第一部分是由电阻 电容组成的 RC 滤 波环节 为减小系统与电网的相位误差 该滤波环节的时间常数应远小于系统 的输出频率 即该误差可忽略不计 其中R5 1 C4 15pF 则时间常数K l ms 因此符合设计要求 第二部分由电压比较器 LM311 构成 实现过零比较 第三部分为上拉箝位电路 之后再经过两个非门 以增强驱动能力 满足 TMS320LF2407 的输入信号要求 1 1 1 2 常用电网电压采样电路常用电网电压采样电路 2 常用电网电压同步信号采样电路 2 如图 2 3 所示 ADMC401 芯片的脉宽调 制 PWM 发生器有专门的 PWMSYNC 引脚 它产生与开关频率同步的脉宽调制 PWM 的同步脉冲信号 2 3 1 84 A U TLP521 CX RX 14 CLR 13 Q 9 Q 10 A 12 B 11 MC14538 R13 VCC R14 C VCC VCC 15V R11 R10R9 R7 R6R5 R8 Port 15V R12 图 2 3 同步信号发生电路 2 2 图 2 3 中的输入端信号取自 a 相的检测电压 经过过零检测电路后得到正负两 个电平 随后进入光电隔离 TLP521 产生高电平和低电平进入 D 触发器 MC14538 的正的触发使能输入引脚 A 当 A 为高电平时 输出引脚 Q 输出一个 脉冲 这个脉冲宽度由电阻 Rl 和电容 C 决定 当然这里希望脉冲宽度越小越 好 否则将影响 STATCOM 的输出电压与其接入点电压的同步 与此同时 可 以通过设置 ADMC401 的内部寄存器 PWMSYNCWT 寄存器与信号脉冲相匹配 2 1 1 3 常用电网电压采样电路常用电网电压采样电路 3 电网电压同步电路可以实现精确的过零点检测 并输出高电平 将输出信 号脉冲的上升沿输入捕获单元三即可获得同步信号 3 图2 4即为一种常见的电 网电压同步信号产生电路 T1 3 3V R6 CAP3 2 3 1 84 A U2A LF353 2 3 1 84 A U1A LF353 R2 R5 R4 R3 12V 12V R1 Port 图 2 4 同步信号产生电路 3 图 2 4 所示同步电路由三部分组成 第一部分是由电阻 滑线变阻器和电 压比较器 LM353 组成的缓冲环节 第二部分由电压比较器 LM353 构成 实现 过零比较 最后一部分为输入 DSP 系统箝位保护电路 3 1 1 4 常用电网电压采样电路常用电网电压采样电路 4 常用网电压同步信号产生电路 4 如图 2 5 所示 3 1 2 3 4 5 6 7 8 LM3112 3 1 411 1 LM124 0 1uF C202 1K R2 Port 1K R3 1M R5 VDD VEE 0 1uF C7 1K R4 0 1uF C8 10K R6 3 3V Port 图 2 5 同步信号产生电路 4 图 2 5 所示同步电路由两部分组成 第一部分是由电阻 电容组成的 RC 滤波 环节 为减小系统与电网的相位误差 该环节主要是滤除电网的毛刺干扰 滤 波电路造成的延时可在程序中补偿 第二部分由电压比较器 LM311 构成 实现 过零比较 同时设计了一个滞环环节来抑制干扰和信号的震荡 4 1 1 5 常用电网电压采样电路常用电网电压采样电路 5 图 2 6 所示同步电路由三部分组成 第一部分是由电阻 电容组成的 RC 滤波环节 为减小系统与电网的相位误差 该滤波环节主要是滤除电网的谐波 干扰 滤波电路造成的延时可在程序中补偿起来 其中凡 R341 1 C341 0 luF 第二部分由电压比较器 LM3ll 构成 实现过零比较 同时设计K 了一个滞环来抑制干扰和信号的振荡 2 2 3 1 411 A LM124 12V 12V 0 1uF C341 1K R341 INT 470 R342 1 2 3 4 5 6 7 8 LM311 12V 12V 1K R344 1K R345 10K R346 3 3V OUT 图 2 6 同步信号产生电路 5 4 1 2 常用交流电压采样电路常用交流电压采样电路及其特点及其特点 1 2 1 常用交流电压采样电路常用交流电压采样电路 1 为了实现对 STATCOM 的控制 必须要检测三相瞬时电压 Ua Ub和 Uc 如下图 2 7 为电路一相电压采样电路 a 电压转换电路 CHV 50P 15V 15V C C com Ua R1 TVS1 R1 R1 R2 R3 C1 C2 Uo 电压转换电路滤波补偿电路 图 2 7 交流电压采样电路图 电压转换电路通过霍尔电压传感器 CHV 50P 实现 CHV 50P 型电压传感 器输出端与原边电路是电隔离的 可测量直流 交流和脉动电压或小电流 磁 补偿式测量 过载能力强 性能稳定可靠 易于安装 用于电压测量时 传感 器通过与模块原边电路串联的电阻 Ru1与被测量电路并联连接 输出电流正比 于原边电压 上图电压转换电路为 a 为单相电压转换电路 这里对电阻 Ru1和 电阻 Ru2的选择作一些说明 由于 CHV 50P 的输入额定电流 In1为 10mA 本电路检测的电压是 220V 的 交流电压 则 2 1 u1 n1 U220V R 2 2K I10mA 电阻 Ru1消耗的功率 P1为 2 2 11 220 102 2 n PUImAW 因此电阻 Ru1选择阻值为 2 2 k 功率为 5W 的大功率电阻 另外为了抑制共 模干扰 在交流输入侧并联了两个电容 C 当然为了更好地消除这些干扰 可 5 以在电压变换电路之前再加隔离变压器 那么电阻 Ru1的选择就要对应于经过 隔离变压器后电压的改变而改变 由于 CHV 50P 的输入额定电流 In2为 50mA 为了 ADMC40l 的 A D 转换 通道检测 必须把输出电流转换为电压 所以在电压传感器的输出侧串联了电 阻 Ru2 ADMC401 的 A D 转换通道检测电压范围 2V 2V 则 2 3 u2 2V R 40 50mA 由于电阻 Ru2消耗功率比较小 电阻 Ru2选择上对功率没有特殊的要求 b 滤波补偿电路 由于电压电流的检测点就是 STATCOM 接入电网的同一点 其谐波干扰还 是比较大的滤波补偿电路 那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入 了滤波补偿电路包含两部分 一部分为 RC 滤波 另一部分为相位补偿 如图上 图中所示 5 1 2 2 常用交流电压采样电路常用交流电压采样电路 2 此三相电压采样电路包括信号放大电路 二阶滤波电路 单极性转换电路 a 信号放大电路 交流信号放大电路见图 2 8 所示 本设计采用的互感器为国内最新的高精 度电压互感器 SPT204A 其中 SPT204A 实际上是一款毫安级精密电压互感器 输入额定电流为 2mA 额定输出电流为 2mA 线性范围 10mA 非线性度 0 1 相移经过补偿后小于 5 SCT254AZ 是一款毫安级精密电流互感器 输入额定电流为 5A 额定输出电流为 2 5mA 线性范围 0 20A 非线性度小于 0 1 相移经过补偿后小于 5 由于该电压传感器采用的为 1 1 电流变电流型 所以要在电压互感器前面加 R1 将电压信号转变为电流信号 而电流互感器就 不需要加电阻 R1 这样电压互感器副边输出为电流信号 这与电流互感器副边 输出信号相似 交流信号放大电路工作原理可由下式表示 2 4 通过 R2将传感器输出的电流信号转变为电压信号 6 2 3 1 411 A TL084 C1 104 5V C6 104 R3 D1 D2 5V 5V 5V Ui Ui SPT204A PTI Io2 Io1 Va R1 100K 1 2 图 2 8 信号放大电路 b 二阶滤波电路 图 2 9 为二阶滤波电路 截至频率为 2 5KHz 2 3 1 411 A TL084 C3 103 R4 360 C2 104 3 9KR91KR7 U1 f 2 5kHz 图 2 9 二阶滤波电路 c 单极性转换电路 由于设计采用的 DSP 自带的 AD 其采样要求输入信号为 0 3 3V 故接入 其引脚的信号电压也不能超过 3 3V 所以必须对放大电路给出的双极性信号做进 一步处理 单极性转换电路如下图 2 10 所示 6 7 2 3 1 411 A TL084 C5 103 3K R10 3 9KR91KR7 10K R21C4 103 20K R6 20K R8 1 25V 图 2 10 单极性转换电路 1 2 3 常用交流电压采样电路常用交流电压采样电路 3 交流电压变送器以0 5 V的交流电压作为输出信号 因TMS320F2812的 A D输入信号范围为0 3 V 因此必须添加合适的调理电路以满足A D输入的要 求 交流电压调理电路见图2 11 由图可知该电路由3部分组成 第1部分为射 极跟随器 以提高电路的输入阻抗 第2部分是电压偏移电路 第3部分为箝位 限幅电路 以保证输出电压信号在0 3 V 满足TMS320F2812的A D输入信号 范围 7 2 3 1 411 A 2 3 1 411 A C1 15V 15V R1 R3 R2 R4 VCC 15V 15V VCC ADC 互互互互 图2 11 交流电压信号调理电路 8 1 2 4 常用交流电压采样电路常用交流电压采样电路 4 系统电压经过相应的传感器后 统一变换为适当幅值的电压信号 经调理 电路后 进行A D转换 图2 12为采样电路原理图 2 3 1 84 A A LF353116 10K R131 0 01uF C101 VCC VEE 116 10K R132 116 10K R133 116 10K R134 116 1K R125 V3 3 0 01uF C108 AD 2 3 1 411 A LF353 3 3V 图2 12 系统电压的采样电路 从图2 12可知 系统输出电压的采样电路由四部分组成 第一部分是由 LF353的运放构成的电压跟随器 R131和C109是为了抑制干扰 第二部分为电平 抬升电路 将围绕零电平波动的信号提升为单极性信号 第三部分进行跟随 第四部分为进入A D前的保护部分 防止信号异常导致DSP芯片损坏 4 1 2 5 常用交流电压采样电路常用交流电压采样电路 5 相电压检测电路如图2 13所示 该电路采用了运算放大器加电压跟随器的 方式 电压跟随器起到了隔离作用 以便在A D入口前进行阻抗匹配 在A D入 口端采用二极管钳位 防止A D输入电压越界 来自检测通道的电压互感器的 电流号经运算放大器转换为电压信号后经电压平移后将交流量信号转换为 0 3 3V的单极性电压信号接入DSP的A D通道引脚 8 9 2 3 1 84 A 2 3 1 84 A 2 3 1 84 A 12V 12V D1 D2 C2 R6 Port 3 3V R5 R4 3 3V R3 R8 12V 12V R2 C1 PT R3 V V R7 图2 13 相电压采样电路 1 3 常用交流电流采样电路常用交流电流采样电路及其特点及其特点 1 3 1 常见交流电流采样电路常见交流电流采样电路 1 a 电流转换电路 图 2 14 电流转换电路 其中 CT 为霍尔电流传感器 DT50 P 它的性能也稳 定可靠 易于安装 如何选择电阻 R 比较简单 可以参考上面交流电压转换电 路 这里就不再赘述 DT 50P 15V 15V R1 TVS1 R1 R1 R2 R3 C1 C2 Io 电流转换电路滤波补偿电路 图 2 14 交流信号采样电路 10 DT 50P 15V 15V 图 2 15 电流转换电路 b 滤波补偿电路 由于电压电流的检测点就是 STATCOM 接入电网的同一点 其谐波干扰还 是比较大的滤波补偿电路 那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入 了滤波补偿电路包含两部分 一部分为 RC 滤波 另一部分为相位补偿 如图 2 16 所示 5 R1 TVS1 R1 R1 R2 R3 C1 C2 Io 图 2 16 滤波补偿电路 1 3 2 常见交流电流采样电路常见交流电流采样电路 2 a 信号放大电路 交流信号放大电路见图 2 17 所示 本设计采用的互感器为国内最新的高精 度电流互感器 SCT254AZ SCT254AZ 是一款毫安级精密电流互感器 输入额 定电流为 5A 额定输出电流为 2 5mA 线性范围 0 20A 非线性度 0 1 相 移经过补偿后小于 5 因电流互感器输出的是电流信号 故电流互感器就不需 要加电阻 R1 11 2 3 1 411 A TL084 C1 104 5V C6 104 R3 D1 D2 5V 5V 5V Iin Io1 Iin Io2 图 2 17 电流信号放大电路 b 二阶滤波电路 图 2 18 为二阶滤波电路 截至频率为 2 5KHz 2 3 1 411 A TL084 C3 103 R4 360 C2 104 3 9KR91KR7 U1 f 2 5kHz 图 2 18 二阶滤波电路 c 单极性转换电路 由于设计采用的 DSP 自带的 A D 其采样要求输入信号为 0 3 3V 故接入 其引脚的信号电压也不能超过 3 3V 所以必须对放大电路给出的双极性信号做进 一步处理 单极性转换电路如下图 2 19 所示 6 2 3 1 411 A TL084 C5 103 3K R10 3 9KR91KR7 10K R21C4 103 20K R6 20K R8 1 25V 图 2 19 单极性转换电路 12 1 3 3 常见交流电流采样电路常见交流电流采样电路 3 相电流检测电路如图 2 20 和所示 该电路采用了运算放大器加电压跟随器 的方式 电压跟随器起到了隔离作用 以便在 A D 入口前进行阻抗匹配 在 A D 入口端采用二极管钳位 防止 A D 输入电压越界 来自检测通道的电流互 感器的电流号经运算放大器转换为电压信号后经电压平移后将交流量信号转换 为 0 3 3V 的单极性电压信号接入 DSP 的 A D 通道引脚 8 2 3 1 84 A 2 3 1 84 A 2 3 1 84 A 12V 12V D1 D2 C2 R5 AD CIN 3 3V R4 R3 3 3V R2 R7 12V 12V R1 C1 Iin Iout R6 T Trans 图 2 20 相电流检测电路 1 3 4 常见交流电流采样电路常见交流电流采样电路 4 霍尔电流传感器以 100 100 mA的交流电流作为输出信号 TMS320F2812 的A D输入信号范围为0 3 V 因此必须添加合适的调理电路以满足A D输入 的要求 交流电流调理电路见图2 21 与交流电压调理电路不同的是 第1部分是 经电容C4滤波后流经精密采样电阻尺 将电流信号变换为电压信号 第2部分 是由运放构成的反相器 第3部分为箝位限幅电路 以保证输出电压信号在0 3 V 满足TMS320F2407的A D输入信号范围 7 2 3 1 411 A 2 3 1 411 A D3 C3 15V 15V R11 R14 R13 R15 VCC 15V 15V VCC ADC R12 R10 R9C4 互互互互 OP OP 图 2 21 交流电流信号采样电路 13 1 3 5 常用交流电流采样电路常用交流电流采样电路 5 电流采集采用 TA1014 2K 卧式穿芯微型精密交流电流互感器 其额定输 入为 5A 额定输出为 2 5mA 工作频率范围为 20Hz 20kHz 相移小于 5 线 性范围大于 10A 非线性度小于 0 1 是比较理想的交流电流检测器件 图 2 22 为电流采集电路原理图 485 1 2 3 4 5 6 7 8 LM311 1 2 3 4 5 6 7 8 LM311 15V 15V 15V 15V 0 033uF 互互互互互 12K 20K 2 5V 18K30K VCC ADCINIin Iout 2 5V 图 2 22 交流电路采样电路 由于 DSP 的 A D 输入信号范围为 0 3 3V 而经电流互感器测得的电流信 号经转化后变成 1 5V l 5V 的交流信号 故对其进行了 1 5V 的平移 9 1 4 常用直流电压采样电路常用直流电压采样电路及其特点及其特点 1 4 1 常用直流电压采样电路常用直流电压采样电路 1 a 直流电压传感器采用 LEM 公司的电压传感器 LV100 LV100 为霍尔效应的闭 环电压传感器 所以有非常良好的原副边隔离作用 可测的电压范围为 100V 2500V 图 2 23 为直流电压采样电路图 电压传感器 LV100 有如下优 点 精度高 线性度好 频带宽 抗干扰能力强 10 14 LV100 图 2 23 直流电压采样传感器 电压传感器 LV100 的原边额定有效电流为 10mA 在原边为额定电流时传感 器精度最高 采样电阻 R1 80 千欧 按原副边 1 5 的变比设计 副边电流为 50 mA 副边采样电阻为 150 欧 原边电压为 800V 时副边电压为 7 5V 副边信号 经二阶滤波电路以减小干扰 由于采样直流信号 滤波器截止频率可以选取的 较低 实际设计的滤波器截止频率为 2k Hz b 电压检测电路 2 3 1 84 A U16A TL0821 15V 15V 51 R64 5 1K R63 0 1uF C44 50K W3 Port 51K R61 3 3V 图 2 24 电压检测电路 1 霍尔电压传感器及采样电阻采集的直流电容电压从 Udc端输入图 2 24 的模拟电 路 经电位器调节使 U16A的 3 脚变化范围限制在 0 3 3V 同时用 RC 滤波器滤 除输入信号的噪声 0 3 3V 的电压信号经过电压跟随器 电压跟随器可保证在 进行电阻匹配时防止其输入输出电路的电阻干扰 电压跟随器输出接的 R64 51 欧 电阻是 DSP 接口的电阻要求 DSP 接口端的串联二极管是为了确保输入 DSP 的电平限制到 0 3 3V 3 1 4 2 常用直流电压采样电路常用直流电压采样电路 2 直流电压的采样电路与交流电压采样电路略有不同 如图 2 25 所示 15 2 3 1 411 A TL084 2 3 1 411 A TL084 10K Udc1 1K 10K R3 Udc Port 3 3V 图 2 25 直流电压采样电路 2 直流电压与交流电压采样电路不同主要有两点 其一 因为传感器不同 前者 采用直流电压霍尔 输出信号为电流信号 后者为电压变送器 输出信号为交 流信号 因此直流采样电路前端需接地电阻将电流信号转换为电压信号 其二 前者信号为直流信号的 后者为交流信号的 因此 直流电压采样不用电压偏 移 1 1 4 3 常用直流电压采样电路常用直流电压采样电路 3 直流侧电容电压的采集是经过两个电阻分压后 接二个电压跟随器 同样 电压跟随器起防止电压冲击的作用 输出端加入钳位二极管 把电压钳制在 3 3V以内 输出信号接入DSP的ADCIN端口 如图2 26所示 9 1 2 3 4 5 6 7 8 15V 5V 3 3V ADCIN Port Port 互互互互 图2 26 直流电压采样电路3 1 4 4 常用直流电压采样电路常用直流电压采样电路 4 目前 对于直流电压的精确检测基本上都是基于磁补偿原理进行的 又因 16 为本系统直流侧电压值较高 而直流电压传感器本身电流又很小 故从采用均 压以后的电容器组上 可以只采一定比例的直流电压 不会影响测量精度 同 时还保证了器件的安全性 作为磁补偿的结果 传感器输出信号为一精确的电 流信号 直流电压采样电路设计如图 2 27 所示 4 2 3 1 84 A LF353 VDD VEE D1 D2 0 01uF 3 3V Port 0 01uF 10K 100互 Udc 图 2 27 系统直流电压采样电路 4 1 4 5 常用直流电压采样电路常用直流电压采样电路 5 因直流电路对电压的精度要求低 对直流电压的采样电路直接用 DSP 内部 的 A D 如图 2 28 所示 2 3 1 411 1 LM124 12V 12V 470pF D1 D2 3 3V Port 220pF 100 Port 图 2 28 系统直流电压采样电路 5 直流电压与交流电压采样电路不同主要有两点 其一 因为传感器不同 前者采 用直流电压霍尔 输出信号为电流信号 后者为电压变送器 输出信号为交流 信号 因此直流采样电路前端需接地电阻将电流信号转换为电压信号 其二 前 者信号为直流信号 后者为交流信号 因此选用的 A D 精度和类型不一样 2 1 5 常用直流电流采样电路常用直流电流采样电路及其特点及其特点 直流电流采样电路设计与直流电压采样电路完全一样 只是前端的采样器 17 件不同 这些器件对用户的接口统一为电流信号 这里就不再讨论 18 2 2 采样电路设计采样电路设计 上一章写到3路交流电压 6路交流电流 2路直流电压和2路直流电流 电 网电压同步信号的采样电路的各种常见采样电路 可以看出采样电路的发展已 经比较成熟 但如何设计出自己需要的采样电路 这将是下面要讨论的问题 2 1 电网电压同步信号采样电路设计电网电压同步信号采样电路设计 DSTATCOM 的工作与同步信号有密切的关系 所有的动作都要以同步信 号作为参考 故硬件上的同步电路是不可或缺的 同步信号的产生有多种方法 第一种方法为最简单的过零同步 即对系统三相电压进行处理后取出一相基波 正序电压作为同步信号 把该同步信号的过零时刻作为脉冲发生器的同步点 通过测量连续两个正向过零点之间的时间作为周期计算出同步信号的频率 因 此只能一个周期测得一次频率 在系统频率突变时 容易因无法跟踪系统频率 变化而使 DSTATCOM 过流 第二种方法为采用锁相环技术 由于在同步信号 频率突变时锁相环具有较长的延时 因此也容易导致 DSTATCOM 过流 第三 种方法为采用 虚拟转子 法 对三相同步电压信号进行处理 得到脉冲的同 步点和同步信号的频率 采用这种方法的优点是可以同时测量同步信号的频率 从而使脉冲发生器在系统同步信号发生突变时能保持与系统同步 保证 DSTATCOM 不因同步信号的突变而过流 由于设计要求不是特别高 本装置 采用第一种方法得到同步信号 1 2 3 4 5 6 7 8 LM311 2 3 1 411 A TL084 0 1uF C3 1M R3 15V 15V 10K R5 1K R4 1000pF C2 1K R2 15V 15V C1 R1 Ua 3 3V OI 4069 OI 4069 CAP 图 3 1 D STATCOM 系统同步电路 如图 3 1 可知 同步电路由三部分组成 第一部分是由电阻 电容组成的 RC 滤波环节 为减小 DSTATCOM 系统与电网的相位误差 该环节主要是滤除 去电网的噪声干扰 该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率 即该误 19 差可忽略不计 其中 R1 1000 C1 0 1uF 则时间常数 T RC 1 S 1 mS 因 4 10 此符合设计要求 且滤波电路中造成的延时可在程序中补偿 第二部分由电压 比较器 LM311 构成 实现过零比较 同时设计了一个滞环环节来抑制干扰和信 号的震荡 第三部分为上拉箱位电路 之后再经过两个非门 以增强驱动能力 满足 TMS320LF2407 的输入信号要求 2 2 交流电压采样电路设计交流电压采样电路设计 电压转换电路通过霍尔电压传感器 CHV 50P 实现 如图 3 2 所示 CHV 50P 型电压传感器输出端与原边电路是电隔离的 可测量直流 交流和脉动电 压或小电流 磁补偿式测量 过载能力强 性能稳定可靠 易于安装 用于电 压测量时 传感器通过与模块原边电路串联的电阻 Ru1与被测量电路并联连接 输出电流正比于原边电压 CHV 50P Ua COM 15V 15V Ua out Ru1 Ru2 C C 图 3 2 电压转换电路 由于 CHV 50P 的输入额定电流 In1为 10mA 本电路检测的电压是 220V 的 交流电压 则 3 1 u1 N1 U220V R 2 2k I10mA 电阻 Ru1消耗的功率 P1 为 P1 220V 10 mA 2 2KW 3 2 因此电阻 Ru1选择阻值为 2 2 K 功率为 5W 的大功率电阻 另外为了抑制共 模干扰 在交流输入侧并联了两个电容 C 当然为了更好地消除这些干扰 可 以在电压变换电路之前再加隔离变压器 那么电阻 Ru1的选择就要对应于经过隔 离变压器后电压的改变而改变 20 由于 CHV 50P 的输入额定电流 In2为 50mA 为了交流电压采样电路检测 必须把输出电流转换为电压 所以在电压传感器的输出侧串联了电阻 Ru2 交流 电压采样电路采样电压范围 5V 5V 则 3 3 u2 2 5V 100 50mA N U R I 由于电阻 Ru2消耗功率比较小 电阻 Ru2选择上对功率没有特殊的要求 根 据选用的电压传感器 交流电压采样电路如图 3 所示 2 3 1 411 A TL084 2 3 1 411 A TL084 10K R3 D1 220pF C4 10KR4 10K R5 10K R6 3 3V 1K R7 D2 3 3V 220pF C5 ADC INUa out 15V 15V 15V 15V 图 3 3 交流电压采样电路 从图 3 3 可以看出系统输出电压的采样电路由四部分组成 第一部分是由 TL084 的运放构成的射极跟随器 其中 R3和 C4是说为了抑制干扰 且时间常 数 1 ms 符合实际要求 第二部分是由两个电阻 6 T RC 10000220pF 2 2 10 S 和一个电压源组成的电压偏移电路 因目标信号为交流信号 而经过霍尔传感 器采样得出的信号也为交流信号 0 士 5V 而系统 CPU 的 A D 输入电平要求为 0 3 3V 因此 需要进行电压偏移 该电路原理简单 不再赘述 第三部分也 为射极跟随器 第四部分为箝位限幅电路 保证采样信号的幅值在 0 3 3V 之间 满足 TMS320LF2407 的输入信号要求 采样电路中 经常用到电压跟随器 电压跟随器 顾名思义 就是输出电 压与输入电压是相同的 就是说 电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近 1 电压跟随器的显著特点就是 输入阻抗高 而输出阻抗低 一般来说 输入 阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的 输出阻抗低 通常可以到几欧姆 甚至 更低 在电路中 电压跟随器一般做缓冲级及隔离级 因为 电压放大器的输 出阻抗一般比较高 通常在几千欧到几十千欧 如果后级的输入阻抗比较小 21 那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中 在这个时候 就需要电 压跟随器来从中进行缓冲 起到承上启下的作用 应用电压跟随器的另外一个 好处就是 提高了输入阻抗 这样 输入电容的容量可以大幅度减小 为应用 高品质的电容提供了前提保证 电压跟随器的另外一个作用就是隔离 2 3 交流电流采样电路设计交流电流采样电路设计 1 电流转换电路 参考上面常见交流电流采样电路的设计 传感器选择霍尔电流传感器 DT50 P 它的性能也稳定可靠 易于安装 如何选择电阻 R8的阻值 根据后面 交流信号调理电路的输入要求而定 调理电路需输入 5V 5V 的交流电压信号 则 3 4 8 N U R I 即可确定 R8的阻值 DT 50P 15V 15V R8 Io2 图 3 4 电流转换电路 在图 3 5 中 电流实际值经过霍尔传感器及采样电阻后 转换成 5V 电压信 号 Io2 此 5V 信号是反向的 Io2先进行滤波处理 滤除噪声干扰其中滤波电阻 电容的选择应该满足时间常数小于 1ms 的要求 因此可选 R9为 100 千欧 C6 为 220pF 再经过理想运算放大器的电压并联负反馈将 Io2转换成 3 3V 3 3V 的 信号 经过 3 3V 的电平抬升电路及平均处理使得电压跟随器的输入为 0 3 3V 单 极性信号 其中 R13 R14的阻值只要相同就可以 在这里选阻值为 10 千欧的电 阻 即安全又符合要求 最后经过两个串联二极管的限幅 确保输入 DSP 的信 号为 0 3