一種具有寬范圍的限壓轉換采集電路的制作

摘 要：本文介紹一種實用的電壓信號采集電路，該電路具有電壓信號采集范圍寬、檢測速度快、信號精度高、抗干擾能力強等優點，適合用于磁控電抗器（MCR）和其他電力自動控制系統的電壓信號采集。電路主要由減法器電路和求真有效值電路兩部分組成。

關鍵詞：電壓信號采集 減法器 真有效值 紋波

在電力自動控制系統中通過采集電壓信號作為實現自動控制的依據，是不可缺少的控制內容。在以計算機為核心的電力自動控制系統，需要大量準確的數據采集，提供給計算機信息收集、運行工況分析、屏幕顯示、安全檢測和實時控制。特別是在自動檢測、輸電網絡的調度和運行、系統的自動化安全保護、輸電網絡信息的傳輸等都離不開電壓信息的采集。

目前，電力系統電壓信號采集的基本方法是通過電壓互感器來實現的。當系統電壓穩定在額定電壓時，電壓互感器輸出電壓為100V，當系統電壓波動時，電壓互感器的輸出電壓也隨之按比例波動。但在數字控制系統中，電路所能承受的信號電壓一般為0～5V，直接將100V交流電壓輸送給信號處理電路是不合適的。必須對電壓互感器輸出信號進行再降壓處理。對電壓互感器輸出信號的再處理，可以有多種手段來實現。現行常用的方法是采用ZM-BPT系列PCB板上電壓互感器將系統母線電壓互感器輸出的0～100V的電壓信號壓縮為0～5V左右的弱信號，如圖1所示。

電壓信號采集電路原理是將PCB板上電壓互感器與母線電壓互感器的二次電壓相連，由PCB板上電壓互感器實現二次降壓，然后再經濾波等信號處理電路作為運算電路的輸入信號。其優點是可以實現采樣電路的小型化。但是由于0～5V左右的壓縮信號是經過兩次電壓互感器降壓傳輸，再經濾波等電路處理而得到的，不僅增加了信號相移，也延遲了信號采樣時間，所以這種采樣方式對于需要快速響應的控制系統是不合適的。采用減法運算電路，配合求真有效值芯片實現的電壓信號采集電路，有效地克服了上述采樣方法的不足。不僅具有響應速度快、動態范圍寬的特點，又減小了信號相移，縮短了采樣時間，特別是在MCR（磁控電抗器）快速自動補償控制器中應用，取得了較好的效果。

一、基本原理

限壓采集電路主要由減法器電路和求真有效值電路兩部分組成。

1.減法器電路的工作原理

減法器電路如圖2所示。電路由運算放大器IC1和IC2組成。信號ui1從IC1的反相端輸入，其輸出的反極性信號（-ui1）與另一信號ui2在IC2的反相輸入端做求和運算。若將每一級的比例放大系數都取作1，則在IC2的輸出端就實現了減法運算。其表達式為：uo=（-ui1）+ui2。為了保證運算精度，R1、R3、R5和R4的取值應相等，輸出信號的大小用R7的取值來調整。

減法器電路在電壓采樣電路中的實際應用電路如圖3所示，和圖2相比，增加了由電阻R1、R2及R3組成的串聯分壓電路和兩個起隔離作用的電壓跟隨器IC3、IC4。

由電壓互感器（圖中沒有畫出）輸出的100V電壓信號經電阻R1、R2和R3串聯分壓后，電壓ui1作為第二級運放IC2的輸入信號，電壓ui2作為第一級運放IC1的輸入信號。如果R6=R4，則IC1輸出的電壓為-ui2。該信號電壓與ui1在IC2的反相輸入端做求和運算，則IC2的實際輸入信號電壓為（-ui2）+ui1。當[（-ui2）+ui1]>0時，IC2的輸出電壓u0<0；當[（-ui2）+ui1]<0時，IC2的輸出電壓u0>0，這樣在IC2的輸出端就可以得到ui1與ui2相減以后的電壓即差值信號，這個差值信號是反映電壓互感器輸出信號幅值變化的交流信號。差值信號的大小可以根據需要通過調節電阻R10來實現。

2.求真有效值芯片AD536

AD536是一種新型的求真有效值的芯片，其功能方框圖如圖4所示。從圖中可以看出，其內部電路主要由四部分組成：求絕對值電路、平方除法器、鏡像電流源、輸出緩沖放大器。

其基本工作原理為：

由式可知，對輸入電壓依次進行“取絕對值→平方/除法→取平均值”運算，就能得到交流電壓的有效值。

該芯片可以單電源供電，也可以雙電源供電。單電源供電的電壓范圍從5V到36V。雙電源供電的電壓范圍從±5V到±18V。

圖5為雙電源供電的求真有效值的應用電路。圖中C2、Rx、C3與內部緩沖放大器構成了雙極性濾波器。Rx取25kΩ比較合適，C2、C3取值相等，大約取2倍的CAV。

C1為隔直電容，其值為0.01μF。正負電源接0.1μF的去耦電容。

二、利用減法器和AD536組成的限壓轉換采集電路

將圖3電路的輸出端和圖5電路的輸入端相連就構成了完整的限壓轉換采集電路，如圖6所示。圖中IC3、IC4是為提高電路的輸入阻抗和抗干擾能力而設置的電壓跟隨器。信號U'i2是IC1輸出的反極性信號，該信號在IC2的反相輸入端與Ui1做求和運算。IC3的輸出信號即是求和運算的真有效值。下表是輸入信號電壓為0～20V，R4=R6=R9，R10=3R7時的輸出電壓理論計算值和測試值，是采用通用運放和普通電阻組成電路的測試數據。為了提高運算精度，圖中的集成運算放大器和電阻應采用精密運放和精密電阻。圖7為電路的測試波形。

三、結論

由測試數據和測試波形可以看出，減法運算的結果基本是準確的，輸入信號電壓在0.5～20V范圍內變化時，輸出信號電壓真有效值在0.148～5.16V范圍內變化，實現了將大范圍變化的信號電壓轉換為低電壓變化。通過在磁控電抗器（MCR）控制電路中的應用，表明該采樣技術具有動態響應范圍寬，信號紋波小，響應速度快，無延遲等優點，將MCR控制器的采樣時間由10ms左右縮短到幾個μs，極大地提高了控制器的采樣速度，滿足了MCR快速響應的需要，并可應用在其他需要寬范圍、快速采樣的電路中。如在電力系統調度中心和配變站間的實時信息傳輸中，限壓采集電路采集現場信息并轉換成數字量利用微波、載波、高頻、光導通訊等通道送到接收端，實現電力調度。在反事故自動裝置中，為防止電力事故危及系統和電氣設備運行，利用限壓采集器采集事故信息，提供給反事故自動裝置，對系統進行繼電保護和安全保護。在電力系統檢測中采用數字化儀器儀表監測，限壓采集器采集信息可直接供給檢測和顯示系統。在具體的應用時還需根據實際需求對電路進行調整，滿足電壓采樣要求。

（作者單位：丹東市技師學院）