集成運放在電機數據采集中的應用研究

肖閩進 施楊 李陽 韋佳明 劉秋梅 顧俊

(常州工學院電子信息與電氣工程學院，江蘇 常州 213002)

電力系統主變壓器的冷卻系統一般配置多組循環油泵和風扇進行散熱冷卻，其油泵和風扇電機的工作狀態直接關系到主變壓器的運行安全。［1－2］集成運算放大器具有集成度高，可靠性好，增益穩定等優點，與專用器件相比，其性價比高，并且可以靈活運用。該設計采用集成運算放大器對主變壓器的冷卻器電機的過流、缺相和短路等狀態進行檢測和信號調理，實現了對多組三相電機的工作數據采集，為冷卻器控制電路提供相應的動作參數。［3］

1 集成運算放大器的電路結構及參數運用

1.1 運算放大器的電路結構

集成運算放大器的電路結構一般由差分輸入、中間放大、互補放大輸出以及恒流源電源電路組成，［4］如圖1所示。由圖1可見，運算放大器實質上是一種高增益直接耦合放大電路。其中差分輸入級為抑制共模信號，通常采用高性能差分放大電路，即雙端輸入、雙端輸出的形式。中間放大級的主要作用是提供高開環放大倍數，作為運算放大器運算精度的保證，通常由共發射極組成多級耦合放大電路。互補輸出級要提供較大輸出電壓或電流，通常由NPN和PNP三極管或復合管組成。偏置電流源通常采用各種恒流源電路，為各級提供穩定的偏置電流，保持各級放大器的工作點和整個運算放大器的工作處于穩定狀態。［5－6］

運算放大器的供電方式有單電源和雙電源方式。單電源供電方式輸出信號在電源與地之間變化，雙電源供電方式輸出信號在0電壓兩側變化。

1.2 運算放大器的主要參數及物理意義［7－8］

Uio(輸入失調電壓):當輸入電壓為0時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調電壓。Uio是表征運算放大器內部電路對稱性的指標。

Iio(輸入失調電流):當輸入信號為0時，放大器兩輸入端的靜態基極電流差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

IiB(輸入偏置電流):運算放大器兩輸入端靜態偏置電流的平均值。

Auo(開環差模電壓放大倍數):運算放大器在無外加反饋條件下，輸出電壓與輸入電壓的變化量之比。

Uopp(最大輸出電壓):輸出不失真時的最大輸出電壓值。

Uicm(最大共模輸入電壓):在保證運算放大器正常工作的條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現飽和，放大器失去共模抑制能力。

Kcmr(共模抑制比):差模電壓放大倍數與開環共模電壓放大倍數絕對值之比，常用分貝數來表示。

設計中應用的運算放大器的典型參數值:

輸入失調電壓:＜5 mV

輸入失調電流:＜0.5 pA

輸入偏置電流:＜10 pA

最大輸出電壓:+13 V/－14.4 V

開環增益:＞100 dB

共模抑制比:＞90 dB

靜態功耗:120 mW

輸入電阻:1.5 ×1012Ω

輸出電阻:＜200 Ω

開環帶寬:4.5 MHz

最大共模輸入電壓:－15.5 V/+12.5 V

最大差模輸入電壓:±8 V

電源電壓范圍:±15 V

電源電壓抑制比:104 dB

轉換速率:9 V/μs

1.3 集成運算放大器設計運用條件

電路中實際選用的運算放大器主要參數滿足以下指標，設計中作為理想運算放大器運用。

1)開環差模電壓放大倍數Auo≥80 dB，理想化Auo=∞。

2)差模輸入電阻rid比輸入端外電路的電阻大2～3個量級，理想化rid=∞。

3)開環輸出電阻ro比輸入端外電路的電阻小2～3個量級，理想化ro=0。

4)共模抑制比Kcmr＞90 dB，理想化Kcmr=∞。

2 電機數據采集電路設計

在電路設計中，閉環工作的運算放大器在線性運用狀態，利用理想運算放大器工作在線性區時具有虛地、虛短和虛斷的特點，可以精準地獲得所需要的電路功能。其中，虛地是運算放大器處于線性狀態時，工作在反相輸入狀態下，反相輸入端的電位為0，這一特性稱為虛假接地，簡稱虛地。虛短是運算放大器處于線性狀態時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短，但不能將兩輸入端真正短路。虛斷是運算放大器處于線性狀態時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，稱為虛斷。同樣也不能將兩輸入端真正斷路。

數據采集電路由電流互感器［9］、信號放大電路、整流濾波電路和電平比較輸出電路組成，如圖2所示。

圖2中，CT是小型精密互感器，接入電機的工作電流回路，三相電機每相接入1個采集電路。OPA是集成運算放大器，OPA1設計為同相放大器方式，利用上述理想運算放大器線性工作特點，其輸出電壓U1O與輸入電壓U1I的關系為:

圖2 數據采集電路

由AOPA1=U1O/U1I，本級電壓放大倍數可計算為:

OPA2與OPA3組成精密全波整流電路。當整流電路用于交流電壓信號的處理和放大時，由于二極管組成的普通整流電路，存在整流輸出非線性及開啟電壓，對小信號輸入電壓會產生一定的失真。而采用運算放大器組成的半波或全波精密整流電路，克服了上述缺點，構成了近于理想化的整流電路，對于微小輸入交流信號，都能進行不失真的整流輸出。利用運算放大器的放大作用和二極管的單向導電特性，將整流二極管置于負反饋環路中，實現對輸入正、負半波信號引入不同深度的負反饋，可以對輸入小信號進行精密整流。運算放大器精密全波整流電壓傳輸特性如圖3所示。

圖3 精密全波整流電壓傳輸特性

由圖3可見，在輸入電壓接近0點處的小信號區域，輸出電壓仍保持良好的線性。

當輸入信號正半周時，為簡化分析過程，暫不考慮C2的影響(這并不影響電路結構的分析結果)，二極管D2導通，OPA2工作在反相放大器狀態，OPA2的輸出電壓為:

當取電阻值R4=R5時，有UOPA2=－UOPA1。

OPA3的輸入信號為OPA1和OPA2分別通過R7、R8的兩路輸入，OPA3工作在反相加法器的狀態，因此OPA3的輸出電壓為:

當取電阻值R7=2R8時，UOPA3=UOPA1。

當輸入信號負半周時，二極管D2截止，OPA2無輸出信號，OPA3的輸出電壓為:

同理，當R10=R7時，有UOPA3= －UOPA1。

在OPA3的外圍電路中，電容器C2反饋支路與OPA3構成積分電路，對整流輸出進行濾波以減小輸出信號紋波。

OPA4、OPA5工作在開環狀態，電路為任意幅度電壓比較器形式，其輸出只有高電平和低電平2個穩定狀態，是集成運算放大器的非線性運用。OPA4、OPA5分別組成過流和缺相信號電平比較電路，OPA4為同相電壓比較器，其電壓傳輸特性如圖4(a)所示，UC1為比較參考電壓，比較結果輸出過流信號;OPA5為反相電壓比較器，其電壓傳輸特性如圖4(b)所示，UC2為比較參考電壓，比較結果輸出缺相信號。

3 實測結果分析

對所設計的數據采集電路關鍵點波形進行檢測分析，經過適當的電路元件參數調整，各部分電路功能符合設計要求，電路整體能夠進行電機工作時過流和缺相數據采集，并以高電平有效的方式傳遞信號給后級冷卻控制器。以下是關鍵點波形的檢測結果分析:

圖4 電平比較器電壓傳輸特性

1)同相放大與輸入信號。圖5中示波器的設置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:10 V/Div，下方為Y1信號，上方為Y2信號(以下圖中相同)，Y1信號為輸入信號，Y2信號為OPA1輸出信號，由圖5可見，OPA1實現了信號的同相放大。

圖5 同相放大與輸入信號

2)半波整流與輸入信號。圖6中示波器的設置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:5 V/Div，Y2信號為OPA2輸出信號，由圖6可見，對應輸入信號正半周，OPA2輸出負半周信號，OPA2實現了對輸入信號的半波整流。

圖6 半波整流與輸入信號

3)全波整流與輸入信號。圖7中示波器的設置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:5 V/Div，Y2信號為OPA3輸出信號，為觀察對比電路的濾波功能，濾波電容器C1未接入，由圖7可見，由于OPA3接成反相放大器方式，將OPA1和OPA2的2個負半周信號全部轉換成正半周信號，OPA2及OPA3實現了對輸入信號的全波整流，未接濾波電容C1時，輸出信號為單向脈動直流。

圖7 全波整流與輸入信號

4)濾波輸出與輸入信號。圖8中示波器的設置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:5 V/Div，Y2信號為OPA3輸出信號，電路接入濾波電容器C1后，濾波效果明顯，輸出信號為單向直流信號，實現了將電流互感器CT輸入的50 Hz交流信號變換為0－10 V的電平，此信號經OPA4、OPA5電平比較電路比較，輸出過流和缺相信號。

圖8 濾波輸出與輸入信號

4 結語

從電路、信號和系統3個層次討論了集成運算放大器在電機數據采集中的應用，分析了集成運算放大器的線性和非線性工作形式，并在電路設計中進行了有效的組合運用。設計并實現了以多級集成運算放大器為核心的電機工作數據采集器，實現了從電流互感器到確定的電平范圍的轉換，可廣泛應用于電力系統工業數據采集系統。

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［7］Texas Instruments Co.，Ltd..Op Amp Datasheets 2006［EB/OL］.［2011 － 11 － 16］.http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/amplifier_and_linear.page.

［8］Analog Devices Co.，Ltd..Op Amp Application Manu 2008［EB/OL］.［2011 －10 －16］.http://www.analog.com/zh/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-opamps/products/index.html.

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