多通道便攜式城市軌道電能質量監測系統

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

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多通道便攜式城市軌道電能質量監測系統

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

摘 要：隨著城市軌道交通的大力發展，大量的電力參數需要及時采樣處理。為此我們研制多通道便攜式城市軌道電能質量監測系統，實現八通道電壓、八通道電流的同步測量。調理板主要由基于LF353的電壓跟隨器、電壓電流通道組成。電壓通道的設計以MAX275為核心，進行四階低通濾波，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，且放大倍數設置簡單。

關鍵詞：電能質量監測系統；LF353；MAX275；INA128

0. 引言

為貫徹“一路一帶”的發展方針，城市軌道交通相繼發展，相關技術與軌道交通產品隨之出現，鐵路軌道上信號的采集處理分析顯得尤為重要。鐵路軌道系統是由高壓電網組成，對其軌道上信號的采集分析更加有助于了解實時的信號情況并隨時進行調節。我們所研制的多通道便攜式城市軌道電能質量監測系統不僅能對城市軌道交通的電能實現實時采樣分析，還實現了多通道，即由八路電壓通道、八路流通道進行同步測量，能夠方便迅速的采集多路信息，更多的節約時間。

1. 正文

多通道便攜式城市軌道電能質量監測系統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行通信，最終得出電能參數的裝置。其中硬件部分是由傳感器、調理板和數據采集卡構成。

1.1 傳感器部分

系統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換成調理板所能處理的電力信號，實現對電力信號進行精確地采集和傳遞。電壓傳感器通常使用Vps2000探頭，其內置電阻為99M，將電壓跟隨器輸入端的接地電阻設為1M，從而實現阻抗匹配，使輸入信號在進入電壓跟隨器之前實現100倍的衰減。這樣能有效防止大電壓或大電流對調理板的損壞，提高系統的穩定性及使用壽命。

1.2 調理板

1.2.1 電壓跟隨器

電壓跟隨器以LF353為核心構成，在調理板電壓通道的最前端，每個LF353芯片可以同時供兩個電壓通道使用，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。因傳統有源濾波器由運放、電阻、電容組成，由于電路結構和分布參數的限制，很難設計出性能優良的濾波器。為此提出了一種通用有源濾波器設計方法，以MAX275為核心，不需外接時鐘信號，可方便靈活地設計各種濾波器，實現2階、4階、6階、8階低通帶通濾波功能。

MAX275能夠從復雜的干擾中提取特定頻率的信號，也能對一些信號進行波形變換。它所達到的高精度是日常所設計的有源濾波器所無法做到的，而且實現非常簡單。中心（截止）頻率F0、品質因數Q值以及放大倍數的設計只需改變外圍的4個電阻就能夠完成。

對于低通電壓濾波器，可以按照以下步驟設計：

在本設計中，截止頻率選在5000Hz，放大倍數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。然后將兩個濾波單元級聯，構成四階濾波器，為了對結果進行驗證，我們使用Multisim對max275進行了仿真，信號源為10V，觀察其對頻率的響應，驗證其濾波效果。

通過幅頻特性曲線可知，當幅度下降約3分貝時，頻率大約為5.009kHz，與設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、數據采集、RTD傳感器和醫療儀器等。同時，INA128只需一個外部電阻就可以設置1～10000之間的任意增益值，使芯片的應用更加的方便。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，且在此范圍內大部分參數仍能維持很好的性能。在城市軌道供電系統中，電壓大小相對確定，而電流大小卻可能出現較大浮動，所以選取可輸入模擬電壓范圍寬的INA128芯片，能大大提高系統的穩定性，防止電路燒毀。

此放大電路的放大倍數設為1.5，則根據放大倍數G=1+50kΩ/RG，可得RG=100kΩ。通過Multisim進行仿真，由波特圖可知，當RG=100kΩ時，增益為3.522dB，換算為放大倍數是1.5倍，所以INA128是相當精確地。

1.2.4 繪制PCB板及做出實物

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放在兩層，電源層和地線層能夠緊密耦合。同時，每個信號層都與內電層直接相鄰，與其他信號層均有有效的隔離，使信號層之間基本上不發生串擾。

最終做出的實物如圖1所示。

1.3 數據采集卡

數據采集卡，簡稱采卡，是信號處理進入計算機之前的最后一道工序，實現將模擬信號轉換成數字信號。系統的采卡以DSP單片機為處理器，能夠高效精確地對模擬信號進行轉換。具體構成本文不再詳述。

結論

本文提出了一種基于MAX275和INA128的信號采集和調理系統。通過仿真設計和實驗數據分析，滿足城市軌道電能信號監測系統的要求，可應用于通信、測量、信號處理、數據采集和實時控制等領域中。綜上所述，多通道便攜式城市軌道電能質量監測系統的研究對于城市軌道的安全運營有重要意義，能夠促進城市軌道的又好又快的發展。

參考文獻

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中圖分類號：TM715

文獻標識碼：A