載波通信技術(shù)在接地電阻測(cè)試儀中的應(yīng)用

朱傳林，王學(xué)良，余田野，李斐

（湖北省防雷中心湖北武漢430074）

在接地電阻測(cè)試中，測(cè)試儀表與防雷裝置接地測(cè)試點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，從幾十米到幾百米不等。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，通常要通過對(duì)講機(jī)通話把測(cè)試數(shù)據(jù)傳到防雷裝置接地測(cè)試點(diǎn)，以便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員記錄防雷裝置的接地阻值。這種傳統(tǒng)的工作方式，在數(shù)據(jù)通信過程中效率低下。由于對(duì)講機(jī)或者人為因素可能會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)記錄人員聽到的數(shù)據(jù)不清晰，而反復(fù)讓儀表讀數(shù)人員報(bào)數(shù)。

再者，有些測(cè)試場(chǎng)所無法實(shí)現(xiàn)對(duì)講機(jī)通話，例如：對(duì)于一些高規(guī)格信息機(jī)房或?qū)Ｓ闷帘问遥蜔o法通過對(duì)講機(jī)實(shí)現(xiàn)儀表讀數(shù)人員與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員的通信。為了較好地解決該問題，文中在接地電阻測(cè)試儀中利用載波通信技術(shù)，采用現(xiàn)有的接地測(cè)試線將設(shè)備測(cè)試出的數(shù)據(jù)通過耦合電路及調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

圖1 載波耦合電路模型

1 載波耦合電路

為了抑制地線工頻信號(hào)的干擾及接地電阻異頻測(cè)量信號(hào)的影響，載波耦合濾波電路采用高通濾波器形式，其中耦合線圈與安規(guī)電容組成LC高通濾波器，并且耦合線圈選用高導(dǎo)磁率線圈，變比為1:1，通過耦合線圈的二次變換，將載波信號(hào)傳遞到后級(jí)，TVS管主要起到保護(hù)作用，防止大地的高頻諧振電壓通過線圈耦合到信號(hào)處理級(jí)，損壞信號(hào)調(diào)制電路。

如圖1所示，載波耦合電路的關(guān)鍵物理量是電路模型中的兩個(gè)電流由基爾霍夫第二定律可得上述電路的數(shù)學(xué)表達(dá)式[1-6]：

式中，分別設(shè)i'、i''為i的一、二階導(dǎo)數(shù)，可得：

對(duì)式（1），不同的數(shù)學(xué)處理方法就得到不同的表達(dá)式。對(duì)式（1）求導(dǎo)，則得

由于式（2）有兩個(gè)未知量i1(t)、i2(t)的二階導(dǎo)數(shù)，直接求解存在困難。如果將模型中的RLC串聯(lián)回路表示為二元一階方程，則得到含有4個(gè)變量的一階方程組：

式（3）中含有 4個(gè)未知量i1(t)、i2(t)、uc1(t)、uc2(t)，給出初始儲(chǔ)能便得定解，如果無初始儲(chǔ)能，則是齊次初始條件。

2 發(fā)送有源濾波電路

如圖2所示，PA是ST7540芯片內(nèi)部集成的小功率放大運(yùn)算器。基于它可以在發(fā)送端設(shè)置一個(gè)三階的有源濾波電路，組成的低通濾波電路和一個(gè)二階的Sallen-KEY。C33在該電路中用以過濾低頻信號(hào)，通過對(duì)R10、R9的設(shè)置，可以把信號(hào)的直流部分放大。這樣做就可以避免信號(hào)的失真，二階Sallen-KEY單元的傳遞函數(shù)公式（4）：

此電路截止頻率為：

圖2 發(fā)送有源電路

3 接收無源濾波電路

圖3所示為接收無源濾波電路，它是由一個(gè)并聯(lián)諧振電路構(gòu)成的濾波電路。通過對(duì)電路中電感及電容的設(shè)置，可以濾除指定頻率外的干擾信號(hào)。此濾波電路的傳輸函數(shù)如下[7-13]：

表達(dá)式中的RL表示電感串聯(lián)在電路中時(shí)所產(chǎn)生的阻值。該電路的品質(zhì)因素以及中心頻率的函數(shù)表達(dá)式如下：

由于在串聯(lián)電路中，電感的直流阻抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電阻的阻抗，于是，對(duì)中心頻率的表達(dá)式進(jìn)行化簡(jiǎn)，可得式（6）：

而由上式可知，選頻特性取決于R17、RL。RL的值與共振頻率的波形越平緩程度成反相關(guān)；而R17的值與則選頻特性成正相關(guān)。

事實(shí)上，可以通過簡(jiǎn)化公式（5）在中心頻率處的表達(dá)式進(jìn)而分析RL和接收信號(hào)損耗的關(guān)系，可得表達(dá)式（7）：

由傳遞函數(shù)的模的表達(dá)式可知：通過增大Q的值可以保持較低的信號(hào)損耗。與此同時(shí)，這對(duì)電子器件偏差的靈敏度的要求也變得更高。

圖3 接收無源濾波電路

4 功率放大及控制電路

由于希望系統(tǒng)有較遠(yuǎn)的通信距離，就必須要求模塊發(fā)送端有足夠大的功率輸出（圖4為功率放大電路），該電路的作用是把SSCout端的5 V TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)為具有更高電平的方波信號(hào)，再用濾波器對(duì)方波進(jìn)行濾波，最后，輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)。需要說明的有以下幾點(diǎn)：

圖4 功率放大電路

1）電路要求TS5為20 V的肖特基穩(wěn)壓管，但在該電路中沒有利用其穩(wěn)壓特性，而是它的正向?qū)妷旱偷奶攸c(diǎn)，來保護(hù)P溝道的MOS管；

2）電阻R8在這里起到保護(hù)載波芯片的作用，因?yàn)檩d波芯片采用了MOSFET工藝，因而不采用驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載，因?yàn)樵摲糯箅娐返妮斎胧侨菪缘模源?lián)一個(gè)0.22 kΩ的電阻用以保護(hù)載波芯片；

3）US6M2內(nèi)部有一個(gè)P溝道的MOS管和一個(gè)N溝道的MOS管，P溝道的耐流值為1 A，N溝道的耐流值為1.5 A，以有效確保整個(gè)載波電路的耐流值為1 A。

如圖5所示的功率控制電路。該電路的作用是：當(dāng)12 V電源電壓被下拉至7 V左右的時(shí)，用來控制其輸出電流，確保12 V電源不至被拉低于6.5 V以下，進(jìn)而保證整個(gè)電路系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是保證低電壓試驗(yàn)可以工作。另外，可以調(diào)整R30的阻值來控制電流的輸出，從而起到既限壓又限流的作用。

圖5 功率控制電路

5 ST7540載波芯片工作模式

ST7540是ST公司研制的FSK電力線收發(fā)器，內(nèi)置半雙工異步/同步通信的FSK調(diào)制解調(diào)器（結(jié)構(gòu)如圖6所示）。該芯片廣泛應(yīng)用于電力線載波通信系統(tǒng)，在現(xiàn)代智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信方面發(fā)揮了重要作用[14-15]。

1）發(fā)送模式

當(dāng) RxTx 為“0”且 REG/DATA 為“0”時(shí)，ST7540芯片處于發(fā)送模式。考慮到土壤電阻率的差異，輔助接地極的阻抗有可能存在較大波動(dòng)，芯片通過集電流與電壓控制電路以保障通信的可靠。在同步方式時(shí)，時(shí)序由芯片所選擇的波特率來決定，在CLR/T的上升沿觸發(fā)時(shí)刻，TXD上的數(shù)據(jù)將發(fā)至FSK調(diào)制器。在異步方式時(shí)，時(shí)序的管理由主機(jī)來決定，TXD上的數(shù)據(jù)會(huì)直接讀入到FSK調(diào)制器。而CLR/T的信號(hào)處于失效狀態(tài)。

2）接收模式

當(dāng)RxTx為“1”且REG/DATA 為“0”時(shí)，該芯片處于接收模式。同步方式時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)在PLL的上升沿時(shí)恢復(fù)。而后，F(xiàn)SK解調(diào)器中的數(shù)據(jù)將被發(fā)送到接收端RXD上。在異步方式時(shí)，解調(diào)器中的數(shù)據(jù)則直接讀到接收端。而后，通訊時(shí)序恢復(fù)而CLR/T失效。在當(dāng)前模式下，信號(hào)通過外圍的并聯(lián)諧振電路濾波后，從RX-IN端讀取到芯片，同時(shí)，系統(tǒng)將關(guān)閉發(fā)送電路（包括接口電路在內(nèi)），用于降低功耗。信號(hào)的濾波可通過窄帶帶通濾波器進(jìn)行，其幅度可通過片內(nèi)自動(dòng)增益電路調(diào)節(jié)。為了減小信道噪聲，在解調(diào)信號(hào)前應(yīng)先將信號(hào)和片內(nèi)正弦波發(fā)生器進(jìn)行混頻，而后，再進(jìn)行帶通濾波器濾波，最后再將信號(hào)解調(diào)出來。

圖6 ST7540芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于電力載波遠(yuǎn)程通信原理提出了一種遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。首先介紹了該載波耦合電路的基本模型及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了耦合電路、功率放大及控制電路濾波電路、放大電路、ST7540載波芯片等。

最后通過實(shí)際電路檢驗(yàn)該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。研究表明，該接口電路既有較高的載波信號(hào)加載效率，較好的幅頻特性，又能完全地隔離接地電阻測(cè)試儀的工頻信號(hào)，遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)性能指標(biāo)能夠滿足實(shí)際需求。

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