【文章內(nèi)容簡介】 傳統(tǒng)的鐵心式電流互感器相比，以空心線圈為基礎(chǔ)的電流互感器具有以下優(yōu)點：測量范圍寬，精度高。同一互感器的被測電流范圍從數(shù)十安培到數(shù)萬安培 ，%。，在智能電器設(shè)備監(jiān)控單元中廣泛應(yīng)用。　　因為不用鐵心進行增耦合，消除了磁飽和，鐵磁諧振現(xiàn)象，使其過、運行穩(wěn)定性好，保證系統(tǒng)運行的可靠性。頻率響應(yīng)范圍寬，一般可設(shè)計到01MHZ重量輕，成本較低，性能價格比高，更符合環(huán)保要求。易實現(xiàn)互感器數(shù)字化輸出。綜上所述，本設(shè)計選用空心電感線圈。3－2－2 被測量信號的處理信號類型和幅值的調(diào)理所謂信號類型的調(diào)理，就是用集成運算放大器組成的電路，把傳感器輸出的不同類別，不同大小的電信號變換成幅值和極性符合A/D變換器模擬輸入的電壓。集成放大器是一種線性放大器件，通過不同的電路設(shè)計，可改變模擬信號幅值，極性：可以把電流、電荷 輸入變成電壓輸出，還可以設(shè)計成絕對值電路，把雙極性的模擬信號變成單極性的。集成放大器還有體積不、功耗小、電路設(shè)計簡單等優(yōu)點，因此，集成運放是模擬信號類型和幅值調(diào)理電路最合適、最常用的器件。本系統(tǒng)設(shè)計到的電路有：一、電流/電壓變換電路 圖1 　　如上圖1所示是采用無源電阻元件器件，變送器輸出電流iIN 直接流過電阻R，輸出電壓即為電阻兩端的電壓，電路中電阻Ri和電容器C構(gòu)成一階濾波，平滑Uout波形。 圖2如上圖2所示，這種電路由一個帶反饋電阻R的集成運放組成。電流直接通過反饋電阻，輸出 這種電路輸入端的電流經(jīng)過反饋后全部流入運算放大器的輸出端因而適用于現(xiàn)場信號的電流電壓轉(zhuǎn)換。它與無源電路相比，具有轉(zhuǎn)換波形好的特點，而且沒有延遲的現(xiàn)象，綜上兩種電路，本設(shè)計選用圖2所示的電路。二、被測量信號的極性變換電路 現(xiàn)場的電流電壓基本上是交流的，在經(jīng)過各種變換后，輸出仍是交流的，極性正負交替，但目前大量使用的A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入只接受正極性的電壓，在這種情況下，必須把電壓，電流互感器或傳感器輸出的雙極性電壓變換成正極性的電壓。下面選出了兩種極性變換電路。 圖a 如圖a所示，電路是把雙極性電壓與一個標準直流正電壓串聯(lián)，直流正電壓，直流幅值與交流電壓 幅值相等，顯然，這種電路把峰峰值為正負Um的交流電壓變成了在0~2Um之間變化的單極性的電壓，交流電壓 的零點變成了Um。 如圖b所示：該電路為絕對值電路。該電路包括兩部分，由集成運放器U1A為核心的精密檢波器和U2A組成的 反相加法器。當(dāng)輸入電壓Uin0時，二極管VD1反向阻斷，VD2導(dǎo)通，檢波器輸出電壓 當(dāng)輸入電壓UIN0時，二極管VD1導(dǎo)通，VD2阻斷，檢波器輸出電壓U1=0。建于由A2組成的反相加法器來說，其輸出電壓 當(dāng)選擇電路 中的電阻值，使R1=R2，R3=R5=2R4，代入上式中可得到該電路的輸出電壓 Uout=/Uin/ 根據(jù)分析圖A中，當(dāng)中央處理器，通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣并進行有效值運算時，必須根據(jù)輸入設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換器的單極性電壓來判斷被測電壓、電流的正負。這就是說，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量中的最高位應(yīng)當(dāng)作符號位，這就使得有效數(shù)據(jù)減少了一位，這必然影響到對被測量的處理精度，而圖b則避免了上述問題，得到的直流電壓正比于被測交流電壓的有效值。因此本設(shè)計采用圖b所示電路三、幅值調(diào)理電路 在模擬量測量中，幅值調(diào)理電路就是各種電壓的放大。最基本，也是最常用的有反相比例放大器，同相比例器放大器和差動放大器。本電路主要涉及反相比例運放，現(xiàn)就反相器介紹一下： `如圖所示，輸入信號U1通過電阻R1加到集成運放的反相輸入端，而輸出信號通過電阻Rf出回送到反相輸入端，Rf為反饋電阻，構(gòu)成深度電壓并聯(lián)負反饋。同相端通過電阻R2接地， R2稱為直流平衡電阻，其作用是使集成運放兩輸入端的對地流電阻相等，從而避免運放輸入偏置電流在兩輸入端之間產(chǎn)生附加的差模輸入電壓，故要求， 根據(jù)運放輸入端“虛斷”可得i+≈0,故U+≈0，根據(jù)運放兩端“虛短”可得U+≈U≈0,因此由圖可求得： 根據(jù)運放輸入端“虛斷”，可知i≈0,故有i1≈if，所以， 故可得輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為　　　　　　　　　　 可見，UO與UI成比例，輸出與輸入電壓成反相，因此稱為反相比例運放，其比例系數(shù)為 由于U－≈0，由圖可得該反相比例電路的輸入電阻為：Rif≈R1因此，反相比例運放電路主要有如下工作特點：它是深度電壓并聯(lián)負反饋電路，可作為反相放大器，調(diào)節(jié)Rf、R12比值即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)Auf。輸入電阻等于R1較小。對集成運放Kcmr的要求較低。這出是所有反相運放電路的特點。四、信號波形的濾波信號從現(xiàn)場到監(jiān)控單元，一般都有一定的距離，往往會使波形畸變，對檢測精度帶來嚴重影響。因此，在對模擬信號進行調(diào)理時必須進行濾波來去除干擾，使其達到原來波形。常用濾波器有無源和有源兩種。無源濾波器由無源的電路無任，如電阻、電容、電感組成。但其頻率特性較差，而且會產(chǎn)生相移，應(yīng)此一般采用有源濾波器來濾波，有源濾波器電路中一定包含有源器件，有源器件就是集成運放大器，這種濾波器最大的優(yōu)點就是對不同的濾波要求，可以有不同的電路設(shè)計。正確選擇電路中的無源元件的參數(shù)，在滿足濾波要求的情況下，可以使輸出電壓的幅值和相位與輸入電壓基本相同，所以本電路采用集成運放來進行濾波，如圖所示：該電路接成射極跟隨器，能更好與后級電路進行配合。電路的濾波截止頻率，在選擇電阻R1和C時應(yīng)使FC遠大于被測頻率。五、常用集成運放簡介由于整個信號采集都是以集成運放為核心，所以本節(jié)介紹常用的集成運放芯片。 雙電源供電低噪聲高精度單運放OP－07　　　　　　　IN：反相輸入端　　　　　　　　　　IN+：同相輸入端OUT：輸出端 　OA1，OA2：調(diào)零　V+、V：電源　　　　　　　　　　　 NC: 空腳主要參數(shù)：電壓范圍：正負3－18V。差模輸入極限：正負13V。共模輸入極限：正負14V。開環(huán)電壓放大倍數(shù)：4＊105共模抑制比：126dB差模輸入電阻：80MΩ靜態(tài)功耗：120mw單位增益帶寬：輸入失調(diào)電流：3－2－3 現(xiàn)場參量的誤差一、傳感器的誤差傳感器把智能電器工作現(xiàn)場一次側(cè)的高電壓、大電流變換成低電壓、小電流，由于傳感器本身存在非線性、相位移等，會使變換　有一定的誤差。因此在選用傳感器時應(yīng)根據(jù)實際情況來選取，本系統(tǒng)選用普通變壓器作電壓傳感器，電流互感器采用空心電流互感器。調(diào)理電路的誤差調(diào)理電路的誤差主要由運算放大器及其外部，無源電路元件引起?！》糯笃鞯恼`差主要上由環(huán)境和工作溫度變化引起的漂移和失調(diào)電壓，失調(diào)電流產(chǎn)生的。因此在選用時這此元件要經(jīng)過老化處理。二、采樣誤差采樣誤差包括采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器的誤差。采樣保持器工作時的誤差主要是由器件的捕捉時間和保持電容漏電引起的。因引以在選用捕捉時間不的器件和外接保持電容　時，用鉭電容等漏電電路小的電容，可以減小誤差。3－3　　單片機控制電路的設(shè)計與思考3－3－1　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路　　　　　　由于單片機只能處理數(shù)字信號，所以模擬信號必須以過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給CPU進行處理，本系統(tǒng)采用ADC0809進行轉(zhuǎn)換，在介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之前首先了解一下ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換集成塊 A/D0809在單片機的實時測控應(yīng)用系統(tǒng)中，我們需將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，才能輸入到CPU AT89C51進行處理。然后再將處理結(jié)果。實行控制等。經(jīng)過前級電壓與電流的采集，得到的參考電壓與電流。A/D0809轉(zhuǎn)換器芯片與AT89C51連接。圖(31)是8路8位逐次逼迫式A/D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，包括8位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道多路轉(zhuǎn)換器和微處理器兼容的控制邏輯。8通道多路轉(zhuǎn)換器能直接通8個單端模擬信號中的任何一個。A/D0809片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對8路05V的輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器SAR、控制與時序電路等。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機數(shù)據(jù)總線上。為了使A/D0809硬件設(shè)計更簡單、方便、特將其綜合功能總結(jié)如下：分辨率為8位。最大不可調(diào)誤差小于 1 LSB(線性度)。單一+5V供電，模擬輸入范圍為0V至5V。具有鎖存控制的8路模擬多路開關(guān)?？涉i存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。功耗為15mW。 不必進行零點和滿度調(diào)整。轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率范圍。時鐘頻率范圍：101280KHZ，