【文章內(nèi)容簡介】 通有源濾波器電路原理圖在運算放大器為理想器件時，電路的頻率特性為 （2CINOUTfj??16）一階低通有源濾波器在 R=1KΩ，C= 時的 EWB 仿真頻率特性如下圖 25 所示。圖 25 一階低通有源濾波器頻率特性曲線截止頻率 ，若選擇電阻 和電容 C 的值，使 遠大于被測信??RCfC?21?RCf號頻率，由式（26）可知，濾波器輸出電壓近似等于輸入電壓。在這種條件下，輸出相對輸入的相位移也近似為零。這個電路最大的特點是放大器被接成射極張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計11跟隨器，能更好地與信號源和后級電路配合。由一階低通濾波器的仿真頻率特性圖可知，其幅頻特性并不理想。為了改善濾波效果，也可以采用二階低通濾波器，當然電路會更復(fù)雜一些。圖 26 二階有源低通濾波電路二階有源低通濾波電路如圖 26 所示。由圖可見，它是由兩節(jié) RC 濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電路實際上就是所謂的壓控電壓源。其特點是，輸入阻抗高，輸出阻抗低。前已指出，同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即 。由電路圖10RAfVF??可得該電路的傳遞函數(shù)為 （2?? 22022nnVFio sQsAsSA?????7）用 s=jw 帶入式（27 ） ，可得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)表達式，分別為 （2??2201lg2lg2 ?????????????????????QAj nn?8） （2????21????????nnarctg??9）其中 為特征角頻率，而 則稱為等效品質(zhì)因數(shù)。??RCn1??VFAQ??3湖北民族學院信息工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書12圖 27 二階有源低通濾波器頻率特性曲線二階有源低通濾波電路在 R=1KΩ，C= 時的 EWB 仿真頻率特性曲線如上圖 27 所示，相比一階低通濾波電路得濾波效果要好得多。如果進一步增加濾波電路階數(shù)，其幅頻響應(yīng)將更接近理想特性。至于濾波所帶來的信號的相位偏移可以根據(jù)實際情況在程序設(shè)計時予以補償。被測參量極性變換電路可以采用圖 28 所示的絕對值電路 [19]。該電路包括兩部分：由以集成運算放大器 A 為核心的精密檢波器和 B 組成的反相加法器組成。當輸入電壓 0 時，二極管 反相阻斷， 導(dǎo)通，檢波器輸出電壓INu1VD2V （2INuR12??10）張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計13圖 28 絕對值電路當輸入電壓 0 時，二極管 導(dǎo)通， 阻斷，檢波器輸出電壓 =0。INu1VD2 1u對于由 B 組成的反相加法器來說，其輸出電壓 （2?????????14535uRINOUT11）正確選擇電路中的電阻值，使 =R4， ，代入式（221 4532R?10）和式（211）可得：當 0 時， = +2 = ；當 0 時，由于INuOUTINu?1IINu=0，所以 = 。由此得到該電路的輸出電壓1uOUTI? （2INOUT?12）此外，還可用交流電壓串聯(lián)標準直流電壓、整流橋等電路來實現(xiàn)極性變換。本設(shè)計中的集成運放選用 741 通用型集成運放。通用型集成運放是指這A?類運放具有一般的性能指標，主要參數(shù)，通用性比較強，應(yīng)用靈活，價格便宜，基本上能兼顧到各方面的要求 [20]。通用型運放根據(jù)增益高低可分低增益（開環(huán)增益在 60～80dB）的通用Ⅰ型；湖北民族學院信息工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書14中增益（開環(huán)電壓增益在 80～100dB）的通用Ⅱ型；高增益（開環(huán)電壓增益大于 100dB）的通用Ⅲ型，主要產(chǎn)品有 741 等。A?在參數(shù)的計算中，運放電路電壓增益=20lg| |dB，其中V.， 為輸出開路（ ）時的電壓增益。oLVOioVRA??.... VO. ??LR 模擬仿真測試當 Iin=，50Hz ；R=；R 1=；R 2=10KΩ 時，電流電壓變換電路的 EWB 仿真波形圖如圖 29 所示。圖 29 電流電壓變換電路仿真波形圖 圖 210 是同相比例放大器在 R=Rf=1KΩ 時的輸入輸出波形圖。圖 211 是當 R3=R5=20KΩ，R 1=R2=R4=R6=R7=10KΩ 時絕對值電路的輸入輸出仿真波形圖。張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計15圖 210 同相比例放大器輸入輸出波形圖圖 211 絕對值電路輸入輸出波形圖 信號采集單元設(shè)計現(xiàn)場采集的參數(shù)與狀態(tài)有模擬量（電壓、電流、功率、流量、溫度……） 、開關(guān)量（斷路器位置）等。計算機監(jiān)控系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)周期地從現(xiàn)場變送裝置或 RTU 采集的數(shù)據(jù)（參數(shù)和狀態(tài)）送到數(shù)據(jù)庫，并從數(shù)據(jù)庫定時取出實時數(shù)據(jù)進行巡回檢測、選點顯示、報警、記錄和功率總加。由此可見，SCADA 系統(tǒng)首要任務(wù)是向操作員提供運行信息。其中信息顯示與記錄包括設(shè)湖北民族學院信息工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書16備狀態(tài)監(jiān)視和事件順序記錄，事故追憶和相關(guān)量的記錄，趨勢分析和監(jiān)視，事故順序記錄，報表打印和建立運行檔案，故障錄波。自動操作與控制包括正常運行控制，緊急控制和保護、恢復(fù)控制，報警處理，數(shù)據(jù)計算，監(jiān)控系統(tǒng)的自診斷及自恢復(fù)，人機聯(lián)系，數(shù)據(jù)通信等 [21]。 A/D 轉(zhuǎn)換器接口電力系統(tǒng)中經(jīng)常需要測量多路電壓及電流信號，當被測的現(xiàn)場模擬量數(shù)量大于監(jiān)控單元中 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道數(shù)時，可以有兩種接口方法。一是增加 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片數(shù)量，使模擬通道數(shù)等于或大于被測模擬信號的數(shù)量。這種方法不僅要增加 A/D 轉(zhuǎn)換器及外部采樣保持器的數(shù)量，使監(jiān)控單元硬件成本提高，而且會增加程序設(shè)計和執(zhí)行的開銷，適用于采樣速率非常高的場合。二是在模擬信號頻率較低，采樣速率要求不是非常高的應(yīng)用中，可采用模擬量多路轉(zhuǎn)換器（也稱多選一模擬開關(guān)）來擴展 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道 [22]。此外，在多模擬量輸入通道的監(jiān)控單元中，采用多路模擬信號共用 S/H 和 A/D 結(jié)構(gòu)時，也需要使用多路轉(zhuǎn)換器。當然，為了提高電路可靠性，還需要從采樣精度、速度及經(jīng)濟成本等多個方面權(quán)衡，選擇合適的采樣方式和采樣頻率，并注意強弱電的隔離和電磁干擾，從而確定最終的軟、硬件設(shè)計和元器件的選擇。如前所述，現(xiàn)場的被測模擬量種類可以有很多種，有的變化頻率高（如電壓、電流、觸頭位置） ，有的變化則很緩慢（溫度、濕度、壓力） ?？紤]到 A/D轉(zhuǎn)換器本身的轉(zhuǎn)換時間和處理器采樣控制程序的執(zhí)行時間，如果被測模擬量的幅值變化足夠快，從處理器發(fā)出轉(zhuǎn)換指令開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束時完成采樣，被測模擬信號的值已經(jīng)不是轉(zhuǎn)換指令發(fā)出時刻的值，這會給測量帶來很大的誤差，必須在設(shè)計模擬量采樣環(huán)節(jié)時充分考慮?？捎玫姆椒ㄓ袃煞N，一種是選用帶有內(nèi)部采樣保持的 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片；另一種是在普通 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端加一片外采樣保持器。如果被測模擬量信號變化非常慢，從轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束，輸入模擬信號的大小幾乎沒有變化，采樣環(huán)節(jié)中就只需 A/D 轉(zhuǎn)換器 [23]。綜上所述，模擬量輸入多通道結(jié)構(gòu)可以歸納為以下三種電路結(jié)構(gòu)。 圖 212 獨立單通道組成的多模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)(1)由多個獨立的單通道組成……傳 感 器信號調(diào)理 S/HS/HA/DA/D隔 離中央控制模塊模擬輸入量張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計17在這種結(jié)構(gòu)的電路中，每個通道就是一個完整的單輸入模擬通道，有獨立的采樣保持器 S/H 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D，其電路結(jié)構(gòu)如圖 212 所示。由于各通道完全獨立，這種結(jié)構(gòu)允許其中所有通道同時轉(zhuǎn)換，通道間數(shù)據(jù)保持同步，在A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換頻率相同的條件下，比下面將要討論的電路轉(zhuǎn)換速度高。因為每個通道都有采樣保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這種電路結(jié)構(gòu)的多模擬量輸入通道價格較高，與中央控制模塊接口的電路比較復(fù)雜，主要用于高速數(shù)據(jù)采集的場合。(2)多路模擬信號通道公用 S/H 和 A/D在這種結(jié)構(gòu)的電路中，各模擬信號有獨立的傳感器，但使用同一個調(diào)理電路、采樣保持器和 A/D 變換器。經(jīng)過傳感器后的所有模擬信號被分別送到多路轉(zhuǎn)換器的各輸入端，其公共輸出端接至共用的信號調(diào)理電路和 S/H。中央控制模塊按要求一次選通多路開關(guān)中的一條，只有被選中的那一路模擬信號才能得到采樣和處理。圖 213 給出了這種多路模擬通道的電路結(jié)構(gòu)。與前一種結(jié)構(gòu)相比，由于共用 S/H 和 A/D，電路元件減少，結(jié)構(gòu)簡化，價格也較低。但每次只能采樣一路模擬量，各通道數(shù)據(jù)不能同步，采樣周期較長，它多用于模擬信號變化較慢，采樣周期比中央控制模塊處理周期短得多的場合。 圖 213 多路模擬信號共享采樣通道結(jié)構(gòu)另外還有一種介于前兩者之間結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)組成框圖如圖 214 所示。圖 214 多路模擬信號共享 A/D 通道結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)比較方便，所有的 S/H 可同時選中，可使某一時刻各個檢測點上的模擬量同時保持下來，供單片機分時地加以檢測和處理，以確保檢測到的數(shù)字…模 擬 信 號傳 感 器信 號 調(diào) 理多 路 開 關(guān)S/HS/HA/D隔 離中央控制模塊模 擬 信 號傳 感 器信 號 調(diào) 理多 路 開 關(guān)S/H A/D隔 離中央控制模塊信 號 放 大湖北民族學院信息工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書18量具有時間上的一致性。該系統(tǒng)由 8 路采樣保持電路、多路開關(guān)、A/D 及濾波單元組成。模擬信號通過采樣/保持電路進行采樣，然后進行保持，將保持的信號通過由地址控制的多路開關(guān)送進 A/D 轉(zhuǎn)換器，將模擬量變成數(shù)字量， A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送入系統(tǒng)處理 [24]。由于其相比圖 213 所示的結(jié)構(gòu)需采用更多的S/H，仍比較復(fù)雜。因此，本設(shè)計中選用圖 213 所示的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。當然，對于直流或者緩慢變化的模擬信號，雖然可以不用采樣保持器，但信號電壓幅值的最大變化率是要有一定限制的。對于測量溫度和壓力等非電氣參量，可采用 V/F 轉(zhuǎn)換器，以增強抗干擾能力，傳感器輸入信號通過轉(zhuǎn)換與處理，變成電壓模擬量，通過切換通道選擇一路進行壓頻（V/F）轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的頻率信號接至單片機的計數(shù)器 T1 的引腳，通過一定時間間隔內(nèi)計數(shù)器 T1 的數(shù)值得出對應(yīng)的溫度和壓力 [25]。(1)多路開關(guān)多路開關(guān)又稱為“多路模擬轉(zhuǎn)換器” 。多路開關(guān)通常有 N 個模擬量輸入通道和一個公共的模擬量輸出端，并通過地址線上不同的地址信號把 N 個通道中任一通道輸入的模擬信號從公共輸出端輸出，實現(xiàn)由 N 線到 1 線的接通功能。反之，當模擬信號由公共輸出端輸入時，作為信號的分離，實現(xiàn)了由 1 線到 N線的分離功能。因此，多路開關(guān)通常是一種具有雙向傳輸能力的器件 [26]。(2)采樣保持器在前向通道中，采樣保持器的作用主要是能保證輸入模擬量在 A/D 轉(zhuǎn)換期間保持不變，以提高 A/D 轉(zhuǎn)換的精度。當然，對于緩慢變化的模擬量，采樣保持器也可以省去不用。但對于快速變化的模擬量，只有使用采樣保持器才能確保檢測精度。對于模擬量快慢的判定，既要考慮所用 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間，又要考慮系統(tǒng)所允許的最大采樣時間。采樣保持器的工作原理圖如圖 215 所示。圖 215 采樣保持器原理電路圖張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計19采樣保持器平時總是工作在采樣狀態(tài)下，開關(guān) S 接通，輸出始終跟隨輸入模擬信號，當有采樣控制信號輸入時變?yōu)楸３譅顟B(tài)；開關(guān) S 分斷，電路的輸出保持為采樣控制信號發(fā)出時刻的輸入模擬信號值。如果快速變化的被測模擬量經(jīng)過它與 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入端接口，處理器在向 A/D 轉(zhuǎn)換器發(fā)出開始轉(zhuǎn)換指令的同時，向它提供采樣控制信號；轉(zhuǎn)換結(jié)束時，再使它回到采樣狀態(tài)。這樣，A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，就是轉(zhuǎn)換指令發(fā)出時刻輸入模擬量對應(yīng)的數(shù)字量。(3)A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器A/D 轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的芯片，而 D/A 轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的芯片。A/D 轉(zhuǎn)換器的品種與類型非常多，根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換電路的工作原理可以分為以下幾大類型：即雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，一般具有精度高，抗干擾性好，價格便宜等優(yōu)點，但轉(zhuǎn)換速度慢，廣泛用于數(shù)字化儀表中；逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價格上都適中；并行 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種用編碼技術(shù)實現(xiàn)的高速 A/D 轉(zhuǎn)換器。①A/D 轉(zhuǎn)換器的工作過程選定某種 A/D 轉(zhuǎn)換器與任何型號的 CPU 連接，工作過程大體都要經(jīng)過三個階段。首先，由 CPU 給出啟動信號，啟動 A/D 開始轉(zhuǎn)換。其次，由于轉(zhuǎn)換需要時間，不可能立刻得到結(jié)果，都要等待一段時間。A/D 轉(zhuǎn)換芯片都有一根專門的信號線表示轉(zhuǎn)換結(jié)束?？捎眠@種轉(zhuǎn)換結(jié)束信號作為中斷請求信號，用中斷方式接收，也可以這根線進行查詢，還有一種方法就是采用設(shè)定延時進行等待。最后，當判斷轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束時，由 CPU 執(zhí)行一條指令，從 A/D 轉(zhuǎn)換芯片中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。一般說來，A/D 轉(zhuǎn)換器有自己允許的最大輸入模擬量變化頻率，超過這個