【正文】 上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 28 頁(yè)圖 36 數(shù)字電位器芯片結(jié)構(gòu)圖 Diagram of Digitally Controlled Potentiometer Chip 主放大器設(shè)計(jì)方案主放大器的濾波部分采用的電路結(jié)構(gòu)為高通+低通形式，分別對(duì)其濾波截止頻率進(jìn)行控制。實(shí)際上，對(duì)于本款數(shù)字電位器芯片，在每一個(gè) I2C 總線上最多可掛八片數(shù)字電位器芯片，總共 32 個(gè)數(shù)字電位器，數(shù)量上完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。另外，該芯片還有 11 個(gè)通用的非易失性寄存器，它們可以被用于存儲(chǔ)多個(gè)觸頭位置或其他有用的信息，以方便實(shí)際應(yīng)用。WRi 寄存器中的內(nèi)容控制對(duì)應(yīng)滑動(dòng)觸頭的位置。該款芯片內(nèi)部的數(shù)字電位器由電阻和 CMOS 開(kāi)關(guān)組成，用戶可以通過(guò) I2C接口對(duì)電位器滑動(dòng)觸頭的位置進(jìn)行控制。C。接口類型為 I2C 接口，電源電壓范圍為5V~+5V ，抽頭數(shù)為 256 個(gè)，總電阻值為 10kΩ，滑動(dòng)觸頭接觸電阻典型值為 70Ω，帶寬為 1MHz，工作溫度為40176。 數(shù)字電位器芯片選型一般來(lái)講，對(duì)數(shù)字電位器芯片進(jìn)行選型時(shí)，比較關(guān)心的技術(shù)參數(shù)包括如下：接口類型、電源電壓范圍、抽頭數(shù)、總電阻值、滑動(dòng)觸頭接觸電阻值、帶寬、工作溫度等。按照芯片內(nèi)存儲(chǔ)器類型來(lái)分類，可分為非易失性數(shù)字電位器、易失性數(shù)字電位器和一次性可編程數(shù)字電位器。如按照數(shù)字電位器的接口來(lái)分類，可分為八種接口：；； 2C 接口；加/減串行接口；； 總線接口； 總線接口；。數(shù)字電位器能設(shè)計(jì)各種可編程模擬器件，由微處理器或單片機(jī)來(lái)控制系統(tǒng)中的模擬功能，被廣泛用于智能儀器、電腦、手機(jī)、家用電器、現(xiàn)代辦公設(shè)備、汽車類電子產(chǎn)品、工業(yè)控上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 27 頁(yè)制、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。 數(shù)字電位器 數(shù)字電位器介紹數(shù)字電位器是一種采用 CMOS 工藝制成的數(shù)字 模擬混合信號(hào)處理集成電路，具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無(wú)觸點(diǎn)、低噪聲、不易污損、抗振動(dòng)、抗干擾、體積小、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，可在眾多領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的機(jī)械式電位器。上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 26 頁(yè)圖 35 前置信號(hào)調(diào)理電路的差分轉(zhuǎn)換模塊 DifferenceConverting Block of the PreSignal Processing Circuit 主放大器為了滿足不同測(cè)量方式的需要，主放大器采用程控濾波放大模式，使其增益、頻帶均可方便調(diào)節(jié)，以便適用于各種不同頻帶內(nèi)的局放信號(hào)的檢測(cè)。為此，前置放大器末端加入了差分轉(zhuǎn)換電路模塊。當(dāng)用于遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)為了使信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中受干擾的程度最小，在前置信號(hào)調(diào)理電路和程控信號(hào)調(diào)理電路之間，系統(tǒng)采用七芯電纜線進(jìn)行信號(hào)傳輸。高通濾波環(huán)節(jié)與低通濾波環(huán)節(jié)的基本電路結(jié)構(gòu)如圖 33 和圖 34 所示。前置信號(hào)調(diào)理電路的濾波環(huán)節(jié)采用的方式為高通濾波環(huán)節(jié)與低上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 25 頁(yè)通濾波環(huán)節(jié)串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)帶通濾波效果。由于信號(hào)調(diào)理電路中前級(jí)電路的信號(hào)噪聲會(huì)經(jīng)過(guò)后面的電路逐級(jí)放大，因此就要求將輸入級(jí)噪聲做到最小，該放大器芯片的高精低噪的特點(diǎn)，則正好滿足了設(shè)計(jì)需求。 其 中 D1 用 于 確 保 系 統(tǒng) 輸 入 信 號(hào) 的 電 壓 范 圍 在 安 全 范 圍 內(nèi) ，如 果 設(shè) 定 D1 的 二 極 管 管 壓 降 為 ， 則 經(jīng) D1 限 制 后 的 輸 入 信 號(hào) 電 壓 范 圍為 ~+； 瞬 態(tài) 抑 制 二 極 管 D2 和 氣 體 放 電 管 D3 可 以 抑 制 瞬 態(tài) 的 過(guò)電 壓 脈 沖 ， 在 出 現(xiàn) 高 能 量 的 大 脈 沖 時(shí) ， 能 夠 在極短的內(nèi)由原來(lái)的高阻抗?fàn)顟B(tài)變?yōu)榈妥杩?，并把電壓箝制到特定的水平，從而有效的保護(hù)用戶的設(shè)備和元器件不受損壞。前置放大器的輸入部分采用了易于插拔的 BNC 接頭，連接超聲傳感器。 。由于前置放大器是整個(gè)系統(tǒng)的第一級(jí)輸入電路，所以必須設(shè)置必要的保護(hù)裝置，以免輸入信號(hào)過(guò)電壓或瞬態(tài)脈沖對(duì)電路造成損壞，引起元器件燒毀等后果。遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，傳感器經(jīng)外置前置放大器后經(jīng)通過(guò)七芯電纜連接到檢測(cè)儀上，檢測(cè)儀內(nèi)部的（100x）前置放大器旁路。 前置放大器 前置放大器按章在傳感器附件，可以在第一時(shí)間對(duì)檢測(cè)到的局部放電信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大、濾波、保護(hù)等功能。上海交通大學(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)第 23 頁(yè)第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 從超聲傳感器上獲得的局放信號(hào)一般數(shù)值很小，且混合有數(shù)值可能高的多的工頻電壓或諧波分量。上海交通大學(xué)碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)第 22 頁(yè)信號(hào)調(diào)理板F P G A 數(shù)據(jù)采集處理板D D R S D R A M 讀寫(xiě)控制A R M 主控板F I F O 讀寫(xiě)控制I 2 C 驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用模塊 G P M C 通信模塊數(shù)據(jù)采樣模式控制 數(shù)據(jù)采樣參數(shù)控制觸發(fā)參數(shù)控制 F I R 等 D S P 算法專家診斷系統(tǒng) G U I 圖形界面U S B 讀寫(xiě)控制 S D 卡讀寫(xiě)控制電源管理工頻同步控制前置濾波放大電路程控濾波放大電路包絡(luò)檢波電路音頻輸出電路采樣率采樣周期放大器參數(shù)濾波器參數(shù)觸發(fā)參數(shù)采樣模式版本號(hào)采樣數(shù)據(jù)局放信號(hào)放大器參數(shù)濾波器參數(shù)包絡(luò)參數(shù)同步信號(hào)傳感器原始信號(hào)信號(hào)隔離電路工頻信號(hào)產(chǎn)生電路圖32 系統(tǒng)各部分功能定義 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的功能定義，包括系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)、功能特點(diǎn)和具體的性能指標(biāo)。FPGA 數(shù)據(jù)采集處理板主要完成局放信號(hào)的采樣、處理、存儲(chǔ)，并通過(guò) I2C 接口控制信號(hào)調(diào)理參數(shù)，同時(shí)通過(guò) ARM 主控板的通用存儲(chǔ)器接口（Generalpurpose memory controller, GPMC）接收 ARM 主控板的控制信號(hào)等；ARM 主控板主要完成專家診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、電源、工頻同步、通道控制及人機(jī)交互等功能。整個(gè)系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理板、FPGA 數(shù)據(jù)采集處理板和 ARM 主控板三部分組成。協(xié)處理器主要負(fù)責(zé)具體的信號(hào)采集、存儲(chǔ)和信號(hào)處理，并且作為主控制器和信號(hào)調(diào)理部分等外電路的連接紐帶，負(fù)責(zé)主控制器控制命令的功能實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。其中主控制器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、人機(jī)交互和通訊等。 系統(tǒng)的性能指標(biāo)綜合考慮局放檢測(cè)需要和設(shè)計(jì)成本等多方面因素之后，確定了超聲局放檢測(cè)儀的性能指標(biāo)，如表 31 所示。 系統(tǒng)的功能特點(diǎn)在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外各種超聲局部放電測(cè)試儀的功能指標(biāo)之后，并參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC60270，給出了本文設(shè)計(jì)超聲局部放電檢測(cè)儀的功能特點(diǎn)如下所示。本文所設(shè)計(jì)的超聲局部放電檢測(cè)儀的功能之二是專門(mén)為電纜中間接頭盒終端頭局部放電的在線測(cè)量而設(shè)計(jì)的。6SF而高壓電纜中間接頭發(fā)生局部放電故障的概率較高。雖然 絕緣電氣設(shè)備具有故障率低，免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但是這類設(shè)備一旦6S出現(xiàn)缺陷則不易查找，本文所設(shè)計(jì)的超聲局部放電檢測(cè)儀的功能之一是專門(mén)針對(duì) 絕緣電氣設(shè)備的絕緣診斷和局放故障定位所設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)功能定義 系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)隨著電力工業(yè)的高速發(fā)展， 絕緣電氣設(shè)備（GIS, 斷路器）和交流聚6SF6SF乙烯電纜（XLPE 電纜）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并逐步成為新建電力設(shè)施的首選設(shè)備。所設(shè)計(jì)的超聲局放檢測(cè)儀綜合了模擬和數(shù)字電路理論，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)系統(tǒng)分為信號(hào)調(diào)理部分、基于 FPGA數(shù)據(jù)采集部分和基于 ARM 的專家診斷部分。上海交通大學(xué)碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)第 18 頁(yè)第三章 超聲局部放電檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本文通過(guò)設(shè)計(jì)完整的軟硬件系統(tǒng)，完成對(duì)超聲局放信號(hào)的信號(hào)調(diào)理、采樣、存儲(chǔ)和診斷，并最終通過(guò)人機(jī)交互界面將診斷結(jié)果直觀準(zhǔn)確地顯示出來(lái)。a0、aa2——壓力波 The relationship between Phase velocity, wave group velocity and the frequency上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性第 17 頁(yè)圖26 管壁中平面波激發(fā)彎曲波 Plane wave excitation of a flexural wave in a plate 本章小結(jié)本章介紹了超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性，著重介紹了氣泡中局部放電的超聲波信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程，并對(duì)聲波的傳播特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。目前來(lái)說(shuō)，提高氣體壓力可以提高穿透率 [29]。如果聲信號(hào)的頻率不滿足圖26中所示的關(guān)系式，則不會(huì)入射到管壁 [32]。在氣體中，平板中激發(fā)的平面波受一定的約束：平行于平板的成份，其波長(zhǎng) 必等于實(shí)際頻率的波長(zhǎng)，即為：? （227）/sin??平 極相應(yīng)的，入射角度 取決于頻率和氣體中信號(hào)相速度。聲信號(hào)沿壁的傳播速度由波群速度決定,波群速度亦可稱信息傳播速度。如圖中所示，速度取決于平板厚度和頻率的乘積，如果乘積小于2mmMHz,則只產(chǎn)生了零次波。上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性第 15 頁(yè)零次波一般為彎曲波和半縱向波。對(duì)于聲波特性來(lái)說(shuō),當(dāng)GIS密封的管壁厚度和平板厚度相同時(shí),GIS管壁與平板具有的相同的特性。這些復(fù)雜的聲波可分解為壓力波和剪力波,而且依靠結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件、材料等。在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中,如GIS中,聲波形式變得更復(fù)雜。傳感器殼體粒子空氣局放6SF?圖23 聲的傳播路徑 Sound transmission path 聲波傳播形式在無(wú)限大的固體中,壓力波和剪力波是共存的,而且兩種波的傳播速度并不相同,剪力波速大約為壓力波速的60%。由傳感器測(cè)得的聲信號(hào)幅值和形狀,不但是發(fā)射源的函數(shù),而且與路徑有很大關(guān)系 [29]。從粒子發(fā)出的聲信號(hào)直接到達(dá)金屬殼,然后通過(guò)金屬到達(dá)傳感器。從GIS內(nèi)部的聲源和到外部聲傳感器的路徑見(jiàn)圖23所示。 超聲信號(hào)路徑以跳動(dòng)粒子和局部放電作為兩個(gè)聲波發(fā)射源。一維直線波沒(méi)有空間衰減。空間衰減只簡(jiǎn)單受空間幾何形狀的影響，在點(diǎn)聲源發(fā)射情況下,球形聲波的波強(qiáng)上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性第 14 頁(yè)與距聲源的距離的平方成反比。在 SF6 氣體中,聲能的吸收基本不變,可謂一常數(shù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，聲波衰減是由于介質(zhì)對(duì)聲能的吸收和空間衰減而來(lái)。造成衰減的原因很多，如波的擴(kuò)散、波的反射和熱傳導(dǎo)等。 聲波傳播中的衰減 聲波的幅值與聲能的平方根成正比。不同頻率的聲波傳播速度也不同，頻率越高傳播速度越快。C? /ms表21 聲波傳播速度（ ）/s媒質(zhì) 速度 媒質(zhì) 速度 媒質(zhì) 速度氫 1280 油紙 1420 鋁 6400空氣 330 油紙板 2300 鋼 60006SF140 聚四氟乙烯 1350 銅 4700礦物油 1400 聚乙烯 2022 鉛 2170水 1483 有機(jī)玻璃 2640~2820 鑄鋼 3500~5600磁料 5600~6200 聚苯乙烯 2320 不銹鋼 5660~7390天然橡膠 1546 環(huán)氧樹(shù)脂 2400~2900 氣體媒質(zhì)中聲波傳播速度在 130~1300 范圍內(nèi)，這與氣體分子的平均運(yùn)/ms動(dòng)速度很接近。不同類型、不同頻率的聲波，在不同的溫度下，通過(guò)不同媒質(zhì)的速度都不相同。在這個(gè)過(guò)程中聲波要發(fā)生衰減，聲波的傳播速度也可能發(fā)生變化。得到： （27）0eUqE?忽略局部放電的振蕩過(guò)程時(shí)，由式227可知，超聲波幅值與真實(shí)放電量成正比。忽略局部放電的振蕩過(guò)程以及氣泡的體積變化,則uc正比于超聲波的聲壓，得到： （26）0sin()tcUue??????式中， ， ， ，2mRL??21()mRCL20??arctg??可以看出當(dāng)氣泡內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，氣泡在脈沖電場(chǎng)力的作用下將產(chǎn)生為衰減的振蕩運(yùn)動(dòng)，在氣泡振動(dòng)的作用下周圍的介質(zhì)中將產(chǎn)生超聲波。氣泡局部放電的力學(xué)過(guò)程類似于電路中的二階電路的零輸入響應(yīng)因此氣泡中彈性力的受力滿足下式的二階方程： （24）20ccmmduLCRutdt??上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性第 12 頁(yè)eFrrqmMmmRCmRmLm+CU a 放電前 b 放電后圖 21 氣泡受力分析 圖 22 力學(xué)等效電路 Bubble force analysis Fig22. Mechanical equivalent circuit 一般情況下，對(duì)于油介