專利名稱：快速基波檢測(cè)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于節(jié)能技術(shù)中電能質(zhì)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于開關(guān)電 容濾波電路與等幅移相電路的快速基波檢測(cè)電路。
背景技術(shù)：
目前研究最為廣泛的基波檢測(cè)方案是基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測(cè)方 法，這種檢測(cè)方案要經(jīng)過幾次坐標(biāo)變化的計(jì)算和一個(gè)低通濾波器的濾波， 實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，而且該方法是基于三相系統(tǒng)而提出的，它假設(shè)系統(tǒng)電 壓是純正弦波，該假設(shè)在很多情況往往不容易滿足。另一種基波檢測(cè)方法 采用模擬帶通或帶阻濾波器，這種檢測(cè)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，品質(zhì)因數(shù)易
于控制。但該方法也有許多缺點(diǎn)如濾波器的中心頻率和精度對(duì)元件參凄t 十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)也十分敏感，難以獲得 理想的幅頻特性和相頻特性。除此之外，還有采用傅立葉分析或快速傅立 葉變換FFT((fast Fourier transform,)的方法， 一般必須采用計(jì)算機(jī)或 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)才能完成，計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。而且必須 與電網(wǎng)頻率嚴(yán)格同步， 一般適合于作離線的諧波分析。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的為了克服現(xiàn)有基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測(cè)方法和 采用模擬帶通或帶阻濾波器的不足，提供一種簡(jiǎn)單易行、集成度高、穩(wěn)定 型的快速基波;險(xiǎn)測(cè)電路。
本電路具體的技術(shù)是快速基波檢測(cè)電路，由開關(guān)電容濾波器電路和 等幅移相電路組成，其特征在于開關(guān)電容濾波器電路的輸出端與等幅移 相電5^輸入端相連。
所述的開關(guān)電容濾波器電路為以低通8階巴特沃斯開關(guān)電容濾波器 作為濾波芯片，濾波芯片的時(shí)鐘輸入腳上接一電容，正電源腳、負(fù)電源腳 之間串聯(lián)一電容，正電源腳與接地腳接一分壓電阻，負(fù)電源腳與接地腳接 一并聯(lián)電容和電阻，信號(hào)輸出腳依次與一電容、電阻及運(yùn)算放大器的正極 相連，運(yùn)算放大器的負(fù)極與運(yùn)算放大器的輸出腳之間相連，濾波芯片的信 號(hào)輸入腳為開關(guān)電容濾波器電路的輸入端，運(yùn)算放大器的輸出腳為開關(guān)電 容濾波器電路的輸出端。
所述的等幅移相電路為將開關(guān)電容濾波器電路的輸出端通過一電位 器連接到運(yùn)算放大器的正腳，將開關(guān)電容濾波器電路的輸出端通過一電阻連接到運(yùn)算放大器的負(fù)腳，將運(yùn)算放大器的輸出腳經(jīng)一電阻連接到運(yùn)算放 大器的負(fù)腳上。
根據(jù)開關(guān)電容與電阻等效的原理，設(shè)計(jì)了 一個(gè)包括開關(guān)電容濾波器電
路(Switched-Capacitor Filter簡(jiǎn)寫為SCF)和等幅移相電路在內(nèi)的整個(gè)枱r 測(cè)電路，具體見圖l和圖2。在開關(guān)電容濾波電路上，本電路選擇了一種 低通8階巴特沃斯開關(guān)電容濾波器MAX291作為濾波IC,由于該芯片的制 造工藝決定了其輸入信號(hào)的頻率在-1到+4V之間變化，因此為了完成濾波 任務(wù)， 一般須在原來的信號(hào)的基礎(chǔ)上加一個(gè)直流偏置。具體的連接如圖1， 在MAX291的l腳也就是時(shí)鐘輸入腳上接一電容用來產(chǎn)生時(shí)鐘頻率。在芯片 的8腳接信號(hào)輸入，正電源腳為7腳，負(fù)電源腳為2腳，6腳(GND接地腳) 及其旁路為芯片提供電源，R138、 R139為分壓作用，5腳為信號(hào)輸出腳， 在5腳信號(hào)輸出后接C31、 R141為濾掉上述的直流偏置，經(jīng)過高通濾波之 后連接到IC22C的正腳10,輸出端0UT1連接負(fù)腳9起跟隨作用。
在等幅移相電路上如圖2設(shè)計(jì)了以IC7A為主芯片的等幅移相電路。輸 入IN2分別經(jīng)過R1和W1連接到芯片的負(fù)腳2，正腳3上。輸出端0UT2經(jīng)
1 + _/2; /CWl
=1
相角差
過RF回饋到芯片的負(fù)2腳起反^f作用。a =
由電子電^^知識(shí)可知傳遞函凄t為 為0 = -2&-'p^CWl)也就是說，該電路的相角是隨著電位器Wl和電容
器C的大小的變化而變化。在實(shí)際使用中， 一般電容是不容易被調(diào)整的， 所以一般比較容易實(shí)現(xiàn)的方式就是調(diào)整電位器的大小。從上式可知通過 調(diào)整電位器的大小，該電路的相位變化范圍接近180度。
鑒于普通的RC有源濾波器的截止頻率是電路時(shí)間常數(shù)RC的函數(shù)，
/。-f^Q，而采用一個(gè)開關(guān)電容來等效其中的電阻，則有/。=印0/0>(1/厶》。
只要改變時(shí)鐘頻率fc,就可隨意調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率,。。
在IC芯片里，芯片電容的容量誤差可以達(dá)到10%，而電容比的誤差卻 只有0. 01%，決定濾波器截止頻率的時(shí)間常數(shù)RC恰可表示為若干電容的比 值，而與絕對(duì)容量無關(guān)。所以SCF的濾波截止頻率可達(dá)到很高精度且具有 良好的溫度穩(wěn)定性。
在開關(guān)電容濾波器的選擇上，本電路選擇8階巴特沃斯開關(guān)電容濾波 器MAX291作為濾波芯片IC，是因?yàn)槭忻嫔隙酁?階，鑒于上述理論，濾 波器的階數(shù)n和截止頻率fc可以選擇。當(dāng)截止頻率一定時(shí)，階數(shù)越高，檢 測(cè)的精度越高，但是階數(shù)越高，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越慢，且實(shí)現(xiàn)的電路元件 數(shù)目越多越復(fù)雜。通過仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)階數(shù)一定時(shí)，截止頻率離基波或信號(hào) 所含的其他的頻率太近，檢測(cè)出來的基波信號(hào)幅值會(huì)受影響。綜上所述，基波所需的低通濾波器的階數(shù)大約為6階，在有三次諧波的情況下，截止 頻率選100Hz就可以同時(shí)滿足精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。但是由于市場(chǎng)很少 有6階供應(yīng)，因此本電路選擇了 MAX291這種8階低通巴特沃斯型作濾波芯 片。當(dāng)實(shí)際三相系統(tǒng)中的三次諧波含量4艮低時(shí)，截止頻率可以選擇得更高 一些，這樣階數(shù)可以下降從而可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因?yàn)閊r測(cè)精度是與動(dòng)態(tài) 響應(yīng)相矛盾的，實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)可以根據(jù)諧波源的特點(diǎn)和目前成熟的濾波 器設(shè)計(jì)理論來選擇參數(shù)以滿足需要。
由于上述原因本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)a)通過調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率fc就可 隨意調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率,。。b)芯片體積可大大縮小，便于集成。c)具 有很高精度和良好的溫度穩(wěn)定性。d)沒有數(shù)字濾波器的A/D、 D/A轉(zhuǎn)化和實(shí) 現(xiàn)簡(jiǎn)單。e)只要4艮少的外圍器件即可為了完成濾波任務(wù)。


圖1為開關(guān)電容濾波電路圖。
圖2為等幅移相電路圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的說明
如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型由開關(guān)電容濾波器電路和等幅移相電 路組成，開關(guān)電容濾波器電路的輸出端與等幅移相電路輸入端相連，所述 的開關(guān)電容濾波器電路為以低通8階巴特沃斯開關(guān)電容濾波器MAX291作 為濾波芯片，濾波芯片的時(shí)鐘輸入腳上接一電容，正電源腳、負(fù)電源腳之 間串聯(lián)一電容，正電源腳與接地腳GND接一分壓電阻、負(fù)電源腳與接地腳 GND接一并聯(lián)電容和電阻，信號(hào)輸出腳依次與一電容、電阻及IC22C運(yùn)算 放大器的正極相連，IC22C運(yùn)算放大器的負(fù)極與IC22C運(yùn)算放大器的輸出 腳之間相連，濾波芯片MAX291的信號(hào)輸入腳為開關(guān)電容濾波器電路的輸入 端，IC22C運(yùn)算放大器的輸出腳為開關(guān)電容濾波器電路的輸出端。
所述的等幅移相電路為以IC7A運(yùn)算放大器為芯片，將開關(guān)電容濾波 器電路的輸出端通過一電位器連接到IC7A運(yùn)算放大器的正腳，將開關(guān)電容 濾波器電路的輸出端通過一電阻連接到IC7A運(yùn)算放大器的負(fù)腳，將IC7A 運(yùn)算放大器的輸出腳經(jīng)一電阻連接到IC7A運(yùn)算放大器的負(fù)腳上 按圖1，圖2方式構(gòu)成電路，開關(guān)電容濾波器芯片為MAX291該開關(guān)電容 濾波芯片截止頻率從0. 1Hz到25kHz之間變化。時(shí)鐘頻率決定了截止頻率， 時(shí)鐘頻率和截止頻率之比為100: 1,只需選擇決定截止頻率的時(shí)鐘頻率即可 完成濾波電路的設(shè)計(jì)。在MAX291芯片中CLK引腳可以被一個(gè)外部時(shí)鐘或者一 個(gè)內(nèi)部振蕩器來設(shè)置，內(nèi)部振蕩器的頻率由一個(gè)外接的來決定。本文為了簡(jiǎn)
5單起見，選擇了在CLK引腳上外接一個(gè)電容的方式來產(chǎn)生時(shí)鐘頻率。該電容 的大小的選擇原則見關(guān)于MAX291芯片時(shí)鐘頻率的參數(shù)。
該芯片的制造工藝決定了其輸入信號(hào)的頻率在-1到+4V之間變化，因此 為了完成濾波任務(wù)， 一般須在原來的信號(hào)的基礎(chǔ)上加一個(gè)直流偏置。所以在 信號(hào)的輸出端必須采用一個(gè)高通濾波來濾掉該直流偏置，如圖1中的C31和 R141所示。信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后一般相位不會(huì)與原來的信號(hào)一致，輸入輸 出信號(hào)之間會(huì)有一個(gè)相移。采用MAX291這種8階低通開關(guān)電容濾波器的方式 也不例外。為了消除這個(gè)相移又不影響信號(hào)的幅值，本文特地設(shè)計(jì)了一個(gè)等 幅移相電路圖2，根據(jù)電子電路知識(shí)，該等幅移相電路的傳遞函數(shù)為
G12("
1 —
rin2("1 + jCW1
(1)
其幅值:
4,=
1 — /2^CW1
1 + _/2; /CWl
=1
(2)
從而電路的幅值保持不變。且不會(huì)隨信號(hào)的頻率的變化而變化。
但是該電路的相角差
0 = —2^(2t^CW1) (3)
也就是說，該電路的相角是隨著電位器Wl和電容器c的大小的變化而變
化。在實(shí)際使用中， 一般電容是不容易被調(diào)整的，所以一般比較容易實(shí)現(xiàn)的
方式就是調(diào)整電位器的大小。從式(3)可知通過調(diào)整電位器的大小該電路的 相位變化范圍接近18Q度，可以調(diào)到所需要的值。
權(quán)利要求1、快速基波檢測(cè)電路，由開關(guān)電容濾波器電路和等幅移相電路組成，開關(guān)電容濾波器電路的輸出端與等幅移相電路輸入端相連，所述的開關(guān)電容濾波器電路為以低通8階巴特沃斯開關(guān)電容濾波器作為濾波芯片，濾波芯片的時(shí)鐘輸入腳上接一電容，正電源腳、負(fù)電源腳之間串聯(lián)一電容，正電源腳與接地腳接一分壓電阻，負(fù)電源腳與接地腳接一并聯(lián)電容和電阻，信號(hào)輸出腳依次與一電容、電阻及運(yùn)算放大器的正極相連，運(yùn)算放大器的負(fù)極與運(yùn)算放大器的輸出腳之間相連，濾波芯片的信號(hào)輸入腳為開關(guān)電容濾波器電路的輸入端，運(yùn)算放大器的輸出腳為開關(guān)電容濾波器電路的輸出端；所述的等幅移相電路為將開關(guān)電容濾波器電路的輸出端通過一電位器連接到運(yùn)算放大器的正腳，將開關(guān)電容濾波器電路的輸出端通過一電阻連接到運(yùn)算放大器的負(fù)腳，將運(yùn)算放大器的輸出腳經(jīng)一電阻連接到運(yùn)算放大器的負(fù)腳上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及快速基波檢測(cè)電路，由開關(guān)電容濾波器電路和等幅移相電路組成，開關(guān)電容濾波器電路的輸出端與等幅移相電路輸入端相連。由于上述原因本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)a)通過調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率就可隨意調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率；b)芯片體積可大大縮小，便于集成；c)具有很高精度和良好的溫度穩(wěn)定性；d)沒有數(shù)字濾波器的A/D、D/A轉(zhuǎn)化和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；e)只要很少的外圍器件即可為了完成濾波任務(wù)。
文檔編號(hào)G01R23/16GK201344952SQ20092008323
公開日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者李達(dá)義 申請(qǐng)人:武漢市通益電氣有限公司