集成运放在电机数据采集中的应用研究

肖闽进 施杨 李阳 韦佳明 刘秋梅 顾俊

(常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

电力系统主变压器的冷却系统一般配置多组循环油泵和风扇进行散热冷却，其油泵和风扇电机的工作状态直接关系到主变压器的运行安全。［1－2］集成运算放大器具有集成度高，可靠性好，增益稳定等优点，与专用器件相比，其性价比高，并且可以灵活运用。该设计采用集成运算放大器对主变压器的冷却器电机的过流、缺相和短路等状态进行检测和信号调理，实现了对多组三相电机的工作数据采集，为冷却器控制电路提供相应的动作参数。［3］

1 集成运算放大器的电路结构及参数运用

1.1 运算放大器的电路结构

集成运算放大器的电路结构一般由差分输入、中间放大、互补放大输出以及恒流源电源电路组成，［4］如图1所示。由图1可见，运算放大器实质上是一种高增益直接耦合放大电路。其中差分输入级为抑制共模信号，通常采用高性能差分放大电路，即双端输入、双端输出的形式。中间放大级的主要作用是提供高开环放大倍数，作为运算放大器运算精度的保证，通常由共发射极组成多级耦合放大电路。互补输出级要提供较大输出电压或电流，通常由NPN和PNP三极管或复合管组成。偏置电流源通常采用各种恒流源电路，为各级提供稳定的偏置电流，保持各级放大器的工作点和整个运算放大器的工作处于稳定状态。［5－6］

运算放大器的供电方式有单电源和双电源方式。单电源供电方式输出信号在电源与地之间变化，双电源供电方式输出信号在0电压两侧变化。

1.2 运算放大器的主要参数及物理意义［7－8］

Uio(输入失调电压):当输入电压为0时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。Uio是表征运算放大器内部电路对称性的指标。

Iio(输入失调电流):当输入信号为0时，放大器两输入端的静态基极电流差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

IiB(输入偏置电流):运算放大器两输入端静态偏置电流的平均值。

Auo(开环差模电压放大倍数):运算放大器在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。

Uopp(最大输出电压):输出不失真时的最大输出电压值。

Uicm(最大共模输入电压):在保证运算放大器正常工作的条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

Kcmr(共模抑制比):差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数绝对值之比，常用分贝数来表示。

设计中应用的运算放大器的典型参数值:

输入失调电压:＜5 mV

输入失调电流:＜0.5 pA

输入偏置电流:＜10 pA

最大输出电压:+13 V/－14.4 V

开环增益:＞100 dB

共模抑制比:＞90 dB

静态功耗:120 mW

输入电阻:1.5 ×1012Ω

输出电阻:＜200 Ω

开环带宽:4.5 MHz

最大共模输入电压:－15.5 V/+12.5 V

最大差模输入电压:±8 V

电源电压范围:±15 V

电源电压抑制比:104 dB

转换速率:9 V/μs

1.3 集成运算放大器设计运用条件

电路中实际选用的运算放大器主要参数满足以下指标，设计中作为理想运算放大器运用。

1)开环差模电压放大倍数Auo≥80 dB，理想化Auo=∞。

2)差模输入电阻rid比输入端外电路的电阻大2～3个量级，理想化rid=∞。

3)开环输出电阻ro比输入端外电路的电阻小2～3个量级，理想化ro=0。

4)共模抑制比Kcmr＞90 dB，理想化Kcmr=∞。

2 电机数据采集电路设计

在电路设计中，闭环工作的运算放大器在线性运用状态，利用理想运算放大器工作在线性区时具有虚地、虚短和虚断的特点，可以精准地获得所需要的电路功能。其中，虚地是运算放大器处于线性状态时，工作在反相输入状态下，反相输入端的电位为0，这一特性称为虚假接地，简称虚地。虚短是运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短，但不能将两输入端真正短路。虚断是运算放大器处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，称为虚断。同样也不能将两输入端真正断路。

数据采集电路由电流互感器［9］、信号放大电路、整流滤波电路和电平比较输出电路组成，如图2所示。

图2中，CT是小型精密互感器，接入电机的工作电流回路，三相电机每相接入1个采集电路。OPA是集成运算放大器，OPA1设计为同相放大器方式，利用上述理想运算放大器线性工作特点，其输出电压U1O与输入电压U1I的关系为:

图2 数据采集电路

由AOPA1=U1O/U1I，本级电压放大倍数可计算为:

OPA2与OPA3组成精密全波整流电路。当整流电路用于交流电压信号的处理和放大时，由于二极管组成的普通整流电路，存在整流输出非线性及开启电压，对小信号输入电压会产生一定的失真。而采用运算放大器组成的半波或全波精密整流电路，克服了上述缺点，构成了近于理想化的整流电路，对于微小输入交流信号，都能进行不失真的整流输出。利用运算放大器的放大作用和二极管的单向导电特性，将整流二极管置于负反馈环路中，实现对输入正、负半波信号引入不同深度的负反馈，可以对输入小信号进行精密整流。运算放大器精密全波整流电压传输特性如图3所示。

图3 精密全波整流电压传输特性

由图3可见，在输入电压接近0点处的小信号区域，输出电压仍保持良好的线性。

当输入信号正半周时，为简化分析过程，暂不考虑C2的影响(这并不影响电路结构的分析结果)，二极管D2导通，OPA2工作在反相放大器状态，OPA2的输出电压为:

当取电阻值R4=R5时，有UOPA2=－UOPA1。

OPA3的输入信号为OPA1和OPA2分别通过R7、R8的两路输入，OPA3工作在反相加法器的状态，因此OPA3的输出电压为:

当取电阻值R7=2R8时，UOPA3=UOPA1。

当输入信号负半周时，二极管D2截止，OPA2无输出信号，OPA3的输出电压为:

同理，当R10=R7时，有UOPA3= －UOPA1。

在OPA3的外围电路中，电容器C2反馈支路与OPA3构成积分电路，对整流输出进行滤波以减小输出信号纹波。

OPA4、OPA5工作在开环状态，电路为任意幅度电压比较器形式，其输出只有高电平和低电平2个稳定状态，是集成运算放大器的非线性运用。OPA4、OPA5分别组成过流和缺相信号电平比较电路，OPA4为同相电压比较器，其电压传输特性如图4(a)所示，UC1为比较参考电压，比较结果输出过流信号;OPA5为反相电压比较器，其电压传输特性如图4(b)所示，UC2为比较参考电压，比较结果输出缺相信号。

3 实测结果分析

对所设计的数据采集电路关键点波形进行检测分析，经过适当的电路元件参数调整，各部分电路功能符合设计要求，电路整体能够进行电机工作时过流和缺相数据采集，并以高电平有效的方式传递信号给后级冷却控制器。以下是关键点波形的检测结果分析:

图4 电平比较器电压传输特性

1)同相放大与输入信号。图5中示波器的设置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:10 V/Div，下方为Y1信号，上方为Y2信号(以下图中相同)，Y1信号为输入信号，Y2信号为OPA1输出信号，由图5可见，OPA1实现了信号的同相放大。

图5 同相放大与输入信号

2)半波整流与输入信号。图6中示波器的设置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:5 V/Div，Y2信号为OPA2输出信号，由图6可见，对应输入信号正半周，OPA2输出负半周信号，OPA2实现了对输入信号的半波整流。

图6 半波整流与输入信号

3)全波整流与输入信号。图7中示波器的设置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:5 V/Div，Y2信号为OPA3输出信号，为观察对比电路的滤波功能，滤波电容器C1未接入，由图7可见，由于OPA3接成反相放大器方式，将OPA1和OPA2的2个负半周信号全部转换成正半周信号，OPA2及OPA3实现了对输入信号的全波整流，未接滤波电容C1时，输出信号为单向脉动直流。

图7 全波整流与输入信号

4)滤波输出与输入信号。图8中示波器的设置如下:

X:10 ms/Div，Y1:5 V/Div，Y2:5 V/Div，Y2信号为OPA3输出信号，电路接入滤波电容器C1后，滤波效果明显，输出信号为单向直流信号，实现了将电流互感器CT输入的50 Hz交流信号变换为0－10 V的电平，此信号经OPA4、OPA5电平比较电路比较，输出过流和缺相信号。

图8 滤波输出与输入信号

4 结语

从电路、信号和系统3个层次讨论了集成运算放大器在电机数据采集中的应用，分析了集成运算放大器的线性和非线性工作形式，并在电路设计中进行了有效的组合运用。设计并实现了以多级集成运算放大器为核心的电机工作数据采集器，实现了从电流互感器到确定的电平范围的转换，可广泛应用于电力系统工业数据采集系统。

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