基于ispPAC20的市电电压监控报警系统的设计

于 卫，魏 斌，谢 勇

（扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225009）

自从1999年美国Lattice公司推出了在系统可编程模拟电路 ispPAC（in system programmability Programmable Analog Circuits）以来，极大地推动了模拟电路设计方法的发展，为电子设计自动化（EDA）技术的应用开拓了更为广阔的前景。利用可编程模拟器件配合相应的开发工具软件PAC-Designer，便可以像设计数字电路那样方便、快捷地完成模拟电路的设计、修改、编程和验证，从而极大地缩短了产品的研制周期并增强其竞争力。在系统可编程模拟器件允许电路设计者使用开发软件在计算机中设计模拟电路，并对所设计电路特性进行仿真，最后通过编程电缆将设计方案下载至芯片中。目前，可编程模拟器件已在电子线路实验、传感器匹配、数据采集、信号处理、仪器仪表、控制与监测、人工神经网络等重要领域中得到了广范的应用。可以预期，随着模拟可编程技术的不断进步和品种的逐步丰富，可编程模拟器件将会成为实现模拟电路的首选器件和最佳选择。

目前，在系统可编程模拟电路可实现三种基本功能：（1）信号调理：对微弱信号进行放大、整流、有源滤波、增益调整；（2）模拟计算：对信号进行求和、求差、比较和积分等运算；（3）将数字信号转换成模拟信号。在基本功能基础上可实现许多实际应用，比如电压、温度的控制与报警。

本文研究的电压控制与报警系统，采用ispPAC20为核心器件，该器件具有两个可放大、衰减的仪表放大器单元，输入共模抑制比高达69 dB；具有一个8位DAC和两个快速比较器。图1是ispPAC20器件的管脚及编程接口图，由于要对ispPAC20器件编程，所以要做一个10芯编程口。在计算机里用PAC-Designer软件进行电路设计，然后通过计算机并行口用26芯编程线经过下载小电路板对装载用户电路板上的ispPAC20器件进行编程。

1 总体方案设计

总体方案图如图2所示，各部分作用及组成如下：

（1）交流调压器模拟市电AC 220 V幅度波动，用于调试；

（2）降压变压器采用匝比 220：9，可将市电降压，如原边220 V，则副边为9 V，如原边输入在一定范围内变化，副边也会跟着变化；

（3）数字表头用于测量当时的市电电压值，图中用交流调压器模拟市电幅度波动，以便调试；

（4）交流直流转换电路将交流电转化为直流电，其输出的直流电压V0与输入的交流电压有效值Vi的关系是 V0≈1.2 Vi。 这样， 输入市电为 198 V、209 V、220 V、231 V、242 V时,直流输出分别为9.72 V、10.26 V、10.8 V、11.34 V、11.88 V。

（5）ispPAC20器件电路：通过取样电阻取得输入电压信号，在正常电压范围内，WINDOWS=0，当电压高于上限或低于下限时，WINDOWS=1；

（6）反向放大驱动：用WINDOWS控制固态继电器工作；

（7）固态继电器：控制负载工作和电铃报警。

取样电阻R1、R2的取值如下：在市电电压为AC220 V时，使R2上的直流电压为 2.5 V，通常R2上的电流要小于 1 mA，可以取 R2=4.7 kΩ，则 R1=（10.8-2.5）×4.7/2.5=15.6 kΩ，实际设计中，R1用 10 kΩ 电阻和 10 kΩ 电位器串联而成。此时R2上的中心电压为DC 2.5 V，实际所监控的市电中心电压为AC 220 V。为进一步稳定R2上的取样直流电压，可在R2端并联上0.1 μF的电容。

其工作过程为：将市电交流电经过降压、交直流转换、取样电阻后送入ispPAC20器件一个差分输入端IN3+，另一个差分输入端IN3-接该器件的标准输出VREF（2.5 V），对 ispPAC20器件编程，当器件的 DAC模式选择DMODE=1时，则数字信号D7～D0由外部输入，由此来决定ispPAC20器件的电压报警范围。当电压在正常范围内时，其输出WINDOWS=0，经过反相放大驱动后，下面固态继电器工作，负载正常通电；当电压在正常范围之外（过欠压）时，其输出 WINDOWS=1，经过反相放大驱动再经反相后，上面固态继电器工作，电铃通电报警，同时负载切断电源停止工作。

2 ispPAC20器件功能设计

对ispPAC20器件的要求是：接收反映市电电压的取样电压和反映电压范围的数字信号，发出WINDOWS信号，当电压在正常范围内时，WINDOWS=0；当电压在正常范围外时，WINDOWS=1，编程电路如图3所示。由于外输入数字量决定电压监控范围，故DMODE=1。

反映市电电压的取样电压送到差分输入端IN3+，另一个差分输入端IN3-接该器件的标准输出VREF（2.5V），经过差分后再经放大（本文放大倍数设置为 5，可调），送到比较器CP1的同相端和CP2的反相端；器件内的数模转换器接收决定ispPAC20器件的电压报警范围外部的数字信号转换成的模拟量分别送到CP1的反相端和（经反相后）CP2的同相端，输出设置成“XOR”形式。当过压时，CP1OUT=1、CP2OUT=0，此时 WINDOWS=1；当欠压时 CP1OUT=0、CP2OUT=1，此时 WINDOWS=1，因此，无论过压还是欠压，WINDOWS都为1。而在正常电压范围内时，CP1OUT=0、CP2OUT=0，此时 WINDOWS=0。表1说明了输入数字量和电压监控范围的关系。通过改变输入数字量就可以改变监控的电压范围。如果放大倍数变化，则表格关系会发生变化。市电电压监控数据表如表2所示。由表1可知，随着输入的数字量不同，电压监控范围也不同。如输入数字量10011011，电压监控范围 220 V±5.0%；输入数字量 10110101，电压监控范围220 V±10%。当然，如果编程设定的放大倍数变化，则输入同样的数字量，电压监控范围也发生变化。

表1 输入数字量和电压监控范围的关系表

表2 市电电压监控数据表

ispPAC20器件功能的编程过程：打开PAC-Designer软件，选择ispPAC20器件进入编辑状态，将IN3输入端接到IA3上，设置好IA3的放大倍数，将OA2上的电容设为最大61.59 pF，将OA2的输出同时连到CP1的同相输入端和CP2的反相输入端，内部的数模转换采用外置输入数字信号，DMODE=1，其输出同时连到CP1的反相输入端和CP2的 （经反相后）同相输入端，输出端WINDOWS设置成“XOR”形式。图绘好后保存，最后执行下载命令将图下载到ispPAC20器件里。

3 交流直流转换电路

交直流转换电路如图 4所示，二极管 D1、D2、D3、D4构成全波整流，型号为 IN4007，也可用500 V 3 A的全桥来代替，滤波电容C为 220 μF 的 铝 电 解 电容，如果输入交流电的有效值为 Vi，则输出直流电压为 1.2 Vi，即输出直流电压随着交流电的有效值比例变化。

4 放大驱动和固态继电器控制电路

由于ispPAC20器件WINDOWS端的驱动电流有限，为减轻ispPAC20器件的负载电流压力，将其输出放大后驱动固态继电器器件，通常用数字反相器74LS04作为驱动器件，用固态继电器去控制负载工作或AC 220 V电铃报警。如图5所示。在正常电压范围内，WINDOWS=0，ACSSR 2固态继电器工作，负载正常通电工作；在正常电压范围外，即过欠压时，WINDOWS=1，ACSSR 1固态继电器工作，负载断电停止工作，电铃通电报警。固态继电器参数选用500V3A。

5 设计中需考虑的问题

为了实际结果和理论设计尽可能一致，在电路设计时应重点考虑下面几个问题：（1）交直流转换电路的输出和输入的关系不精确，这在实际结果中会产生一定的误差。为了降低误差影响，二极管（或全桥堆）应该选用尽可能小的正向导通电阻、而反向截止电阻尽可能大的器件，同时滤波电容漏电要小。在实际工作中应进行调整，以消除理论与实际误差。必要时还要并联小电容，以滤掉来自电源端和二极管非线性产生的高频干扰信号。（2）取样电阻取值不精确，给实际结果也会带来误差，因此应该选用精度高、噪声低的金属膜或金属氧化膜电阻，R1所以用电位器和电阻串联，就是为了调节电位器使实际和理论值尽量一致。

（3）ispPAC器件的 IN3-输入端没有直接接外来的2.5 V电压，而是接至器件本身的 VREF（2.5 V）输出端，这是为了消除共模信号的影响，提高共模抑制比。

（4）ispPAC器件的差分电压放大倍数可以通过软件调整设置，其他不变，电压放大倍数变化，电压监控范围也会变化；实际的电压监控范围也可由外部的输入数字量改变，由于器件内部模拟电压输出范围在-3 V～+3 V之间，因此器件内部放大后的电压绝对值不应超过+3 V，否则应调整输入和放大倍数。

该设计可以广泛地应用于发电厂、供电公司和用户单位，尤其对电源电压要求高的场合。电压不正常，会损坏用电设备，同时会影响用电单位的用电和生产效率，所以在实际工作中，需要对电压加以监控，以便电压一旦不正常，可以立刻采取应变措施保护用电设备。

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