适应DSP 系统的可重构信号调理电路设计

焦 键，郑雪娇

(重庆科创职业学院 机电工程学院，重庆 402160)

电力电子系统中各种设备工况参数的监控，一直是工程师们关注的问题［1，2］，因此系统中信息的采集非常重要。DSP 数据采集系统是一种应用广泛的嵌入式系统，具有准确、可靠、通用等特性，在电力电子实时监控中发挥着主导作用。模数转换器(ADC)是数据采集系统的主要部分，它决定了数据采集系统固定转换速率下的分辨率。电力电子系统提供的电压和电流信号必须满足数据采集系统中ADC 输入信号的范围要求。由于系统中存在多种类型的被测信号，而通常DSP 中ADC 均由低电压(3.3 V)驱动，为了满足ADC输入信号的条件，信号调理成为一个必不可少的环节。

本文提出了一种可重构信号调理电路，可根据输入信号的特性及实际应用选取相应的功能模块。该电路与文献［4，5］中的调理电路相比，主要优势是低功耗、高兼容，可重配置等。

1 电路设计与规范

调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于ADC的输入。由于被监控系统中的信号可能存在高压，过流，浪涌等，不能被采集系统正确识别，因此设计中考虑衰减、隔离、抗混滤波、电平位移、限幅五个电路模块。

衰减器主要用来降低输入信号的幅度;隔离器在电压瞬变或地环流干扰的情况下为电路提供保护;抗混滤波器通过限制带宽来防止混叠，以便准确地对信号采样;直流电平位移器能够使交流信号获得足够的位移;限幅器防止A/D 转换器过压饱和。

电力电子(如逆变器、DC/DC 变换器、智能电表、电能等)不同应用系统的监测中，根据需求分析，电路需完成的功能可归纳为以下四种:

1)衰减－隔离－抗混滤波－直流电平位移－限幅;

2)衰减－抗混滤波－直流电平位移－限幅;

3)衰减－直流电平位移－限幅;

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4)衰减－隔离－直流电平位移－限幅;

为了适应不同的输入信号，保证灵活的电路配置，可依据输入信号的特性来“激活”电路结构。设计的电路原理图如图1 所示。

1.1 衰减器

对于DSP 0～5 V 的输入电压范围(DSP 输入电压的绝对最大额定值)，设计中采用反相放大器(OPA690)来实现衰减。IC1 主要进行反相比例放大，而IC2 主要起着反相的作用。这里通过S1来选取两种可能的衰减方式，如图2 所示。当±5 V 信号输入时，衰减器的衰减系数为:

当±15 V 信号输入时，首先使用R1和R3构成一个分压器，电阻R1=R2=R3=1 kΩ。经分压后将其连接到反相比例放大器的输入端，则衰减系数为:

R4为可调电阻，只要选择合适的阻值，即可满足G ＜1，达到衰减的目的。

1.2 隔离放大器

ISO122JP 是一个带有调制解调技术的精密隔离放大器，工作时不需要其他外部元件，使用非常方便。它的主要特点是最大0.020%非线性、50 kHz 的信号带宽，200 μV/°C的电压漂移。供电范围为±4.5 V～±18 V，VS1 与VS2 引脚的静态电流分别为±5.0 mA 和±5.5 mA。因此，本设计中衰减器的输出信号使用隔离放大器ISO122JP 进行电气隔离。它的电源由两个独立的DC/DC 转换器TEL 2－0521 提供，输入电压范围是4.5 V～9 V，输出电压为±5 V。

图1 信号调理电路原理图

1.3 抗混滤波器

考虑输入信号中可能会夹杂不同的频率成分，导致高频信号叠加到低频段。为了防止混叠，设计中使用一个八阶巴特沃斯开关电容低通滤波器，利用一个外部开关电容来选择截止频率(通过改变时钟频率来改变截止频率)。电容根据以下公式计算:

其中，fc表示截止频率。

根据文献［6］，5 kHz 和10 kHz 的截止频率足够完成电力线信号采样，从而进行在线电压与电流畸变分析(谐波和间谐波);15 kHz 和25 kHz 的截止频率足够对逆变器进行信号采样;50 kHz 的截止频率也足够从典型的DC/DC 转换器对电感电流进行采样。针对上述系统的应用，这里选择五个常用的截止频率，即5 kHz，10 kHz，15 kHz，25 kHz 及50 kHz，通过五个板载电容的跳线来选取。

1.4 直流电平位移

DSP 的ADC 模拟输入范围一般满足以下条件［7］:

其中，Vin是ADC 的输入电压，VDDA是DSP 的电源电压。

对于双极性模拟信号，为了满足ADC 输入的要求，必须产生VDDA/2 的电压位移。

本设计中采用加法器来完成电压正向位移。TI－ DSP 2000 系列常应用于电力电子系统，其内部ADC 输入电压范围通常为0～3 V［7］(建议运行条件)，为了满足这个条件，使用一个+1.5 V 的位移电压输入到同相加法器的输入端，如图1 所示。

1.5 限幅器

由于在电压产生位移后，模拟输入仍可能出现负的压值，当启动外部基准时，基准电压将消失或采样不正确。因此，有必要加入限幅环节，用来保证ADC 的安全输入范围。例如，TMS320F2812(DSP)的ADC 输入电压范围为0～3 V，电源电压VDDA为3.3 V。电压若高于VDDA+0.3 V 或低于VSS－0.3V，将其应用到一个模拟输入引脚上，可能暂时会影响其他引脚的转换。为了避免这种情况，这里采用双向限幅器使模拟输入保持在这些限值内。如果输入满足0≤Vi≤3 V，则D1 和D2 均不导通，输出电压跟随输入，即Vi=Vo。

2 电路实现与测试

根据原理图，制作实际电路。为了验证设计的合理性，首先通过仿真得到了电路的频率响应。由于设计中考虑了五个截止频率范围，因此这里使用Tek AFG3022B 函数信号发生器(双通道，正弦波1 μHz～25 MHz，任意波1 mHz～12.5 MHz，幅度20 mVP－P～20VP－P，采样率250 MS/s)产生一个线性调频信号，进行1 Hz～500 kHz 的线性频率扫描。同时利用NI CompactRIO 采集板上的2 个16 位ADC 去获取设计电路的输入和输出。理论选择的截止频率与实验数据如表1 所示。

表1 理论和实验截止频率比较

可以看出，实验值接近理论值。由于电容器和其它误差的容许值引起了较小的偏差。5 kHz 和50 kHz 的截止频率对应的系统频率响应如图2 所示，中间截止频率的频率响应图略。

在截止频率之前，频率响应基本上是平直的，能够满足设计要求。接下来进行电路运行工况的测试。输入一个20.01 kHz，4.440VP－P的正弦信号，测量衰减器及整个电路的输出。测试结果如图3 所示。

图2 频率响应(fc=5 kHz 与fc=50 kHz)

图3 电路运行工况的测试

CH2 即为衰减后的信号，衰减系数约为0.9。同时信号产生微弱的相移，这是由于反相比例放大器的缓冲作用导致。CH3 为整个电路的输出信号，经过1.5 V 直流电压位移，双极性输入信号变换为单极性，同时由于抗混滤波器的作用，相位偏移较大。经调理后，输出信号基本能够满足ADC 输入信号范围要求。

最后，通过实际生活中的一个非正弦交流信号对电路的性能进行检测。这里使用电吹风(额定输入功率800 W，额定电压220 V)来产生该交流信号。为了分析和比较，不仅需要单独测量电吹风的输入电流，同时还需测量利用电路调理的输出电流。前者采用霍尔传感器LEM LA55－P 测量，后者采用Tektronix AC/DC 电流探针A622(输出100 mV/A)测量。图4 将测量的输入信号与调理输出信号进行了对比。

显然，调理后的信号与实测信号的波形相似，基本上没有发生失真。而调理电路能够较好地完成衰减、电平位移等功能，使信号控制在0～3 V 的范围。

为了评估限幅器，在电吹风的信号中加入干扰，如图5所示。

由于干扰的影响，产生了一部分功耗。同时可观测到，调理电路限制了输出信号，从而避免了ADC 饱和。

图4 测量信号与调理信号

图5 干扰情况下测量信号与调理信号

3 结论

本文针对DSP 数据采集系统提出一种可重构的信号调理电路。通过对电力电子系统的信号类型的分析，设计了相应的处理模块。该电路使用成品器件，具有高精度、低功耗等特点。通过仿真及实测验证，该电路能有效衰减高达±15 V的信号，并且可重构抗混叠滤波器，可有效筛选超过5 kHz、10 kHz、15 kHz、25 kHz 及50 kHz 的频率信号，调理电路使信号输出限制在0～3 V 之间，任何一个处理模块都可选择性地应用于DSP 系统，技术指标均达到了要求。

［1］常怡然，张建文，蔡旭.基于电力电子系统集成的高速通信监控系统［J］.电力电子技术，2013，47(7):83－85.

［2］邬春明，程亮.变电站监测数据采集系统［J］.电测与仪表，2014，51(3):64－67.

［3］王梓萌，彭进业，李岩，等.基于AD5543 的信号调理系统设计与实现［J］.计算机应用，2013，33(z2):328－330.

［4］刘建，王炜，郭毓敏，等.干式电力变压器振动信号调理电路的设计［J］.电子设计工程，2013，21(21):140－143.

［5］周志宇，胡刚，刘谋荣，等.基于开关电容滤波和AGC放大器的信号调理电路设计［J］.舰船电子工程，2013，33(9):179－181.

［6］国际电工委员会.电磁兼容性(EMC)第4－7 部分:试验和测量技术.供电系统及所连设备谐波和谐间波的测量和仪器仪表的通用指南［EB/OL］.http://www.cssn.net.cn/pagesnew/search/standard_detail.jsp?a001=NTIxNTAz，2002－08.

［7］Texas Instruments.TMS320F2810，TMS320F2811，TMS-320F2812，TMS320C2810，TMS320C2811，TMS320C2812 Data manual［EB/OL］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tms320f2810.pdf，May 2012.