一款自适应范围电压检测电路的设计

李鹏飞 刘锐 廖锦鹏 马小伟 栗冠媛

摘  要：以电能质量分析仪设计项目为载体，针对电能质量分析仪在实际使用过程中测量不同幅值电压时需手动操作选择合适量程的问题，设计一款自适应范围电压检測电路。该电路可以根据输入电压信号的大小选择合适量程，并对输入信号进行相应倍数的自适应放大或缩小，确保放大或缩小的电压信号能够满足AD转换器的转换范围及精度要求的电压范围。

关键词：信号检测；自适应缩放；电压转换；数模转换

中图分类号：TP39；TP272 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）08-0064-05

Abstract： Taking the power quality analyzer design project as the carrier， an adaptive range voltage detection circuit is designed to address the issue of manually selecting the appropriate range for measuring different amplitude voltages during actual use of the power quality analyzer. The circuit can select an appropriate range based on the size of the input voltage signal， and adaptively amplify or reduce the input signal by corresponding multiples to ensure that the amplified or reduced voltage signal can meet the conversion range and accuracy requirements of the AD converter voltage range.

Keywords： signal detection; adaptive scaling; voltage conversion; digital to analog conversion

0  引  言

随着工业生产及现代化生活出现大量的电力电子设备和高精尖仪器，人们对所使用电能的质量要求也逐步提升，劣质电能的使用不仅给设备造成不可逆转的损害还会给用户带来经济上的损失。因此开发一款高性能的电能质量分析仪对行电能质量进行检测与分析具有十分重要的现实意义[1]。电能质量分析仪设计主要分为前端信号采集模块和后端数据信号处理模块。前端信号采集是将电网中的大电压信号转换为小电压信号。后端信号处理是将前端采集的信号模数转换后进行数据分析。本文是对前端采集模块进行设计和仿真。

1  系统设计

系统设计流程如图1所示，该设计使用电压互感器对电压信号进行采集，该方法应用简单，器件价格低，隔离性能好，互感器将采集到的大电压信号经电路转换为小电压信号，小信号输入自适应控制模块和信号调理模块，自适应控制模块的功能是将转换后的小电压信号经过放大、交直流转换、比较光隔离后控制继电器的状态从而控制信号调理模块，使得信号调理模块对信号进行自适应选择缩放倍数，调理后的数据信号需经过抗混叠滤波器电路后输出给AD转化器进行数模转换。

2  系统整体设计

2.1  互感器电路

互感器采集电路的工作原理是在互感器的原边电路中串联电阻将电压信号转换为电流信号，电流信号经过互感器进行电流变换后在次级线圈中感应出电流并经过运算放大器后将电流信号转换为电压信号[2]。

互感器主要技术参数如表1所示。

该设计检测电压区间是0—1 000 V，根据电路损耗公式：P=I2R可知，当电路中电阻R固定时，电路的损耗P与流经电阻R的电流的平方成反比，为降低原边串联电阻R的消耗功率可减少原边被测信号的损耗，因此选择原副边电流比是2：2 mA；根据公式计算得：

R=500 K

P=UI=2 W

为降低电阻在工作时发热，采用5个100 kΩ的电阻串联，副边反接两个二极管起到保护电路中作用。互感器电路如图2所示，电路中运放选用ADI公司的AD8512，这是一款双精度的JFET放大器，具有低偏置电压、低输入偏置电流、低输入电压噪声和低输入电流噪声的特点，该运放的输入阻抗大输出阻抗低起到隔离的作用[3]。原始信号经过前端电路的处理后输出两路：OUT1和OUT11。OUT1是信号调理模块的输入信号，OUT11是自适应控制模块的输入信号。OUT1和OUT11计算式为：

2.2  电压放大电路阵列

电压放大电路阵列如图3所示，前端电路处理后的数据OUT1输入后级电压放大电路阵列中，进行三级放大，放大倍数分别是：15、7.5、5。

设计中运放选择AD公司的AD8608的四通道轨到轨运算放大器，该放大器失调电压低，输入偏置电流小，电流噪声小，工作带宽可高达10 MHz，通道隔离效果好，抗干扰性强。

2.3  交直流转换电路

交直流转换电路如图4所示，交直流转换电路的功能是将放大电路阵列处理后的交流信号转换成直流信号并检测信号峰值。运放采用TI公司的LM358芯片，其内部有两个独立的运算放大器，具有增益高、内部设有频率补偿、适用于电压范围很宽的单电源，也适用于双电源工作方式[4]。以体积小、价格便宜和性能稳定等特点，使该双运算放大器在多种场合广泛应用。

比较控制阵列如图5所示，交直流转换电路输出的电压峰值信号与具有固定电压值的电压比较器进行比较，通过控制光耦的状态控制后级电路中继电器的开关。在电路中D9、D10、D11反接起到过压保护的作用。

继电器的开关与闭合结果如表2所示。其中，继电器闭合：0；继电器开启：1；继电器常态：1。

2.5  信号调理电路

信号调理电路如图6所示，继电器的开关和闭合控制K1K2、K2K3、K3K4对应电阻的短路或开路，从而使电压信号进行不同比例的放大或缩小，使待测电压信号转换成AD转换器转换范围的信号，如表3所示。

继电器在常态下是常开状态，通过表3可得知常态下的电路放大倍数是2。当输入电压信号为1 000 V时，OUT11信号的电压输出值为2 V，输出信号OUT12的电压值为4 V。若选择常态为闭合的继电器，常态下电路的放大倍数是8，当输入电压1 000 V时，OUT11信号电压输出值为2 V，而输出信号OUT12的电压值则为2×8 V=16 V，远远超过AD转换器的转换范围，数模转换产生误差，影响实验结果。选择常开状态的继电器避免了信号缩放超出AD的转换电压范围，满足设计要求。

2.6  抗混叠电路

抗混叠电路如图7所示。

抗混叠电路采用Sallen Key型结构，该结构仅需一个AD8617运放并且极点对Q值较低。AD8617是一款微功耗双通道轨到轨运算放大器，具有低电源电流，低输入电压和低电流噪声特性，特别适合便携式仪器使用。该滤波器可滤除信号在路径上的高频噪声和干扰，减少混叠信号噪声污染信号和消除滤波器带宽之外的过驱信号，避免噪声信号和信号叠加的噪声尖峰让A/D的模拟调制饱和[5]。理想抗混叠滤波器具有如下特性：通带内具有单位增益，无増益变化，混叠衰减水平与所用数据转换系统的理论动态范围一致。

3  仿真结果分析

本设计是宽范围电压自适应检测，检测电压范围是0～

1 000 V，随机检测该范围内的电压，都可将信号转换成实际中使用的AD转换器最适的输入范围，如表4所示。

以下频率为50 Hz，幅值为100、200、300、400、600、800 V的输入电压检测电路的仿真。

100 V/50 Hz仿真图如图8所示。其中通道B是输入信号，通道A是输出信号。

根据不同范围的缩放倍数不同，0～250 V所在范围的输出电压计算公式：V/500×8。计算得：（60.670/500）×8=0.971。

200 V/50 Hz仿真图如图9所示，其中通道B是输入信号，通道A是输出信号。

0～250 V所在范围的输出电压计算公式：V/500×8。计算得：（56.730/500）×8=0.908。

300 V/50 Hz仿真图如图10所示，其中通道B是输入信号，通道A是输出信号。

250～500 V所在范围的输出电压计算公式：V/500×4。计算得：-257.810/500×4=-2.070 V。

400 V/50 Hz仿真图如图11所示，其中通道B是输入信号，通道A是输出信号。

250～500 V所在范围的输出电压计算公式：V/500×4。计算得：（218.166/500）×4=1.745 V

600 V/50 Hz仿真图如图12所示，其中通道B是输入信号，通道A是输出信号。

500～750 V所在范围的输出电压计算公式：V/500×8/3。計算得：（438.171/500）×8/3=2.337 V。

800 V/50 Hz仿真图如图13所示，其中通道B是输入信号，通道A是输出信号。

750～1 000 V所在范围的输出电压计算公式：V/500×2。计算得：（614.745/500）×2=2.459 V。

4  结  论

该电路设计符合设计要求，结构层次分明，功能明确，使用Multisim 14.0软件仿真达到了预期效果。对0～1 000 V的大范围输入的电压能及时转换为合适AD的转换范围的电压信号且相位带宽等信息没有丢失，为电能质量分析仪的设计奠定基础。

参考文献：

[1] 王宾宾.基于双CPU和嵌入式Linux的便携式电能质量分析仪的研究 [D].保定：河北农业大学，2013.

[2] 王兵，程汉湘.有源电力滤波器控制系统的硬件设计与仿真 [J].电源技术应用，2015，18（8）：26-31.

[3] 陈兰. 电能质量分析仪的电路设计及仿真分析 [D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2013.

[4] 王永奇.双运放LM358的恒流充电应用 [J].山东工业技术，2015（19）：167-168.

[5] XIE S精密ADC用滤波器设计的实际挑战和考虑 [J].集成电路应用，2017，34（10）：38-42.

作者简介：李鹏飞（1997—），男，汉族，安徽亳州人，工学硕士在读，研究方向：嵌入式开发与应用。