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常用电流和电压采样电路


2 常用采样电路设计方案比较
配电网静态同步补偿器 (DSTATCOM) 系统总体硬件结构框图如图2-1所示。 由图2-1可知DSTATCOM的系统硬件大致可以分成三部分,即主电路部分、控制 电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路。其中采样电路包 括3路交流电压、 6路交流电流、 2路直流电压和2路直流电流、 电网电压同步信号。 3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号; 6路交流电流采样电路分别为电 网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号; 2路直流电压和2路直流电流的 采样电路DSTATCOM的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流信号;电网电压 同步信号采样电路即电网电压同步信号。

图 2-1

DSTATCOM 系统总体硬件结构框图

2.1 常用电网电压同步采样电路及其特点
2.1.1 常用电网电压采样电路 1

从 D-STATCOM 的工作原理可知,当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢 量幅值大小相等,方向相同时,连接电抗器内没有电流流动,而 D-STATCOM 工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制,因此,逆变 器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考 的,因此,系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要。
1

+5v R6 10K 5 3 R5 Ua 1K C4 15pF -12V 4 1 2 +12v R7 U? 6 LM311 7 C5 15pF 8 10K A 1 4069 2 1 4069 A 2 XINT2

图 2-2 同步信号产生电路 1

从图 2-2 所示同步电路由三部分组成,第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波 环节,为减小系统与电网的相位误差,该滤波环节的时间常数应远小于系统的 输出频率,即该误差可忽略不计。其中R 5 =1 KΩ ,C 4 =15pF,则时间常数错误!未
找到引用源。<<l ms,因此符合设计要求;第二部分由电压比较器LM311 构成,

实现过零比较;第三部分为上拉箝位电路,之后再经过两个非门,以增强驱动能 力,满足TMS320LF2407 的输入信号要求[1]。
2.1.2 常用电网电压采样电路 2

常用电网电压同步信号采样电路 2 如图 2-3 所示。 ADMC401 芯片的脉宽调 制 PWM 发生器有专门的 PWMSYNC 引脚, 它产生与开关频率同步的脉宽调制 PWM 的同步脉冲信号。

+15V

+15V R12 R14

VCC

C 8 R7 Port R5 R6 2 3 R8 4 A 1 TLP521 R13 R11 U? VCC 14 12 11 13 CX/RX A B CLR MC14538 R9 R10 VCC Q Q 10 9

图 2-3 同步信号发生电路 2

图 2-3 中的输入端信号取自a相的检测电压,经过过零检测电路后得到正负两个
2

电平,随后进入光电隔离TLP521 产生高电平和低电平进入D触发器MC14538 的正的触发使能输入引脚A,当A为高电平时,输出引脚Q输出一个脉冲,这个 脉冲宽度由电阻R l 。和电容C决定。当然这里希望脉冲宽度越小越好,否则将影
R

响STATCOM的输出电压与其接入点电压的同步。与此同时,可以通过设置 ADMC401 的内部寄存器PWMSYNCWT寄存器与信号脉冲相匹配[2]。
2.1.3 常用电网电压采样电路 3

电网电压同步电路可以实现精确的过零点检测,并输出高电平,将输出信号 脉冲的上升沿输入捕获单元三即可获得同步信号[3]。图2-4即为一种常见的电网 电压同步信号产生电路。
Port 8 R1 2 3 A +12V U1A LF353 1 R3 R4 4 -12V 8 U2A LF353 +3.3V

2 3 A

1

R2

T1

CAP3 R6

图 2-4 同步信号产生电路 3

图 2-4 所示同步电路由三部分组成,第一部分是由电阻、滑线变阻器和电 压比较器LM353 组成的缓冲环节。第二部分由电压比较器LM353 构成,实现过 零比较。最后一部分为输入DSP系统箝位保护电路[3]
2.1.4 常用电网电压采样电路 4

常用网电压同步信号产生电路 4 如图 2-5 所示:

3

4 R5

R4 1K 4 2 R2 Port 1K 3 C202 0.1uF 1 LM124 1 R3 1K C7 0.1uF 5 3 2

VDD 8 6 7 LM311

+3.3V R6 10K Port C8

4 1

11

0.1uF

VEE R5 1M

图 2-5 同步信号产生电路 4

图 2-5 所示同步电路由两部分组成,第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环 节,为减小系统与电网的相位误差,该环节主要是滤除电网的毛刺干扰。滤波 电路造成的延时可在程序中补偿。第二部分由电压比较器LM311 构成,实现过 零比较,同时设计了一个滞环环节来抑制干扰和信号的震荡[4]。
2.1.5 常用电网电压采样电路 5

图 2-6 所示同步电路由三部分组成,第一部分是由电阻、电容组成的RC滤 波环节,为减小系统与电网的相位误差,该滤波环节主要是滤除电网的谐波干 扰。 滤波电路造成的延时可在程序中补偿起来。 其中凡R 341 =1 K? , 341 =0.luF; C
R

第二部分由电压比较器LM3ll构成, 实现过零比较, 同时设计了一个滞环来抑制 干扰和信号的振荡[2]。
R344 1K +12V 4 R345 1K +12V 8 5 3 LM124 1 R342 470 4 1 2 7 LM311 R346 10K +3.3V OUT 6

R341 INT 1K

2 3 C341 0.1uF -12V A

11

-12V

图 2-6

同步信号产生电路 5

4

2.2 常用交流电压采样电路及其特点
2.2.1 常用交流电压采样电路 1

为了实现对STATCOM的控制,必须要检测三相瞬时电压U a 、U b 和U c 。如 下图 2-7 为电路一相电压采样电路: a. 电压转换电路

图 2-7 交流电压采样电路图

电压转换电路通过霍尔电压传感器CHV-50P实现。CHV-50P型电压传感器 输出端与原边电路是电隔离的,可测量直流、交流和脉动电压或小电流。磁补 偿式测量,过载能力强,性能稳定可靠,易于安装,用于电压测量时,传感器 输出电流正比于原 通过与模块原边电路串联的电阻R u1 与被测量电路并联连接,
R

边电压。上图电压转换电路为a为单相电压转换电路,这里对电阻R u1 和电阻R u2
R R

的选择作一些说明。 由于CHV-50P的输入额定电流I n1 为 10mA,本电路检测的电压是 220V的交 流电压,则

R u1 =

U 220V = =2.2K? In1 10mA

(2.1)

电阻R u1 消耗的功率P 1 为
R

错误!未找到引用源。 P = UI n1 = 220 ×10mA = 2.2W 1 (2.2) 因此电阻R u1 选择阻值为 2.2 k ? ,功率为 5W的大功率电阻。另外为了抑制共模
R

5

干扰,在交流输入侧并联了两个电容C。当然为了更好地消除这些干扰,可以 在电压变换电路之前再加隔离变压器, 那么电阻R u1 的选择就要对应于经过隔离 变压器后电压的改变而改变。 由于CHV-50P的输入额定电流I n2 为 50mA,为了ADMC40l的A/D转换通道 检测, 必须把输出电流转换为电压, 所以在电压传感器的输出侧串联了电阻R u2 。 ADMC401 的A/D转换通道检测电压范围-2V~+2V,则
R u2 =
R

2V =40? 50mA

(2.3)

由于电阻R u2 消耗功率比较小,电阻R u2 选择上对功率没有特殊的要求。 b.滤波补偿电路 由于电压电流的检测点就是STATCOM接入电网的同一点, 其谐波干扰还是 比较大的滤波补偿电路。 那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入了 , 滤波补偿电路包含两部分:一部分为RC滤波, 另一部分为相位补偿, 如图上图中 所示[5]。
2.2.2 常用交流电压采样电路 2

此三相电压采样电路包括信号放大电路,二阶滤波电路,单极性转换电路。 a.信号放大电路 交流信号放大电路见图 2-8 所示。本设计采用的互感器为国内最新的高精 度电压互感器(SPT204A)。其中SPT204A实际上是一款毫安级精密电压互感器, 输入额定电流为 2mA,额定输出电流为 2mA,线性范围±10mA,非线性度 <0.1%,相移经过补偿后小于 5’。SCT254AZ是一款毫安级精密电流互感器,输 入额定电流为 5A,额定输出电流为 2.5mA,线性范围 0~20A,非线性度小于 0.1%,相移经过补偿后小于 5’。由于该电压传感器采用的为 1:1 电流变电流型, 所以要在电压互感器前面加R 1 ,将电压信号转变为电流信号,而电流互感器就
R

不需要加电阻R 1 。这样电压互感器副边输出为电流信号,这与电流互感器副边
R

输出信号相似。 交流信号放大电路工作原理可由下式表示: 错误!未找到引用源。 通过R 2 将传感器输出的电流信号转变为电压信号
6

(2.4)

+5V

R3 C6 4 2 D2 3 A C1 104 -5V 11 D1 +5V 104 1 TL084

-5V

图 2-8 信号放大电路

b.二阶滤波电路 图 2-9 为二阶滤波电路,截至频率为 2.5KHz。

R4 360

f=2.5kHz C3 103

R7 U1

1K R9

3.9K 2 3

4 A TL084 1 11

C2 104

图 2-9 二阶滤波电路

c.单极性转换电路 由于设计采用的DSP自带的AD,其采样要求输入信号为 0~3.3V, 故接入其 引脚的信号电压也不能超过 3.3V所以必须对放大电路给出的双极性信号做进一 步处理。单极性转换电路如下图 2-10 所示[6]。

7

R10 3K C5 103 R7 1K R9 3.9K 2 3 R6 20K R8 20K C4 103 R21 10K 11 1.25V A 1 TL084 4

图 2-10 单极性转换电路

2.2.3 常用交流电压采样电路 3

交流电压变送器以0~5 V的交流电压作为输出信号。因TMS320F2812的A/D 输入信号范围为0~3 V.因此必须添加合适的调理电路以满足A/D输入的要求。 交流电压调理电路见图2-11,由图可知该电路由3部分组成:第1部分为射极 跟随器.以提高电路的输入阻抗:第2部分是电压偏移电路:第3部分为箝位限幅 电路, 以保证输出电压信号在0~3 V, 满足TMS320F2812的A/D输入信号范围[7]。

VCC VCC +15V R2 2 1 R3 3 A 4 R4

+15V 2
交流电压

4

1

R1

3

A

ADC C1

11 11 -15V

-15V

图2-11 交流电压信号调理电路

2.2.4 常用交流电压采样电路 4

系统电压经过相应的传感器后,统一变换为适当幅值的电压信号,经调理电 路后,进行A/D转换。图2-12为采样电路原理图。

8

R132 16 10K VEE 8 R131 16 10K C101 0.01uF VCC 1 2 3 A A LF353 R133 1 16 10K 1 +3.3V V3.3 1 R134 10K 2 1 16 3 A 1 LF353 11 1 1K C108 0.01uF

4

R125 16 AD

4

图2-12 系统电压的采样电路

从图2-12可知,系统输出电压的采样电路由四部分组成,第一部分是由 LF353的运放构成的电压跟随器,R 131 和C 109 是为了抑制干扰。第二部分为电平
R

抬升电路,将围绕零电平波动的信号提升为单极性信号,第三部分进行跟随,第 四部分为进入A/D前的保护部分,防止信号异常导致DSP芯片损坏[4]。
2.2.5 常用交流电压采样电路 5

相电压检测电路如图2-13所示, 该电路采用了运算放大器加电压跟随器的方 式,电压跟随器起到了隔离作用,以便在A/D入口前进行阻抗匹配。在A/D入口 端采用二极管钳位,防止A/D输入电压越界。来自检测通道的电压互感器的电流 号经运算放大器转换为电压信号后经电压平移后将交流量信号转换为0~3.3V的 单极性电压信号接入DSP的A/D通道引脚[8]。

C1

V+

R3

R2 PT +12V 8 2

R3 +3.3V 8 8 R5 1 R4 2 3 A +12V

+3.3V

D1 1 R6 C2 Port D2

V-

3

A

1

R7

2 3 A

4

-12V

图2-13 相电压采样电路

9

4

R8

4 -12V

2.3 常用交流电流采样电路及其特点
2.3.1 常见交流电流采样电路 1

a.电流转换电路 图 2-14 电流转换电路, 其中 CT 为霍尔电流传感器 DT50-P, 它的性能也稳 定可靠,易于安装。如何选择电阻 R 比较简单,可以参考上面交流电压转换电 路,这里就不再赘述。

图 2-14 交流信号采样电路

图 2-15 电流转换电路

b.滤波补偿电路 由于电压电流的检测点就是STATCOM接入电网的同一点, 其谐波干扰还是 比较大的滤波补偿电路。那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入了 滤波补偿电路包含两部分:一部分为RC滤波,另一部分为相位补偿,如图 2-16 所示[5]。

10

图 2-16 滤波补偿电路

2.3.2 常见交流电流采样电路 2

a.信号放大电路 交流信号放大电路见图 2-17 所示。 本设计采用的互感器为国内最新的高精 度电流互感器(SCT254AZ)。SCT254AZ是一款毫安级精密电流互感器,输入额 定电流为 5A,额定输出电流为 2.5mA,线性范围 0~20A,非线性度<0.1%,相 移经过补偿后小于 5’ 。因电流互感器输出的是电流信号,故电流互感器就不需 要加电阻R 1 。
R

+5V

R3 C6 4 2 D2 3 A C1 104 D1 -5V 104 TL084 1

+5V -5V

图 2-17 电流信号放大电路

b.二阶滤波电路 图 2-18 为二阶滤波电路,截至频率为 2.5KHz

11

11

R4 360

f=2.5kHz C3 103

R7 U1

1K

R9

3.9K 2 3

4

C2 104

A 11

TL084 1

图 2-18 二阶滤波电路

c.单极性转换电路 由于设计采用的DSP自带的A/D,其采样要求输入信号为 0~3.3V,故接入 其引脚的信号电压也不能超过 3.3V所以必须对放大电路给出的双极性信号做进 一步处理。单极性转换电路如下图 2-19 所示[6]。
R10 3K C5 103 R7 1K R9 3.9K 2 3 R6 20K R8 20K C4 103 R21 10K 11 A 1 TL084 4

1.25V

图 2-19 单极性转换电路

2.3.3 常见交流电流采样电路 3

相电流检测电路如图 2-20 和所示, 该电路采用了运算放大器加电压跟随器 的方式,电压跟随器起到了隔离作用,以便在A/D入口前进行阻抗匹配。在A/D 入口端采用二极管钳位,防止A/D输入电压越界。来自检测通道的电流互感器 的电流号经运算放大器转换为电压信号后经电压平移后将交流量信号转换为 0~3.3V的单极性电压信号接入DSP的A/D通道引脚[8]。

12

C1

R1 R2 Iin T? 8 2 Iout 3 Trans 4 -12V A 1 +12V 8 R6 +3.3V 8 R4 1 R3 2 3 A 1 +12V

+3.3V

D1 R5 C2 AD CIN D2

2 3 R7 A

4 -12V 4

图 2-20 相电流检测电路

2.3.4 常见交流电流采样电路 4

霍尔电流传感器以-100~+100 mA的交流电流作为输出信号,TMS320F2812 的A/D输入信号范围为0~3 V.因此必须添加合适的调理电路以满足A/D输入 的要求。交流电流调理电路见图2-21,与交流电压调理电路不同的是.第1部分是 经电容C 4 滤波后流经精密采样电阻尺 , 将电流信号变换为电压信号, 第2部分是 由运放构成的反相器:第3部分为箝位限幅电路,以保证输出电压信号在0~3 V,
[7] 满足TMS320F2407的A/D输入信号范围 。

R12 +15V R13 2 1 OP 11 -15V R14 3 A OP 11 -15V 4

VCC VCC

+15V
交流电流

R10

4

D3 1 R15 ADC C3

2 3 A

C4

R9

R11

图 2-21 交流电流信号采样电路

2.3.5 常用交流电流采样电路 5

电流采集采用 TA1014-2K 卧式穿芯微型精密交流电流互感器, 其额定输入 为 5A,额定输出为 2.5mA,工作频率范围为 20Hz~20kHz,相移小于 5’ ,线性 范围大于 10A,非线性度小于 0.1%,是比较理想的交流电流检测器件。图 2-22 为电流采集电路原理图。

13

0.033uF VCC 485 +15V 8 5
交流互感器

30K

18K +15V 8 5 6 LM311 7 2.5V

2.5V 6 LM311 7 20K 3 2

Iin

3 2

12K

ADCIN

Iout

4 1

-15V

图 2-22 交流电路采样电路

由于DSP的A/D输入信号范围为 0~3.3V,而经电流互感器测得的电流信号 经转化后变成-1.5V~+l.5V的交流信号,故对其进行了 1.5V的平移[9]。 2.4 常用直流电压采样电路及其特点
2.4.1 常用直流电压采样电路 1

a.直流电压传感器采用 LEM 公司的电压传感器 LV100。LV100 为霍尔效应的闭 环电压传感器,所以有非常良好的原副边隔离作用,可测的电压范围为 100V~ 2500V。图 2-23 为直流电压采样电路图。电压传感器 LV100 有如下优点: 精度高;线性度好;频带宽;抗干扰能力强[10]。

+ LV100 -

图 2-23 直流电压采样传感器

电压传感器LV100 的原边额定有效电流为 10mA,在原边为额定电流时传感 器精度最高。 采样电阻R 1 =80 千欧,按原副边 1:5 的变比设计, 副边电流为 50 mA,
R

副边采样电阻为 150 欧,原边电压为 800V时副边电压为 7.5V。副边信号经二
14

4 1 -15V

阶滤波电路以减小干扰,由于采样直流信号,滤波器截止频率可以选取的较低, 实际设计的滤波器截止频率为 2k Hz。 b.电压检测电路
R61 51K W3 3 50K +15V 8 +3.3V

Port

2 A

U16A R64 1 TL0821 51

R63 5.1K

C44 0.1uF

图 2-24 电压检测电路 1

霍尔电压传感器及采样电阻采集的直流电容电压从U dc 端输入图 2-24 的模拟电 路, 经电位器调节使U 16A 的 3 脚变化范围限制在 0~3.3V, 同时用RC滤波器滤除 输入信号的噪声,0~3.3V的电压信号经过电压跟随器,电压跟随器可保证在进 行电阻匹配时防止其输入输出电路的电阻干扰。 电压跟随器输出接的R 64= 51 欧。
R

电阻是DSP接口的电阻要求, DSP接口端的串联二极管是为了确保输入DSP的电 平限制到 0~3.3V[3]。
2.4.2 常用直流电压采样电路 2

直流电压的采样电路与交流电压采样电路略有不同,如图 2-25 所示:

4 -15V

+3.3V

4

2 1 TL084 10K Udc1 3 A 1 TL084 11

4

1K Port

10K Udc R3

2 3 A

直流电压与交流电压采样电路不同主要有两点,其一,因为传感器不同,前者 采用直流电压霍尔,输出信号为电流信号,后者为电压变送器,输出信号为交
15

11

图 2-25 直流电压采样电路 2

流信号,因此直流采样电路前端需接地电阻将电流信号转换为电压信号;其二, 前者信号为直流信号的,后者为交流信号的,因此,直流电压采样不用电压偏 移[1]。
2.4.3 常用直流电压采样电路 3

直流侧电容电压的采集是经过两个电阻分压后,接二个电压跟随器,同样电 压跟随器起防止电压冲击的作用。输出端加入钳位二极管,把电压钳制在3.3V 以内,输出信号接入DSP的ADCIN端口,如图2-26所示[9]:
+3.3V +5V 8 5 3 7 Port
直流电压

6 ADCIN

2 4 1

Port -15V

图2-26 直流电压采样电路3

2.4.4 常用直流电压采样电路 4

目前,对于直流电压的精确检测基本上都是基于磁补偿原理进行的,又因 为本系统直流侧电压值较高,而直流电压传感器本身电流又很小,故从采用均 压以后的电容器组上,可以只采一定比例的直流电压,不会影响测量精度,同 时还保证了器件的安全性。作为磁补偿的结果,传感器输出信号为一精确的电 流信号,直流电压采样电路设计如图 2-27 所示[4]:
VDD 8 +3.3V

D1 LF353 1 10K D2 0.01uF Port

2 Udc 100欧 0.01uF 3 A

4 VEE

16

图 2-27 系统直流电压采样电路 4

2.4.5 常用直流电压采样电路 5

因直流电路对电压的精度要求低, 对直流电压的采样电路直接用 DSP 内部 的 A/D,如图 2-28 所示:
-12V 4 +3.3V

D1 LM124 1 D2 470pF Port

2 Port 100 220pF 3 1

图 2-28 系统直流电压采样电路 5

直流电压与交流电压采样电路不同主要有两点:其一,因为传感器不同,前者采 用直流电压霍尔,输出信号为电流信号,后者为电压变送器,输出信号为交流 信号,因此直流采样电路前端需接地电阻将电流信号转换为电压信号;其二,前 者信号为直流信号,后者为交流信号,因此选用的A/D精度和类型不一样[2]。 2.5 常用直流电流采样电路及其特点 直流电流采样电路设计与直流电压采样电路完全一样, 只是前端的采样器件 不同,这些器件对用户的接口统一为电流信号,这里就不再讨论。

11 +12V

17

3 采样电路设计
上一章写到3路交流电压、6路交流电流、2路直流电压和2路直流电流、电网 电压同步信号的采样电路的各种常见采样电路, 可以看出采样电路的发展已经比 较成熟,但如何设计出自己需要的采样电路,这将是下面要讨论的问题。 3.1 电网电压同步信号采样电路设计 DSTATCOM 的工作与同步信号有密切的关系, 所有的动作都要以同步信号 作为参考,故硬件上的同步电路是不可或缺的。同步信号的产生有多种方法。 第一种方法为最简单的过零同步,即对系统三相电压进行处理后取出一相基波 正序电压作为同步信号,把该同步信号的过零时刻作为脉冲发生器的同步点, 通过测量连续两个正向过零点之间的时间作为周期计算出同步信号的频率,因
18

此只能一个周期测得一次频率,在系统频率突变时,容易因无法跟踪系统频率 变化而使 DSTATCOM 过流。第二种方法为采用锁相环技术,由于在同步信号 频率突变时锁相环具有较长的延时,因此也容易导致 DSTATCOM 过流。第三 种方法为采用“虚拟转子”法,对三相同步电压信号进行处理,得到脉冲的同 步点和同步信号的频率。 采用这种方法的优点是可以同时测量同步信号的频率, 从 而 使 脉 冲 发 生 器 在 系 统 同 步 信 号 发生 突 变 时 能 保 持 与 系 统 同 步 , 保 证 DSTATCOM 不因同步信号的突变而过流。 由于设计要求不是特别高, 本装置采 用第一种方法得到同步信号。
R3 +15V 4 5 1 TL084 11 R2 1K C2 1000pF R4 1K -15V] 3 2 4 1 LM311 0.1uF 1M +15V 8 6 7

+3.3V R5 10K C3

2 Ua R1 C1 -15V 3 A

I 4069

O

I 4069

O

CAP

图 3-1 D-STATCOM 系统同步电路

如图 3-1 可知,同步电路由三部分组成,第一部分是由电阻、电容组成的 RC滤波环节,为减小DSTATCOM系统与电网的相位误差,该环节主要是滤除 去电网的噪声干扰,该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率,即该误 差可忽略不计。其中R 1 =1000 Ω ,C 1 =0.1uF,则时间常数T=RC=1 错误!未找到
R

引用源。 10 ?4 S<<1 mS,因此符合设计要求,且滤波电路中造成的延时可在程序 中补偿。第二部分由电压比较器LM311 构成,实现过零比较,同时设计了一个 滞环环节来抑制干扰和信号的震荡。第三部分为上拉箱位电路,之后再经过两 个非门,以增强驱动能力,满足TMS320LF2407 的输入信号要求。 3.2 交流电压采样电路设计 电压转换电路通过霍尔电压传感器CHV-50P实现, 如图 3-2 所示。 CHV-50P 型电压传感器输出端与原边电路是电隔离的,可测量直流、交流和脉动电压或 小电流。磁补偿式测量,过载能力强,性能稳定可靠,易于安装,用于电压测 量时,传感器通过与模块原边电路串联的电阻R u1 与被测量电路并联连接,输出
R

19

电流正比于原边电压。

图 3-2

电压转换电路

由于CHV-50P的输入额定电流I n1 为 10mA,本电路检测的电压是 220V的交 流电压,则

R u1 =
电阻Ru1 消耗的功率P 1 ,为

U 220V = =2.2k? I N1 10mA

(3.1)

P 1 =220V×10 mA=2.2KW
R

(3.2)

因此电阻R u1 选择阻值为 2.2 K Ω ,功率为 5W的大功率电阻。另外为了抑制共模 干扰,在交流输入侧并联了两个电容C。当然为了更好地消除这些干扰,可以 在电压变换电路之前再加隔离变压器,那么电阻R u1 的选择就要对应于经过隔离
R

变压器后电压的改变而改变。 由于CHV-50P的输入额定电流I n2 为 50mA,为了交流电压采样电路检测,必 须把输出电流转换为电压,所以在电压传感器的输出侧串联了电阻R u2 。交流电
R

压采样电路采样电压范围-5V~+5V,则

Ru 2 =

U 5V = = 100Ω I N 2 50mA
R

(3.3)

由于电阻R u2 消耗功率比较小,电阻R u2 选择上对功率没有特殊的要求。根据
R

选用的电压传感器,交流电压采样电路如图 3 所示:

20

R4 10K +3.3V +15V 4 4 R6 2 1 TL084 11 R5 10K 10K 3 A 1 TL084 11 D1 R7 1K C5 D2 220pF ADC IN +15V +3.3V

Ua(out)

R3 10K C4 220pF

2 3 A

-15V -15V

图 3-3 交流电压采样电路

从图 3-3 可以看出系统输出电压的采样电路由四部分组成,第一部分是由 TL084 的运放构成的射极跟随器,其中R 3 和C 4 是说为了抑制干扰,且时间常数
R

T=RC=10000Ω × 220pF=2.2 × 10 ?6 S <<1 ms,符合实际要求;第二部分是由两个电阻和

一个电压源组成的电压偏移电路,因目标信号为交流信号,而经过霍尔传感器 采样得出的信号也为交流信号 0~士 5V,而系统CPU的A/D输入电平要求为 0~3.3V,因此,需要进行电压偏移,该电路原理简单,不再赘述。第三部分也 为射极跟随器;第四部分为箝位限幅电路,保证采样信号的幅值在 0~3.3V之间, 满足TMS320LF2407 的输入信号要求。 采样电路中,经常用到电压跟随器,电压跟随器,顾名思义,就是输出电 压与输入电压是相同的,就是说,电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近 1。 电压跟随器的显著特点就是,输入阻抗高,而输出阻抗低,一般来说,输入阻 抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低,通常可以到几欧姆,甚至更 低。在电路中,电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为,电压放大器的输出 阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输入阻抗比较小,那 么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候,就需要电压 跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好 处就是,提高了输入阻抗,这样,输入电容的容量可以大幅度减小,为应用高 品质的电容提供了前提保证。电压跟随器的另外一个作用就是隔离。 3.3 交流电流采样电路设计 1.电流转换电路
21

参考上面常见交流电流采样电路的设计,传感器选择霍尔电流传感器 DT50-P,它的性能也稳定可靠,易于安装。如何选择电阻R 8 的阻值,根据后面
R

交流信号调理电路的输入要求而定, 调理电路需输入-5V~+5V的交流电压信号, 则:

R8 =
即可确定R 8 的阻值
R

U IN

(3.4)

图 3-4 电流转换电路 在图 3-5 中,电流实际值经过霍尔传感器及采样电阻后,转换成 5V电压信 号(I o2 ),此 5V信号是反向的。I o2 先进行滤波处理,滤除噪声干扰其中滤波电阻 电容的选择应该满足时间常数小于 1ms的要求,因此可选R 9 为 100 千欧,C 6 为
R

220pF;再经过理想运算放大器的电压并联负反馈将I o2 转换成-3.3V~ +3.3V的信 号;经过 3.3V的电平抬升电路及平均处理使得电压跟随器的输入为 0~3.3V单极 性信号, 其中R 13 、 14 的阻值只要相同就可以, R 在这里选阻值为 10 千欧的电阻,
R R

即安全又符合要求;最后经过两个串联二极管的限幅,确保输入DSP的信号为 0~3.3V, 以保证不会烧毁DSP, 系统各元件参数及型号如图 3-5 中所示R 15 =1K?。
R

各相的电流采样方法原理相同。
R11 10K 4 10K R13 10K 11 2 3 A 4 R14 R10 15K R9 100K C6 220pF R12 6.2K 2 3 A TL084 1 TL084 1 +3.3V +3.3V

R15 51 C7 51pF

ADCIN

22

11

图 3-5 电流调理电路 3.4 直流电压采样电路设计 1.直流电压传感器采用 LEM 公司的电压传感器 LV100。 LV100 为霍尔效应 的闭环电压传感器,所以有非常良好的原副边隔离作用,可测的电压范围为 100V~2500V。图 3-6 为直流电压采样电路图。电压传感器 LV100 有如下优点: 精度高;线性度好;频带宽;抗干扰能力强。

图 3-6 直流电压采样传感器

电压传感器LV100 的原边额定有效电流为 10Ma,在原边为额定电流时传感 器精度最高。采样电阻R 1 =80 千欧,按原副边 1:5 的变比设计,副边电流为 50
R

mA,副边采样电阻为 150 欧,原边电压为 800V时副边电压为 7.5V。副边信号 经二阶滤波电路以减小干扰,由于采样直流信号,滤波器截止频率可以选取的 较低,实际设计的滤波器截止频率为 2k Hz。 经过传感器采样后还需经过直流电压调理电路调理后才能送入 DSP 的 A/D 采样端,直流信号调理电路如图 3-7 所示:
+15V 4 2 R18 1K 11 3 A +15V 4 +3.3V

D1 TL084 1 R19 10K ADC D2 C8 104 0.01uF

2 R17
直流电压

3

A

TL084 1

R16

1K

-15V

图 3-7 直流电压信号调理电路 前端电阻R 16 的作用是把霍尔传感器输出的直流电流信号变为直流电压信号, 从
R

23

11 -15V

上面可知霍尔传感器副边输出的电流最大为 50mA,根据
R=
R

U I

(3.5)

即可确定电阻R 16 的大小,其余部分的电阻则没有太严格的要求,我在本设计中 采用的电阻型号如图 3-7 所示;第二部分为两个电压跟随器 ,与后面的采样电 路进得电阻匹配;第三部分为两个二极管组成的箝位电路并加上滤波电容,保 证输入DSP的A/D采样端的输入电压信号保持在 0~3.3V以内,防止DSP被烧毁。 3.5 直流电流采样电路设计 电流采样电路设计如图 3-8 所示,和直流电压信号调理电路完全一样,但 前端的采样器件不同,这些器件对用户的接口统一为电流信号。
+3.3V +15V +15V 4 4 D1 TL084 1 R23 10K 11 1K 11 R20 1K ADC D2 C9 104 0.01uF 2 R22 3 A

2 R21
直流电压

3

A

TL084 1

-15V -15V

图 3-8 直流电流信号调理电路

前端电流电流检测采用 LEM 公司型号为 LA58-P 的霍尔效应电流变换器, 原边与副边之间是电气隔离的,该传感器可用于测量可用于测量直流、交流、 脉冲信号。这种霍尔传感器主要的优点有:出色的精度;良好的线性度;低温 漂;最佳的反应时间;宽频带;无插入损耗;抗干扰能力强;电流过载能力, 因此选用此种类型的传感器可以达到良好的采样要求。

24

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参考文献
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