8阶连续时间滤波器芯片MAX274的工作原理及应用设计

大型变压器在运行时，其铁芯接地电流很小，约为几毫安到几十毫安，但当变压器发生铁芯多点接地故障时，其铁芯接地电流将增大到几安培甚至几十安培，从而会导致局部铁芯过热，严重时可能造成轻瓦斯动作甚至重瓦斯动作跳闸。

目前，现场人员多采用钳形电流表夹住铁芯接地线来监测其电流，但由于变压器强磁场的干扰，测量值很不精确，甚至出现同一测量点几次测量值差别迥异的情况，这样测量的参考价值值得怀疑；而国内有些单位研制的自动监测装置虽能及时发现多点接地故障，但缺乏故障后的实时监测功能。为此，设计了一种基于ＧＳＭ通讯的在线监测装置，较好地解决了变压器铁芯接地电流在线监测的问题。为了解决正常状态下接地电流很小，受到的现场干扰却比较严重的问题，设计中采用了Ｍａｘｉｍ公司开发8阶连续时间滤波器芯片ＭＡＸ２７４。实践证明ＭＡＸ２７４的滤波效果比较理想。

１、在线监测装置的系统组成

为尽量如实反映变压器接地电流信号的情况，在图１所示的一次接线图的变压器接地线上串接了一个２Ω的无感电阻，这样就将铁芯接地电流的测量转化为串接电阻上电压的测量。该铁芯接地电流在线监测装置由信号处理部分、Ａ／Ｄ转换部分及输出控制部分等模块构成，图２所示是其原理框图。图中，Ａ／Ｄ转换采用ＭＡＸ１９７，该芯片的精度为１２位，带故障保护输入多路转换器和８路模拟输入通道，具有６μｓ的变换时间；通讯模块采用杭州爱赛德公司生产的ＧＳＭ模块；输出控制主要是指发生故障后在接地线上串接限流电阻（这是目前常用的故障处理方法），同时现场灯光报警；信号处理部分根据输入信号的强弱分成两路，弱信号部分的处理电路如图３所示，其中ＯＰ２７是精密运算放大器。ＭＡＸ２７４就是本文要重点介绍的有源滤波器芯片。

２、ＭＡＸ２７４芯片简介

普通运放和ＲＣ网络组成的滤波器元件较多，参数调节复杂，杂散电容会大大影响滤波器特性。ＭＡＸ２７４是单片集成有源滤波器，它无需外接电容，只要调整外部４个电阻即可。ＭＡＸ２７４的主要参数特性如下：

●可以根据需要设计成Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ或Ｂｅｓｓｅｌ滤波器形式；

●可以实现低通或带通滤波输出；

●采用＋５Ｖ或±５Ｖ电源供电；

●每片由４个２阶滤波单元组成（共８阶），并可以实现芯片级联；

●自带设计软件，可以进行辅助设计和仿真；

●中心或截止频率ｆ０范围为１００Ｈｚ～１５０ｋＨｚ。

ＭＡＸ２７４的引脚及外部接口图如图４所示，各引脚功能如下：

ＩＮＸ（２，１１，１４，２３ ）：信号输入；

ＬＰＯＸ（１，１２，１３，２４）：低通输出；

ＢＰＯＸ（４，９，１６，２１）：带通输出；

ＦＣ：ＲＸ／ＲＹ调节端，可接到Ｖ＋、Ｖ－或ＧＮＤ。

３、ＭＡＸ２７４的应用设计与仿真实现

变压器监测现场的干扰主要有电磁干扰、风扇振动（８～２５ｋＨｚ）、可控硅动作（２００～３００ｋＨｚ和７００～９００ｋＨｚ）和电台通讯信号（８００ｋＨｚ左右）等，这些信号相对都集中在较高频段。因此，滤波器应设计为低通滤波器。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器在通带内具有最大平坦的幅度特性，而且随着频率升高呈现单调递减的特点，因而比较适合本设计。

其参数设计过程如下：

第一步，由公式Ｒ２＝（２×１０９／ｆ０），计算出Ｒ２；

第二步，由公式Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，计算出Ｒ４；

接下来，计算Ｒ３以决定Ｑ值，Ｒ３与Ｑ的值成正比例关系，其关系式为Ｒ３＝Ｒ２ Ｑ ＲＸ／ＲＹ，其中ＲＸ和ＲＹ是滤波器单元内的两个电阻，其比值由ＦＣ管脚连接到哪个引脚决定，具体见表１所列。

表1 FC接点与RX/RY的比值

最后计算出Ｒ１，Ｒ１主要用来设定增益。对于低通滤波器，Ｒ１的值与增益成反比。其关系式为：

Ｒ１＝（Ｒ２／ＨＯＬＰ）·（ＲＸ／ＲＹ）

滤波器的设计虽然也可以采用上述步骤手算，但对高阶滤波器宜采用软件辅助设计。用滤波器设计专用软件ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ进行滤波器设计非常方便，可以节省大量时间，同时也避免了人为计算的错误。软件仿真可以完成阶数、极点、Ｑ值的计算，可生成仿真增益Ｇａｉｎ和相位Ｐｈａｓｅ的响应曲线，并计算外接电阻的阻值。

本设计中低通Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器的具体要求为：通带截止频率１ｋＨｚ，通带内最大衰减０．１ｍｄＢ，阻带截止频率４ｋＨｚ，阻带最小衰减５０ｄＢ，通带增益为１。将设计要求输入ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ软件，经计算得出滤波器阶数为８，软件自动调整后可得到表２所列的４级２阶滤波器的设计参数，其中的电阻值是经过１％精度调整后得到的，Ｇａｉｎ是直流状态的增益。由Ｍａｘｉｍ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ软件生成的增益曲线用Ｍａｔｌａｂ处理后如图５中的实线所示。

表2 8阶滤波器设计参数

４、实验结果及注意事项

在实验室将表２所列的电阻值按照图４所示接入，并采用ＸＤ－７低频信号发生器将正弦波信号输入滤波器的输入端，部分典型实验数据如表３所列。输出与输入的比值取对数后生成的曲线如图５中的虚线所示。对比图５中的两曲线可以看出，在小于４ｋＨｚ时，两曲线基本重合；而当大于４ｋＨｚ时，两者出现了偏差，这是由于实验时所用电压表、电阻精度不足及电路板本身的噪声造成的。即使如此，通过表３可以看出：在４ｋＨｚ时，输出电压已经衰减为输入电压的０。４％，完全可以满足实际工程的需要，因此，本滤波器的设计是成功的。

表3 部分实验数据

使用ＭＡＸ２７４时，市场上所能购买到的电阻和计算值之间有一定误差，因此要对电阻值进行取舍，通常误差不要超过５％，以使电阻值对滤波器的频谱影响不至于太大，从而使得到的频谱关系满足要求。另外，当Ｒ大于４ＭΩ时，寄生电容的影响将明显表现出来，此时可用Ｔ型网络形式将其变换成小电阻。

ＭＡＸ２７４既可用单＋５Ｖ供电，又可以用±５Ｖ供电。值得注意的是，采用单＋５Ｖ供电时，一定要按图６方式进行接线。笔者曾想当然地将电源接在Ｖ＋与ＧＮＤ引脚之间，结果烧毁了一片元器件。

５、结论

在变压器铁芯在线监测项目中，铁芯接地电流很小，而现场高频干扰相对比较严重。本文探讨了采用ＭＡＸ２７４设计有源滤波器的方法，并给出了实验数据。实际运行结果表明，本设计达到了预期目的。

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