基于MAX274在电力参数测量中的设计

基于MAX274在电力参数测量中的设计

本文重点介绍MAX 274在电力参数测量装置中实现低通滤波器的过程。

在电力参数测量装置中，电力参数来源于具有强大干扰源的电网，同时由于互感器、放大电路本身的影响，造成在信号进入A／D转换器之前，所采集信号中混有各种频率的信号，但很多是不需要的信号。在实际应用中要获得准确的FFT运算结果，必须满足奈奎斯特采样定理的要求，防止频谱混叠的发生。因此前置模拟低通滤波器在电力参数的测量装置中有着不可替代的作用，其性能将直接影响到整个系统的性能。

　　基于DSP的电力参数测量装置已经成为现在研究的热点，但多数装置的前置模拟低通滤波器仍然由运算放大器和R，C实现。此种滤波器虽然比较容易实现，但参数调整困难，而且当工作频率较高时，元件周围的杂散电容将会严重影响滤波器的特性，使其偏离预定工作状态，最终效果不是很好。Maxim公司推出的8阶连续时间滤波器芯片MAX 274是目前较为理想的一种滤波芯片。

　　1 模拟信号调理电路的工作过程

　　该测量装置以DSP芯片TMS320LF2407A为核心，主要由模拟信号调理电路、A／D转换电路、频率测量电路、键盘显示电路和通讯接口电路组成，完成对三相电压、电流和频率的精确测量，通过DSP实现FFT算法，计算出三相有功功率、无功功率、功率因数和电能，还可以进行16次谐波分析。装置结构图如图1所示，图1中A／D转换器采用带有同步采样保持器的高速多通道14位数据采集芯片MAX 125，它带8通道的多路开关和8路输入通道，其采样电压的范围是-5～+5 V，转换时间为3μs。

　　电力系统中的电压电流信号一般不能直接送到A／D转换器的输人端，3路电压和3路电流模拟信号先经PT，CT将电压电流降低，再经过电压／电流变换器变为额定值为5 V的电压信号，经过信号转换和低通滤波后，送人A／D转换器MAX 125。

　　电流信号转换电路和电压信号转换电路类似，电压信号转换电路如图2所示。电压互感器的原边100 V，副边输出2 mA电流经OP07转换成-3.5～+3.5 V的电压量。D1和D2对运放OP07进行输入限幅保护，C2，R2，R3和R4为互感器相移补偿电路，C1，C4和C5用来去耦和滤波。运放TL084 构成电压跟随器，起到阻抗匹配的作用，同时还有缓冲、隔离和提高带载能力的作用。低通滤波器的设计用MAX 274实现，TL084的输出接MAX 274的INA引脚。下面重点介绍由MAX 274设计低通滤波器的过程。

　　2 低通滤波器的设计过程

　　2.1 确定滤波器性能指标

　　为了得到精确的电压和电流有效值，同时考虑到DSP的运算量，该电力参数测量装置的每周期采样点定为32个，这样既实现了对三相电压、电流等常规电力参数的精确测量，还可进行16次谐波分析。所以滤波器的截止频率Fc为800 Hz，取采样频率Fs为1.6 kHz。巴特沃斯滤波器作为迄今为止用得最多的滤波器，其幅频响应在通带内非常平坦，过渡带的衰减速度比巴塞尔滤波器要快，在阻带范围内响应没有波纹，所以非常适合作为数据采集系统中的抗混叠滤波器。对于巴特沃斯滤波器通带内最大衰减Amax为3 dB，阻带内最小衰减Amin由阶数确定。

　　用MAX 274软件设计滤波器主要包括2大步骤：

　　(1)由滤波器指标确定极点、Q值和零点；

　　(2)完成滤波器在MAX 274硬件上的实现。

　　2.2 由滤波器指标确定极点、Q值和零点

　　这一步主要是根据滤波器所需达到的性能指标，如通带内的最大衰减、阻带内的最小衰减、截止频率、采样频率、Q值等，迅速算出经典的巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔或椭圆滤波器的极点、阶数和Q值等。

　　(1)滤波器类型选为Lowpass后，将Amax，Fc和Fs值分别输入，确定滤波器的阶数为4阶，同时Amin值变为24.079 dB；

　　(2) 按[V]键打开窗口；用[T]键选择要查看的选项；[Enter]显示滤波器效果图，查看其幅频特性、相频特性和传输延时特性(见图3)。可以看出，其波形在通带内平直，阻带内陡降，符合对滤波特性的实际要求，并且下降速度可达-80 dB／10倍频频。若效果不理想，必须返回到前面，重新修改参数，直到满意为止；

　　(3)按[P]键查看其Q值。必须注意Q和F0(即Fc)的值都要在允许的范围内。还应注意滤波器设计中的陷阱，即滤波器的阶数必须为偶数，这是由芯片结构决定的。

2.3 滤波器在MAX 274硬件上的实现

　　这一步主要是算出滤波器输出端增益和编程电阻的大小，并给出电路原理图。具体设计步骤如下：

　　(1)进入滤波器在MAX 274硬件上实现的操作界面，用[L]加载步骤1的结果；

　　(2)根据后续电路的要求，按[ALT+G]设置最后1级输出对第1级输入的总增益(可用[U]切换增益单位)。本设计最终增益为1.000；

 　　(3)可用[V]来查看每一个滤波单元的增益效果图是否满意；

　　(4) 若满意，按[R]键进行电阻配置。配置电阻主要有3步：第1个窗口可选择Fc引脚的连接方式、芯片型号，对于R2，R3和R4若大于4 MΩ，由于电阻精度及寄生电容的影响，Fo和Q值会出现较大偏差。解决方案是用T型电阻网络取代大阻值的外接电阻，按[2]，[3]，[4]数字键自动将其变换成T型电阻网络；然后进入第2个窗口，对Fo／Q值进行补偿；然后进入第3个窗口，对电阻阻值标准化处理而得到最终结果。

　　若设计过程中出现错误提示，则表明参数不符合要求，应该重新设计。

　　该4阶低通滤波器的设计参数如表1所示。

　　由于表1中所列的电阻值是由软件计算出来的，不一定能够买到，所以要进行标准化设计。大多数设计采用对电阻值进行取舍的标准化方法，这种方法在 5％的误差范围内虽然对滤波器的频谱影响不至于太大，但仍然不够精确。因此本设计采用将计算出的电阻值进行拆分组合的方法，即由几个实际存在的电阻值共同组成计算出来的电阻值，这样就减小了由于对电阻值进行取舍所带来的误差。如第一组二阶滤波器的外接电阻R1的理论值是445.625 kΩ，但实际并没有这样的电阻，这里由电阻R1A1(430 kΩ)，R1A2(15 kΩ)和R1A3(620)的串联结果得到理论上的R1值，低通滤波器电路如图4所示，每组滤波器的R1，R2，R3和R4的具体值如图4所示。

　　3 结 语

　　在电力参数测量装置中，电网的干扰成分很多，本文探讨了采用MAX 274设计抗混叠低通滤波器的方法，并给出实验数据。

　　实践证明，采用连续时间集成滤波器MAX 274设计的巴特沃斯低通滤波器，结构简单、易于设计、性能可靠、达到了设计的要求，为电力参数测量装置中抗混叠低通滤波器的设计提供了有效的解决方法。用MAX 274设计的低通滤波器代替电力参数测量装置中的RC低通滤波器将产生至少50万元的经济效益。