一种具有宽范围的限压转换采集电路的制作

摘 要：本文介绍一种实用的电压信号采集电路，该电路具有电压信号采集范围宽、检测速度快、信号精度高、抗干扰能力强等优点，适合用于磁控电抗器（MCR）和其他电力自动控制系统的电压信号采集。电路主要由减法器电路和求真有效值电路两部分组成。

关键词：电压信号采集 减法器 真有效值 纹波

在电力自动控制系统中通过采集电压信号作为实现自动控制的依据，是不可缺少的控制内容。在以计算机为核心的电力自动控制系统，需要大量准确的数据采集，提供给计算机信息收集、运行工况分析、屏幕显示、安全检测和实时控制。特别是在自动检测、输电网络的调度和运行、系统的自动化安全保护、输电网络信息的传输等都离不开电压信息的采集。

目前，电力系统电压信号采集的基本方法是通过电压互感器来实现的。当系统电压稳定在额定电压时，电压互感器输出电压为100V，当系统电压波动时，电压互感器的输出电压也随之按比例波动。但在数字控制系统中，电路所能承受的信号电压一般为0～5V，直接将100V交流电压输送给信号处理电路是不合适的。必须对电压互感器输出信号进行再降压处理。对电压互感器输出信号的再处理，可以有多种手段来实现。现行常用的方法是采用ZM-BPT系列PCB板上电压互感器将系统母线电压互感器输出的0～100V的电压信号压缩为0～5V左右的弱信号，如图1所示。

电压信号采集电路原理是将PCB板上电压互感器与母线电压互感器的二次电压相连，由PCB板上电压互感器实现二次降压，然后再经滤波等信号处理电路作为运算电路的输入信号。其优点是可以实现采样电路的小型化。但是由于0～5V左右的压缩信号是经过两次电压互感器降压传输，再经滤波等电路处理而得到的，不仅增加了信号相移，也延迟了信号采样时间，所以这种采样方式对于需要快速响应的控制系统是不合适的。采用减法运算电路，配合求真有效值芯片实现的电压信号采集电路，有效地克服了上述采样方法的不足。不仅具有响应速度快、动态范围宽的特点，又减小了信号相移，缩短了采样时间，特别是在MCR（磁控电抗器）快速自动补偿控制器中应用，取得了较好的效果。

一、基本原理

限压采集电路主要由减法器电路和求真有效值电路两部分组成。

1.减法器电路的工作原理

减法器电路如图2所示。电路由运算放大器IC1和IC2组成。信号ui1从IC1的反相端输入，其输出的反极性信号（-ui1）与另一信号ui2在IC2的反相输入端做求和运算。若将每一级的比例放大系数都取作1，则在IC2的输出端就实现了减法运算。其表达式为：uo=（-ui1）+ui2。为了保证运算精度，R1、R3、R5和R4的取值应相等，输出信号的大小用R7的取值来调整。

减法器电路在电压采样电路中的实际应用电路如图3所示，和图2相比，增加了由电阻R1、R2及R3组成的串联分压电路和两个起隔离作用的电压跟随器IC3、IC4。

由电压互感器（图中没有画出）输出的100V电压信号经电阻R1、R2和R3串联分压后，电压ui1作为第二级运放IC2的输入信号，电压ui2作为第一级运放IC1的输入信号。如果R6=R4，则IC1输出的电压为-ui2。该信号电压与ui1在IC2的反相输入端做求和运算，则IC2的实际输入信号电压为（-ui2）+ui1。当[（-ui2）+ui1]>0时，IC2的输出电压u0

2.求真有效值芯片AD536

AD536是一种新型的求真有效值的芯片，其功能方框图如图4所示。从图中可以看出，其内部电路主要由四部分组成：求绝对值电路、平方除法器、镜像电流源、输出缓冲放大器。

其基本工作原理为：

由式可知，对输入电压依次进行“取绝对值平方/除法取平均值”运算，就能得到交流电压的有效值。

该芯片可以单电源供电，也可以双电源供电。单电源供电的电压范围从5V到36V。双电源供电的电压范围从±5V到±18V。

图5为双电源供电的求真有效值的应用电路。图中C2、Rx、C3与内部缓冲放大器构成了双极性滤波器。Rx取25kΩ比较合适，C2、C3取值相等，大约取2倍的CAV。

C1为隔直电容，其值为0.01μF。正负电源接0.1μF的去耦电容。

二、利用减法器和AD536组成的限压转换采集电路

将图3电路的输出端和图5电路的输入端相连就构成了完整的限压转换采集电路，如图6所示。图中IC3、IC4是为提高电路的输入阻抗和抗干扰能力而设置的电压跟随器。信号U'i2是IC1输出的反极性信号，该信号在IC2的反相输入端与Ui1做求和运算。IC3的输出信号即是求和运算的真有效值。下表是输入信号电压为0～20V，R4=R6=R9，R10=3R7时的输出电压理论计算值和测试值，是采用通用运放和普通电阻组成电路的测试数据。为了提高运算精度，图中的集成运算放大器和电阻应采用精密运放和精密电阻。图7为电路的测试波形。

三、结论

由测试数据和测试波形可以看出，减法运算的结果基本是准确的，输入信号电压在0.5～20V范围内变化时，输出信号电压真有效值在0.148～5.16V范围内变化，实现了将大范围变化的信号电压转换为低电压变化。通过在磁控电抗器（MCR）控制电路中的应用，表明该采样技术具有动态响应范围宽，信号纹波小，响应速度快，无延迟等优点，将MCR控制器的采样时间由10ms左右缩短到几个μs，极大地提高了控制器的采样速度，满足了MCR快速响应的需要，并可应用在其他需要宽范围、快速采样的电路中。如在电力系统调度中心和配变站间的实时信息传输中，限压采集电路采集现场信息并转换成数字量利用微波、载波、高频、光导通讯等通道送到接收端，实现电力调度。在反事故自动装置中，为防止电力事故危及系统和电气设备运行，利用限压采集器采集事故信息，提供给反事故自动装置，对系统进行继电保护和安全保护。在电力系统检测中采用数字化仪器仪表监测，限压采集器采集信息可直接供给检测和显示系统。在具体的应用时还需根据实际需求对电路进行调整，满足电压采样要求。

（作者单位：丹东市技师学院）