大连交通大学本科毕业论文论文题目：高压系统电流检测新技术的研究及电路设计
作者：
指导教师：
单位：大连交通大学
论文提交日期：
摘要
电流互感器是电力系统中用于继电保护和电测量的重要设备，其精确度和可靠性对电力系统的安全、稳定和经济运行有着重要影响。光电式电流互感器和传统的电磁式电流互感器相比有很多突出的优点，必将得到广泛的应用。电子式电流互感器分为有源、无源两种类型，有源式电子电流互感器采用了先进的光电子技术和现代集成电子技术，发挥了高可靠、高精度、高稳定等特点，是目前最具实用前景的研究方向之一。
在研究和分析了各种电流互感器的工作原理及优缺点的基础上，本文采用了有源型结构中ADC式光电电流互感器设计方案。完成从高压侧数据采集、数据处理、高低压间光纤数据通讯直至低压侧数据恢复的研究和设计。鉴于CPLD/FPGA具有高集成度、高速度和高可靠性的特点，提出了高压侧以CPLD 为控制核心、低压侧以FPGA为控制核心的整体设计方案，简化了相应硬件电路的设计过程，且有效率低了系统在强电磁干扰下测量产生错误的风险。本文详细介绍了高压侧硬件系统的电路设计，高压侧数据异步通讯电路在CPLD/FPGA 中的实现，芯片的选择以及各部分电路的设计实现与调试。最后对整个系统进行了软件的仿真测试与硬件调试，验证系统的功能实现。
经验证该系统设计可以实现光电混合式电流互感器高压侧单元和数据通讯的预定功能。可较好的满足电力系统中数据处理的高速度、高数据量、复杂运算等要求，并具有结构简单、方便修改的优点，具有一定的研究价值。
关键词：电流互感器，CPLD/FPGA,数据异步通讯
Abstract
Electronic current transformer is very important equipment for system protection and electrical measurement in electrical power system. Its accuracy and reliability have significant impact on safety, stability, and efficiency in power system. A photoelectric hybrid current transformer has a lot of obvious advantages over a traditional electromagnetic current transformer. It will definitely find more and more applications. There are active and passive about electronic current transformer. The active electronic current transformer adopts the sophisticated integrated optoelectronic technology and modern electronic technology. It has played a high-reliability, high-precision and stabilization. It is one of the most practical in future research directions.
On the basis of research and analysis principles of various current transformers, this paper eventually adopted the ADC active-type Optical Current Transformer. It mainly completed data collection and processing of high voltage side, data communication between high and low voltage side and analog waveform restoration at low voltage side. CPLD/FPGA has character of high integration density, high speed, and high reliability. According superiorities of these devices, this paper use CPLD as the CPU of the high voltage side and FPGA as the CPU of the low voltage side,which simplified the design process of hardware circuit and effectively reduced risk of measured errors in the strong electromagnetic interference environment this paper describes the design of hardware circuit system of the high voltage part, high and low voltage side data asynchronous communication circuit realization in CPLD/FPGA, chip selection and the circuit implementation and debugging of the various parts. Finally it gives the overall system simulation, testing and hardware debugging; verify the function of the system implementation.
The test results have proven that the proposed system designed can perform the expected functionality of photoelectric current transformer at high voltage side and data communication between high and low voltage side. It can better meet the power system’s requirements in the high-speed data processing, large data quantity and complex operation. It also has merit of being simple in structure and easier for modification. It is worth for further investigation.
目录
摘要
Abstract
第一章绪论
1.1课题的来源和意义
1.2国内外发展情况
1.3研究目标和研究目标
1.4本章小结
第二章光电电流互感器高压侧电路的研究
2.1光电电流互感器的基本原理
2.1.1有源型
2.1.2无源型
2.2整体设计方案
2.3本章小结
第三章光电电流互感器供能方案的研究
3.1系统供能电源设计基本原理
3.2高压侧电源系统的基本性能指标
3.3目前可行的供能方案的分析
3.4双电源供电方案
3.5本章小结
第四章高压侧传感器部分的理论及设计
4.1传统接头
4.2滤波器环节
4.3 A/D转换器
第五章传输部分的理论分析和设计
5.1数据的电/光转换、发送/接收及光纤连接器5.2光纤选择
5.3本章小结
第六章结论和成果
6.1总电路图
6.2仿真图
参考文献
致谢
1.1课题的来源及意义
近年来，伴随现代高压、超高压输电网络的建设，电力系统正朝着大容量、高压大电流方向发展，这就对电流测量装置提出了更高的要求。传统的电流测量装置主要采用带有铁心的电磁式电流互感器，它的优点在于一次绕组串联在电路中，并且匝数很少，故一次绕组中的电流完全取决于被测电路中的负荷电流，而与二次电流大小无关；电磁式电流互感器的二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，正常情况下接近短路状态运行，所以，一次侧电流I1等于二次侧的测量电流乘以额定互感比K1。额定互感比近似等于二次侧和一次侧之间的匝数比Kk。但它有很多的致命缺点使得其不能满足当代要求，随着电压等级的提高和传输容量的增大,电磁式电流互感器呈现出以下缺点:1.绝缘结构复杂、尺寸大、造价高。
2.测量准确度无法满足。
3. 设备安装、检修不方便,维护工作量大。
4. 存在潜在的危险，存在突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素。
5. 除此以外,传统的电磁式电流互感器还具有铁磁共振、磁滞效应等不利于测量的因素。因而，其难以满足电力系统发展的要求，必须寻求基于其他传感机理的电流测量装置来取代之。
因此光纤式电流互感器应运而生，全光纤电流互感器的优点在于其具绝缘无油，五SF6或其他气体，腔内无任何机械装置。无二次开路的危险。无铁芯剩磁的问题。成本低而且动态范围大，可测交直流，无磁饱和，频带响应宽，抗干扰能力强。但是随着科技的发展，已不能满足当代对精度的更高要求和体积减小等问题。所以这种互感器也终将退出历史舞台，从而迎接光电混合电流互感器的到来。光电混合是目前很有潜力的互感器，它的发展和完善是进来电流检测新技术发展的杰出代表。它的优点有：优良的绝缘性能，造价低。不含铁芯，消除了磁饱和，铁磁谐振等问题。抗电磁干扰性能好，稳定性好，保证了系统运行的高可靠性。暂态响应范围大，测量精度高。频率响应范围宽。没有因充油而产生的易燃爆炸等危险。体积小，重量轻。适应了电力计量与保护数字化，微机化和自动化发展的潮流。
电流检测新技术这个课题是基于电流检测老技术基础上的。时代的发展和对检测技术的新要求让电流检测新技术这个课题变得越来越重要，亟待我们的研究和设计。光电式和光电混合式等的检测新技术的出现可以满足当前需要，但是新技术发展和进步需要我们不断的研究和设计。尤其是光电混合式电流互感器具有更加安全可靠的性能，能给我家经济和利益带来极大的好处。研究和设计新型的光电混合电流互感器符合国家发展战略，使这种新技术真正的造福国家和广大人
民。因此电流检测新技术这个课题的研究和设计有关国民经济和生活水平，具有很长远的国际战略等意义。
1.2国内外发展状况
国外利用Faraday磁光效应进行电流测量的工作于六十年代起步，到七十年代初涌现出了多种新型电流互感器，并在八十年代末九十年代的时候进行了实际应用。美国、日本、法国和前苏联等国先后研制出多种光电电≥电互感器样机，并在实际高压电站长期运行。国外 A B B、AI—stom 、Nxt Phase、Si em ens 等公司已经开发出一系列光电电流互感器产品并在世界各地挂网运行。日本除研究500kV．1000kV 高压电网计量用的光电电流互感器外，还进行500kV 以下的直到6．6kV 电压等级的零序电流互感器的研究。1994年A 8B 公司推出有源式电流互感器，其电压等级为72．5—765kV ，额定电流为600—6000A ；3M 公司在1 9％年宣布已开发出用于1 38kV电压等级的全光纤型电流互感器，可用于SOOkV 电压等级；Photoni es公司推出了一种用光推动的光电式电流互感器，即”光电混合式电流互感器”，他们曾于1 995年至1 997年期间在美国、英国、瑞典的超高压电网上试运行。法国ALSTOM 公司主要研究无源电子式电流互感器，目前已经研制出了1 23kV 一756kv的光学电流互感器、光学电压互感器及组合式光学电流电压互感器等多种电子式互感器。自1995年以来，ALSTOM 公司的电子式互感器已经有多台在欧洲及北美运行。
在国内，直到上个世纪60年代初期，互感器的生产才逐步专业化，开始形成全国互感器行业。基于光学原理的电子式互感器研究己经展开并取得了一些理论上的成果，但还没有在实际电力系统长期运行的光电互感器问世。我国光电电流互感器的研究始于七十年代，以1 982年在上海召开的“激光工业应用座谈会“为起步，主要研究单位有电子部26所和34所、清华大学、电力科学研究院、陕西电力局中心试验所j上海互感器厂、北方交通大学、华中科技大学、湖南大学等都在光电式电流互感器的研究中投入了很多人力和物力，也取得了一定的成果，但是其中大部分仅限于实验室探索阶段。其中，清华大学和电力部电科院共同承担的国家“七五”攻关项目，研究出了”0kV 光电电流互感器样机，但未长期挂网运行。2001年，华中科技大学与广东某公司合作研制的”O kV 光电电流互感器在梅州挂网试运行。2002年，清华大学研制的1 10kV OEC T样机在山东挂网试运行。目前国内的光电电流互感器有以下三个特点：
1)光电电流互感器研究将在理论、实验和实用三个方面更紧密地结合。
2)数字化、智能化是光电电流互感器发展的必然趋势。
3)光电电流互感器的发展将促进磁、光、电材料的进—步开发。
国际电工委员会关于电子式电流互感器标准的出台，以及我国已经酝酿起草的电子式电流互感器国家标准，预示着电子式电流互感器的产品化应用己经初步具备了行业规范，为电子式电流互感器的市场化提供了基础平台。经过门年的电网改造，电网的综合自动化水平得到了很大的提高，对相应的网络瞬态保护提出了更快速的要求。随着电网的扩大，输电线路越来越长，传统的电流互感器己经无法满足距离保护的瞬态特性要求，预计在未来5～10年中，电子式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。随着光电子学的发展和成熟，国内外很多大学和科研| 初构不断投^精力和物力研究光电式电流互感器。发展到现在，已经取得了很大进步，预计再过十几年，光电式电流互感器将全面走向工业化。由于光电式电流互感器和传统的电磁式电流互感器相比有很多突出的优点，未来光电式电流互感器将会被广泛的使用。
1.3本课题的研究目标、研究内容
目标：随着高压输电电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器的体积也不断增大，对绝缘的要求也越来越高，导致传统电磁式电流互感器非常的笨重建造成本高，不能满足日益提高的电压的要求。选择设计一种电流互感器，解决传统电流互感器的体积和电流大小的问题。
内容：一种新型的电流互感器的想法油然而生，它的体积不随电压等级的提高而增大,只要让二次侧与地面绝缘就可以了，为此可以使用光纤作为信号传输介质，传感头采用电磁式互感线圈从输电线感应出电流，在对电流信号进行处理，包括滤波、逻辑变换、AD转换、功率放大。把电信号转换成光脉冲后，经由光纤传输到下方地面的接收器处理并读取数值。此外，还需要另一个换线圈来提供电路部分的电源。
1.4本章小结
随着光电子技术的迅速发展，许多科技发达国家已经把目光转向利用光学传感技术和电子学方法来发展新型的电子式电流互感器，简称光电电流互感器。光电电流互感的特点和工作原理能够很好的满足我国当前和未来的电力系统电流检测的需要，是电流检测新技术中发展前景特别好的一个方向。
由于光电式电流互感器和电磁式电流互感器相比有很多突出的有点，预计未来的50年中，光电式电流互感器会在各种电压等级的电网中大量安装和使用。除此之外，光电式电流互感器还可以用于一些其他场合，比如便携式电流互感器、高频电流测量、冲击大电流测量等。所以本文选取光电混合式电流互感器作为研究和设计对象，选择合适的方式和设计来实现对高压电力系统中电流的检测。
第二章光电电流互感器高压侧电路的研究
2.1光线电流互感器的基本原理
光纤电流互感器从传感头有无电源供电可分为无源OCT和有源OCT两大类。目前研究最具代表性的主要全光式光电电流互感器（MOCT）有源型光电电流互感器（HOCT）.
2.1.1有源型
有源型又可称为混合型（简称为HOCT）。所谓有源型光电电流互感器乃是高压侧电流信号通过采样传感头，将电信号传递给发光元件而变成光信号，再由光纤传递电压侧进行光电转换变成电信号输出。有源型光电电流互感器的方框图如图2-1所示。
有源型光电电流互感器可以分为两种：压频转换式和A/D转换式。
（1）压频转换式光电电流互感器结构框图如图2-2所示：
采样线圈将流过母线的电流转化为电压信号，通过压频转换电路，即V/F 转换部分，经过V/F转换后电压的变化将转换为脉冲频率的变化。电脉冲信号经过电光变换器件（E/O变换）后，变为光信号，经过光纤传到低压端，低压端的光电转换器件（O/E转换）将光信号还原成电信号，再经过频压转换电路即F/V 转换部分通过信号处理单元最后进行显示。
压频式光纤电流互感器的主要优点是：
（1）结构简单
（2）精确度抗干扰性能比较高
（3）比较适合信号源距离传输
采用压频变换的方法可以减少低压端和高压端之间连接光线的数量。目前的集成V/F和F/V变换电路，比如Analog Device公司的ADVFC32芯片能够通过引脚连接方式不同实现V/F变换或者用于F/V变换，精确度也不错（再10KHz的条件下最大的误差为0.01%）。但是该芯片正常工作功耗比较大（25mA左右），这将需要更大的功率来支持高压侧电子线路的工作，势必带来高压侧电源设计的复杂性，同时使整个系统的起始工作的最小电力母线电流变大，减小了系统的测量范围。
（2）A/D转换式光电电流互感器
A/D转换式光电电流互感器的结构框图如图2-3所示：
整个系统分为高压子系统和低压子系统两个部分。两个系统用光纤连接起
来，高压子系统包括传统线圈、积分电路、高压端供电电源、A/D转换器、时序协调电路和E/O、O/E转换器。低压子系统包括O/E、E/O转换器、D/A转换器时序发生电路和信号处理电路。
在高压子系统中才用传统线圈取得电流信号送入电子转换电路中，电子转换电路将这一正弦电流信号调制为数字脉冲信号，再驱动发光元件转换成光信号，通过光纤光信号就被传送到地面监控室中。在低压子系统将接受到的光信号反变换成电信号，经过放大送入仪器仪表。
A/D转换式光电电流互感器的主要优点是：
（1）目前A/D、D/A转换器的转换精度很高，可以通过寻用合适的A/D转换器来满足系统对精确度的要求。
（2）高压部分的功耗较小
（3）低压端具有模拟信号和数字信号两种输出，与光通信系统兼容，给未来的电力通信带来良机。
有源型光电电流互感器优点是长期稳定性好，在现代电子器件可靠行高、性能稳定的条件下易于实现精度高、输出大的实用型产品。
有源型光电电流互感器的技术难点是：
（1）传感头去信号绕组的制作。
（2）积分器的设计。
（3）供电电源的设计。
2.1.2无源型
所谓无源型光电电流互感器乃是传感头部分不需要供电电源，传感头一般基于法拉第效应原理，即磁滞光旋转效应，当一束线偏振光通过放置在磁场中的法拉第旋光材料后，若磁场方向与光的传播方向平行，则出射线偏振光的偏振平面将产生旋转，即电流信号产生的磁场信号对偏振光波进行调制。无源型光电电流传感器系统框图如图2-4所示：
无源型结构今年来比较盛行。其优点是结构简单，且完全消除了传统的电磁感应元件无磁饱和问题，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是在高压侧不需要电源器件使高压侧设计简单化，互感器运行寿命有保证。其缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度不容易达到，尤其是此种电流互感器受费尔德（Verdet）常数和线性双折射影响严重，而且前尚没有更好的方法能解决Verdet常数随温度变化和系统的线性双折射问题，所以很难实现高精度测量。
全光纤型光电电流互感器实际上也是无源型的，只是传感头即是光纤本身（而无源型光电电流互感器的传感头一般是磁光晶体，不同于全光纤型的传感器是特殊绕制的光纤传感头），其余与无源型完全一样。其系统框图如图2-5所示：
全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结构最简单，比无源的容易制造，精度和寿命与可靠性比无源型要高。但是光纤技术现在还没有达到用于互感器环境的要求，传感光纤对环境具有十分敏感的线性双折射现象，影响测量精度及稳定性。虽然有的提出了校正时的数值。此后采用一种螺旋型光纤结构显著地降低了光纤双折射，但是此螺旋光纤会逐渐变质难以长期使用。另外光纤材料的费尔德常数不够大且随温度变化较大，也影响测量的准确性。在实现挂网过程中还存在长期稳定性的问题，因此在实际挂网之前需要更深入的研究。
2.2整体设计方案
综合2.1节，因为有源型光电电流互感器的制作难点在电子学上易于克服，而无源型光电电流互感器的双折射现象及费尔德常数问题目前还没有找到解决的途径，因此本文决定采用有源型光电电流互感器作为本文设计的目标。
有源型光电电流互感器中，基于V/F变换的电流互感器需要非常大的电源来驱动V/F变换，而目前所设计的电源很难达到要求，因此本文决定采用A/D 转换式光电电流互感器。
高压侧电路主要有传统线圈、过滤器、A/D转换等，在互感器低压侧，灵活的电路设计，除了从光数字信号中恢复出数字电流信号外，还可以通过数字信号电路的处理，便于与微机保护装置、计算机测量和控制装置及其它数字仪表进行通信和电流数字信号的传送，也可以输出模拟电流信号，以便与传统的仪器仪表对接，利用数字信号处理电路还可以组成光电式电压和电流的复合式互感器，以及将保护和控制集成在一起，也有利于向智能化互感器方向发展。
2.3本章小结
本章系统而简明的介绍了光电电流互感器的概念和分类，并给出了本文设
计的总方案。
第三章光电电流互感器供能方案的研究
3.1系统供能电源设计基本原理
供能电源是电子电路工作的基本保障。随着电子电路日趋集成化和节能化，电源技术也在不断地发展。实际上，电源电路的设计已经成为电路设计中关键的一环。电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。
3.2高压侧电源系统的基本性能指标
安全、稳定、可靠地运行是电子式电流互感器应该达到的基本要求，同时，这也是对电子式电流互感器高压侧电源系统的最基本要求，因为电源使正常工作的必要条件。除了这些要求外，电子式电流互感器高压侧的电源系统还应具备以下性能指标：
（1）一定的输出功率
（2）较短的启动时间
（3）较小的启动电流或电压
（4）输出电压质量好和自身功耗低
（5）极端情况下的防护能力
3.3目前可行的供能方案的分析
目前可行的供能方案主要有母线电流取能供电、电容电流取能供电、激光供电、太阳能供电、蓄电池供电等。
3.3.1母线电流取能供电
母线电流取能供电是利用电磁感应原理，由普通铁磁式互感器从高压母线上感应得到交流电电能，然后经过整流滤波、稳压后为高压侧电路供电。其供电的能量来自高压母线电流，取能是通过一个套在母线上的磁感应线圈来完成的，母线环周围存在磁场，通过磁场来获取能量。
此功能方式体积小、结构紧凑、绝缘封装简单、使用安全；供电比较可靠、成本低。设计难点在于电力系统负荷变化很大，母线电流随之变化很大，母线短路瞬时电流可超过十倍额定电流，因此磁感应线圈必须同时兼顾最小、最大两种极限条件，设计一是要尽量降低死区电流，保证在电力系统电流很小时能够提供足以驱动处于高压侧电子电路的功率，二是当系统出现短路大电流时，能吸收多余的能量，给电子线路一个稳定的电源，其本身也不会因过电压而损坏。
3.3.2电容电流取能供电
由于系统电压在系统运行过程中的变化范围较母线电流要小得多，所以对高压侧电源的设计可以考虑通过高压母线环周围存在的电场来取能。于是出现了利用电容分压器从母线取能供电，这种供电方式与母线电流供电类似，其原理是在高压母线与地之间连接高压电容分压器从高压母线上取得经过整流、滤波、稳压以后，向高压侧电路供电。
由于一次电压相对电流来说比较稳定，此方案的电源输出也是比较稳定的，但是设计该方法面临着比母线电流供电更大的困难，首先是如何保证取能电路和后续工作电路之间的电气隔离问题。这要求严格的过电压防护和电磁兼容设计；
其次就是这种方法有着更多的误差来源。温度、杂散电容等多种因素都将影响该方法的性能。因此获取电源的稳定性和可靠性较母线性取能供电电能方法差；另外就是采用这种方法得到的功率有限，虽然可以通过改变电容C的大小来调整功率输出，但过大的电容将会带来更多的问题。
3.3.3激光功能
激光功能主要是能采用激光或其它光源从低电位侧通过光纤将光能量传送到高电位侧，再由光电转换器件将光能量转换为点能量，经过DC-DC变换后提供稳定的电源输出。其突出优点是能量以光形式通过光纤传输到高压侧，完全实现高、低压间电的隔离，不受电磁干扰的影响，稳定可靠，不受电网波动的影响，噪声小，可长期安全、可靠地供电，同时有利于电力系统向光纤化、数字化的方向发展。但其设计存在各种设计难点，如必须采取措施对温度进行自动控制，受激光输出功率的限制，其中的二极管的工作寿命有限等等。
3.3.4蓄电池供电
该方法采用蓄电池对高压侧的电子线路进行供电，电池的能量来自高压母线电流，接在母线上的经过特殊设计的电流互感器或电容分压器构成蓄电池的交流充电电源，经过稳压和整流后对电池进行充电。采用这种方法的优点是结构简单、实现起来比较容易，但是蓄电池的寿命较短，而且由于放在高压侧，更换起来比较困难，因此在实际应用当中很少被采用。一般情况下，该供能方式都被用作辅助式电源。
3.4双电源供电方案的提出
综上所述，通过对几种供电方案的分析和研究，从产品结构的安全、可靠性、可行性、成本出发，采用母线取能供电方式比较实际，针对母线电流可能为灵时由电流互感器组成的电流源不工作。本文采用电流源和电压源构成的一个组合，即使电流为零，电压源也仍能供电。
3.5本章小结
本章主要论述了系统供能电源的基本原理和设计指标，并分析比较了各种可行的电子式电流互感器供能方案，进行了研讨，在此基础上提出了一种改进的供电方案-双电源式供电方案。
第四章高压侧传感器部分的理论及设计
4.1传统接头
电流测量装置是通过电流传感元件进行取样的，这是光电式电流互感器的关键性元件。载流母线上的被测电流小到几十或几百安，大到几千或几十迁安，这样的大电流必须经过取样，并把它变换成低的电压信号才能输入到发送端的电子电路。
用电流互感器作为电流互感元件是一个良好的方案。这里用的电流互感器是电磁感应式的微型高精度电流互感器，只是他的初级和次级绕组之间不必有特别高的绝缘要求；微型CT的二次侧输出是一个小的交流电压信号。这种不必考虑高压绝缘问题的电流互感器容易做到相当高的测量精度，同时提及可以做得相当小。
4.2滤波器环节
滤波器的主要作用就是提高测量通道的输入信号的测量精度，滤除各种干扰噪声的影响。本文将采用巴特沃斯二阶低通滤波电路。低通滤波器可以滤除测量信号中二阶及其二次以上的谐波成分，一阶低通滤波器飞衰减率是20dB/十倍
频，但是其滤波效果不是很理想。而二阶低通滤波器的衰减率是40dB/十倍频，滤波效果可以令人满意。
众所周知，理想滤波电路的频率响应在铜带范围内应该具有最大的线性移位和幅值，但是在其阻带范围内其幅值是零。实际的滤波电路与理想的滤波电路有一定的差距，这是无法避免的。如果要同时满足幅频和相频响应两方面的要求就更难了。因此，要根据不同的实际需要，来寻找最佳的近似理想的滤波电路。例如，主要考虑幅频响应，而不考虑相频响应；也可反之；
设计滤波电路时要考虑到许多因素，例如：频率限制、尺寸方面、调整的难易、制造的经济性与难易等因素。本文采用巴特沃斯二阶低通滤波电路，电路如图所示。其中R1=R2=R,C1=C2=C.滤波电路的幅频响应的要求是：当频率w小于截止频率wc时，幅度的响应最平，但是当w>wc后，幅频响应快速下降，当w 趋向于无穷大时，幅频响应的曲线几乎与横坐标轴是一条线，可以有效的滤波干扰信号。
该巴特沃斯二阶低通滤波电路的传递函数为：
其中，通带电压增益为：
特征角频率为：
等效品质因数：
相应的幅频响应和相频响应表达式分别是：
图3-10中的巴特沃斯二阶低通滤波电路的截止频率是100Hz，对低频信号可以进行有效的传输，对高频信号起到明显的衰减作用。若需要没有增益的信号，运算放大器就是一个电压跟随器。高压母线电流中频率为50Hz的基波经过滤波电路后会有一定的相位偏移和幅值增益。因此，在设计移相电路时，必须要考虑这一因素。
图3-11是用Proteus仿真软件对滤波电路进行仿真，通过信号发生器可以得到输入与输出波形。其输入频率为50Hz，幅值为2V的正弦电压信号，另外再加入一个干扰信号，其输入频率为10KHz，幅值为200mV的正弦电压信号，然后通过示波器观察输入和输出的波形。图3-11仿真显示出，次滤波器电路符合设计的要求。
4.3 A/D转换器
电子式电流互感器高压端的待测信号是正比于高压输电线中50Hz电流的模拟电压信号。由于系统的高压端和低压端是通过光纤进行连接的，因此应将模拟量转化为数字量才更适合用光纤来传输。必然要用到模数转换器，简称A/D转换器，以及驱动它工作的时序电路。
A/D转换电路是整个传感部分的核心，由于电子式电流互感器传感头的特殊要求，A/D转化芯片应该具有以下基本特征：
（1）功耗小；
（2）采样频率足够高；
（3）串行A/D芯片；
（4）电压输入范围应为双极性；
（5）为了保证系统的分辨力，应采用高位数的A/D转换芯片。
在便携式仪器设备中，往往要求其数据采集系统不仅具有速度快、精度高的特点，而且还要求其具有供电电压低、体积小以及功耗小等特性。ADS8320是 Burr-Brown公司生产的逐次逼近式串行16位微功耗CMOS型高速A/D转换器，它的线性度为±0.05%，工作电源在2.7V～5.25V范围内，采样频率最高可达100kHz；在2.7V供电和100kHz采样速率下，其功耗仅为1.8mW，而在10kHz低速采样时的功耗仅为0.3mW；在非转换状态时可处于关闭模式，此时功耗可低至100μW；ADS8320具有同步串行SPI/SSI接口，因而占用微处理器的端口较少；其差动输入信号范围为500mV～VCC(工作电源)；采用8引脚MSOP小体积封装。以上特点使ADS8320非常适用于便携式电池供电系统中。
1 内部结构及引脚排列
ADS8320的内部结构如图1所示，它由采样/保持放大器、D/A转换器、比较器、移位寄存器、控制逻辑电路、串行接口电路等组成。其管脚排列如图2所示。各引脚的功能如下：
●VREF为外接参考电压输入端；
●+IN、-IN为外接差动模拟信号输入端；
●+Vcc、GND为供电电源接入端；
●CS/SHDN为片选/关断控制端；
●DCLOCK为时钟输入端；
●DOUT为A/D转换的数字结果串行输出端
2 工作时序
ADS8320与微处理器或其它数字系统采用同步3线串行接口进行通信，其工作时序如图3所示。
当CS/SHDN 端从高电平变为低电平（下降沿）时，芯片的整个转换和数据传输过程被初始化，DCLOCK端的最初4.5～5个时钟脉冲用于对输入模拟信号的采样，此时 DOUT端处于高阻态；在随后的DCLOCK下降沿，DOUT端将输出一个可持续一个脉冲周期的低电平信号，以作为将要输出A/D转换结果的标志；紧接着在16个DCLOCK的控制下，从最高位（MSB）到最低位（LSB）依次由DOUT输出16位转换结果。
DCLOCK信号的下降沿可用来控制A/D转换结果在DOUT端的同步传输，大多数接收系统对DOUT端转换结果数字位流的采集在DCLOCK的上升沿进行。
当16 位转换结构传输结束后，若CS/SHDN端仍为低电平且DCLOCK端有控制脉冲，那么在DOUT端继续输出转换结果，但此时是由最低位（LSB）到最高位（MSB）依次输出，直到当最高位输出出现重复使DOUT端变成高阻态为止。即一次转换数据最多输出两次，一次从高位到低位，一次从低位到高位。一般情况下，当16位转换结果输出完毕后，置位或去掉DCLOCK脉冲，可使结果仅输出一次。
当CS/SHDN端接高电平（下降沿）时，ADS8320在关断模式下低功耗工作，只有当CS/SHDN 端从高电平变为低电平时，芯片方可重新初始化而进行另一次A/D转换。
第五章传输部分的理论分析和设计
为了更好的解决高压侧的绝缘问题，本系统设计采用光纤作为传输介质将A/D转换后数字信号送到低压侧尽心数据处理和模拟波形的恢复。传统互感器体积和重量都比较大，利用光纤良好的抗干扰、电绝缘等优点可以从根本上解决这些缺点，电压等级越高，越能体现出采用光纤的优点。光纤数字传输系统是由光纤连接器、光导纤维及其连接部件构成的。
5.1数据的电/光转换、发送/接收及光纤连接器
A/D转换后的数字信号，要通过光纤送到低压侧，所以首先要把数字信号转换为数字信号，所以要用到电光转换器。选择光源时我们要考虑一下几点：1光源的辐射强度足够大，光源波长与所用光纤的低损耗波长相吻合；2光源与光纤必须匹配以获得最好的耦合效率；3光源稳定性要高以适应长期野外恶劣的环境中工作。
比较目前常用的两种固体光源有激光二极管LD和发光二极管LED。激光二极管容易受温度影响，功耗大、造价高、寿命短。LED发光二极管受温度影响较小，功耗低、造价低、寿命长，不用光反馈装置和温度控制。驱动电路简单，可以在很低的驱动电流下工作，非常适合本设计对低功耗要求。
5.2光纤选择
高压侧采样的数字信号可以通过无线电波和超声波等方法传送到低压侧，但是这些方法抗干扰能力较差。因此本设计采用光纤来传输高低压间数字信号。采用光纤传输测得的数字信号可以实现高低压间的电器隔离，降低电磁干扰影响。
用光纤传送数字信号有很强的抗共模干扰及抗电磁干扰能力，能很好的实现高低压间的电器隔离，传输精度高、影响时间短，传输过程中损耗较小。
5.3本章小结
本章简要介绍了高压侧数字信号经过光纤传输到低压侧的实现过程，以及光源和光纤的选择。
第六章结论和成果
作为一种新型测量手段，光学电流传感器具有与常规电流互感器不同的传感原理与信息传输方式，它显示了传统测量手段所不可企及的优越性。今天，虽然纯光学的电流传感器达到实用的的条件尚不成熟，但是结合电学传感方法与光学电流传感器两者优点的光电混合式电流互感器却有实现的可能。本论文正是在这方面做出了尝试。实现了该种电流互感器的设计。其主要贡献及创新可概括为：（1）在对现有常规电流互感器的理论模型和响应特性进行分析的基础上，指出了其存在的原理缺陷；全面评述新型光学电流互感器所具有的优势及其研究现状，继而提出结合传统电学传感方法和光纤传输两者优点的有源型光电电流互感器是目前最为切实可行的新型电流传感器。
（2）实现了普通线圈传感、A/D转换和信号光纤传输相结合的电流互感器方案。（3）提出并实现了基于特殊电流互感器的电网在线供能方案，对传感电路工作电源及电源电路作了理论和实验探讨。采用稳压电路，当特殊电流互感器获取能量随电网传输能量变化而相应变化时，仍能提供稳定的电压输出。获得了传感电路工作电源的优化设计，拓宽电流测量范围。
（4）吸取光纤的高绝缘可靠性和传输高抗干扰的优点，传输信号选择为光信号，在低压侧转化为数字信号。对光路各部分的传输进行了简要分析，指出采用光信号传输，光纤的损耗特性对系统测量精度的影响可忽略不计。
（5）低压侧接受装置参考高压侧的传输设置，采用脉冲同时计数，使得低压侧
可以正确接受高压侧传送光信号的信息。
综上所述，本论文研制的该种新型电流互感器所存在的测量频带窄和线性范围小的缺陷，结构集成化，具有体积小，重量轻，安全性好等优点，能兼容目前电力行业所使用的各种二次测量仪表和保护装置（包括模拟式常规仪表、只能电力仪表和微机保护装置）。
总的电路图为
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电流采样电路的设计 文中研制了一套模拟并网发电系统，实现了频率跟踪、最大功率跟踪、相位跟踪、输入欠压保护、输出过流保护、反孤岛效应等功能；采用Atmega16高速单片机，实现了内部集成定时、计数器功能；利用定时器T／C2的快速PWM功能，实现SPWM信号的产生；采用T／C1的输入捕获功能，实现了频率相位监测和跟踪以及对失真度、输入电压、输出电流等物理量的检测与控制。 1 整体方案设计 设计采用Atmega16单片机为主体控制电路，工作过程为：与基准信号同频率、同相位正弦波经过SPWM调制后，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电胳放大，驱动H桥功率管工作，经过滤波器和工频变压器产生于基准信号通频率、同相位的正弦波电流。其中，过流、欠压保护由硬件实现，同步信号采集、频率的采集、控制信号的输出等功能，均由Atmega16完成。系统总体设计框图如图1所示。 2 硬件电路设计 分为DC／AC驱动电路、DC／AC电路和滤波电路3部分和平滑电容C1，电路原理如图2所示。 2．1 DC—AC驱动电路 是由R1、R2、R3、R4、R5、R6、Q3、Q4、P3和P4组成，其中P3和P4是控制信号输入
端，R3和R4为限流电阻。集电极的电流直接影响波形上升沿的陡峭度，集电极电流越大输出的波形越陡峭。因为R2和R1与集电极pn节的寄生电容形成了一个RC充放电的时间常数，集电极pn结的寄生电容无法改变，只有通过改变R1和R2的值来改变时间常数，所以R1和R2值越小，Q3和Q4的集电极电流就越大；RC的充电时间常数越小，波形的上升沿越陡峭，而增加集电极电流，会增加系统的功耗，权衡利弊选择一个合适的值。其次，射级pn 结的寄生电容也会影响Q3和Q4的关断时间和波形上升沿的陡峭度。所以在驱动电路中各加了一个放电回路，即拉地电阻R5和R6，R5和R6的引入，加快了Q3和Q4的关闭速度，这样就使集电极的波形更陡峭。同样在保证基极射极pn不损坏的条件下，基极的电流也是越大越好，但也会带来损耗问题，权衡利弊选择一个合适的值。关于两个电阻的取值，这里假设三极管的放大倍数为β，基极电流Ib，集电极电流Ic，流过R5的电流为I5，流过R3的电流为I3，R3的压降为V3，驱动信号为V，R5的压降为V5，有 实际中R3和R5应该比计算值小，这样是为了让三极管工作在饱和状态，提高系统稳定 性。 2．2 DC-AC电路 是由两只p沟道MOSFET。Q1、Q2和两只n沟道MOSFET Q5、Q6组成。在这里没有采用4只n沟道MOSFET，原因是驱动电路复杂，如果采用上面的驱动电路接近电源的两个导体管不能完全导通，发热量为接近地一侧导体管4倍以上，功耗增加，所以采用对管逆变即减小了功耗，而且驱动电路简单。通过控制4个导体管的开关速度再通过低通滤波器即可实 现DC／AC功能。 2．3 滤波电路 两个肖特基整流二极管1N5822为续流二极管，这里为防止产生负电压，C2、C3、C4、C5、L1、L2组成低通滤波器，其中C5、C6为瓷片电容，C2、C3用电解电容，充放电电流可以流进地，L1、L2为带铁芯的电感，带铁芯的电感对高频的抑制比空心电感更好，电感值 更高。关于参数的选取和截止频率的计算如下 3 采样电路 3．1 电流采样电路的设计 由于终端负载一定，所以电流采样实际等同于一个峰值检测的过程，此电路实际是一个峰值检测电路，P3为信号的2个输入端，调整R10，R11和R17、R18取值来实现峰值测功能，电路中的阻值并不准确，需要实际中根据信号的幅值来调整R10、R11和R17、R18阻值
综合实验1 一、实验题目 基于Arduino的电压有效值测量电路设计与实现 二、项目背景 Arduino是源自意大利的一个基于开放原始码的软硬件平台，该平台包括一片具备简单I/O功效的电路板以及一套使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino 可用来开发独立运作、并具互动性的电子产品，也可以开发与PC相连的周边装置，同时能在运行时与PC上的软件进行交互。 Arduino的电路板硬件可以自行焊接组装，也可以购买已组装好的成品；而开发环境软件则可通过网络免费下载与使用。目前Arduino的硬件部分支持Atmel的A Tmega 8、ATmega 168、ATmega 328等微处理器。此外，Arduino方案获得2006年Prix Art Electronica电子通讯类方面的荣誉奖。Arduino的硬件电路参考设计部分是以知识共享（Creative Commons；CC）形式提供授权，相应的原理图和电路图都可以从Arduino网站上获得。 Arduino特点： ●开放原始码的电路图设计，程式开发界面免费下载，也可依需求自己修改； ●具有多通道的数字I/O、模拟输入、PWM输出； ●具有10bit的ADC； ●Arduino 可使用ISCP线上烧入器，自行将新的IC芯片烧入“bootloader”； ●可依据官方电路图，简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制； ●可快速、简单、方便地与传感器、各式各样的电子元件、电子电路进行连接； ●支援多样的互动程序，如Flash、Max/Msp、VVVV、Processing等； ●使用低价格的微处理控制器； ●可通过USB接口供电。 三、实验目的 1、熟悉Arduino最小系统的构建和使用方法；
课程设计报告题目：电流检测电路设计 课程名称：电子信息工程课程设计 学生姓名：焦道楠 学生学号：1314020114 年级：2013级 专业：电子信息工程 班级：（1）班 指导教师：王留留 电子工程学院制 2016年3月
目录 1 绪论 (1) 2 设计的任务与要求 (1) 2.1 课程设计的任务 (1) 2.2 课程设计的要求 (1) 3 设计方案制定 (1) 3.1 设计的原理 (1) 3.2 设计的技术方案 (2) 4 设计方案实施 (3) 4.1 单片机模块 (3) 4.2 传感器模块 (4) 4.3 A/D转换模块 (5) 4.4 LCD12864点阵液晶显示模块 (6) 5 各模块PCB图 (7) 5.1 单片机模块 (7) 5.2 传感器模块 (7) 6 系统的程序设计 (9) 7 心得体会 (10) 参考文献 (10)
电流检测电路设计 学生：焦道楠 指导教师：王留留 电子工程学院电子信息工程专业 1 绪论 在电学中的测量技术涉及的范围非常广，广泛应用于学校、工业、工厂、科研等各种领域，供实验室和工业现场测量使用。随着电子技术的不断发展，在数字化和智能化不断成为主体的今天，电压、电流测量系统中占有非常重要的位置。我们在分析和总结了单片机技术的发展历史及发展趋势的基础上，以实用、可靠、经济的设计原则为目标，设计出全数字化测量电压电流装置。系统主要以AT89C51单片机为控制核心，整个系统由中央控制模块、A/D转换模块、LED显示模块组成。可实现对待测电压、电流的测量，在数码管上显示。本次课程设计我所做的项目是基于单片机的电流检测系统，主要用到A/D转换和数码管显示。近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门以及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而相继开发出来。单片机是一个器件级的计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有的电子系统中。AT89C51是一种带4K字节闪存的可编程可插除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复的擦除多次，该器件采用ATMEL高密度非易失性存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能的8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。 2设计的任务与要求 2.1 课程设计的任务 利用单片机及其相关知识，设计一个电流检测电路。 2.2 课程设计的要求 （1）画出相应电流检测电路的原理图，并进行检测，生成PCB板； （2）编写程序，实现电流检测功能； （3）情况允许的情况下，做出实物，并估算其成本。 3设计方案制定 3.1 设计的原理
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 2.2.11 常用电网电压同步采样电路及其特点 .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。
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=1K Ω，5pF，则时间常数错误！未 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。 C 4=1找到引用源。< 外加电压检测复位电路设计方案 1．6．5 PIC单片机的外接电压检测复位电路举例1．设计思路有许多型号单片机的内部均不具备掉电复位功能，即使对于内部包含该功能的PIC单片机，其复位门槛电压值是固定不可更改的，有时不能满足用户的需求，因此，外加电压检测复位电路也是较常见的设计方案。对于片内带有掉电复位功能BOR的PIC单片机，在使用外接电压检测复位电路时，就必须将内部BUR功能禁止，方法是将系统配置字的BUDEN位设置为0。对于内部不带BOR功能的PIC单片机，其电源控制寄存器PCUN没有BOR标志位，无法准确识别由外接电压检测复位电路引起的单片机复位，因此在程序执行过程中在MCLR 引脚施加了人工复位信号引起的复位。与外接电压检测复位电路相关的单片机片内等效电路如图1所示，从该图可以看出，外接电压检测复位电路时，单片机内部的两个定时器不参与工作。 图1 与外接电压检测复位电路相关的单片机片内等效电路2．电路设计（1）外接分立元件电压检测复位电路。下面给出了两种不利用分离元器件搭建的电压检测复位电路。电路工作原理是，当VDD下降到某一门槛值时，三极管截止，从而使MCLR端电平变低，迫使单片机复位。图2中该门槛值为VDD＜Vz十0.7V，其中Vz是稳压管的稳定电压的值，而图3中该门槛值为VDD＜0.7V（R1＋R2）／R1。 图2 外加电压检测复位电路（VDD＜Vz十0.7V） 图3 外加电压检测复位电路（VDD＜0.7V（R1＋R2）／R1）（2）外接专用芯片电压检测复位电路。图4所示为一种利用专用芯片HT70XX搭建的电压检测复位电路。台湾HOLTEK公司研制的HT70XX系列集成电路是一组采用CMOS工艺制造的电源欠压检测器，其包装形式有三脚直插式封装和贴片式封装两种。 图4 由HT70XX构建的外加电压检测复位电路(本文转自电子工程世界：) 目录 1、设计背景 (1) 2、设计方案选择 (1) 2.1典型的微电流测量方法 (1) 2.1.1开关电容积分法[1] (1) 2.1.2运算放大器法 (2) 2.1.3场效应管+运算放大器法 (2) 2.2总体设计方案 (3) 3、具体设计方案及元器件的选择 (4) 3.1稳流信号源问题 (4) 3.2I/V转换及信号滤波放大 (5) 3.2.1前级放大 (5) 3.2.2滤波及后级放大电路 (6) 3.2.3运算放大器的选取 (6) 3.3量程自动转换 (6) 3.4信号采集处理 (7) 4、软件仿真结果 (8) 5、参考资料 (9) 微电流测试电路设计 1、设计背景 微电流是指其值小于-6 10A的电流,微电流检测属于微弱信号检测的一个分支，是一门针对噪声的技术,它注重的是如何抑制噪声和提高信噪比。该技术在军事侦察、物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等许多领域具有广泛的应用。我们所研究的微电流检测主要针对电力系统中的绝缘材料，因为现代国民经济对电力供应的依赖性日益增大，电力系统的规模、容量也在不断扩大。而电气设备的绝缘材料往往是电力系统中的重要组成部分，绝缘材料的漏电流情况严重会造成电力系统的重大损失。微电流检测是通过对泄漏电流的测量来评估绝缘材料状况的有效方法。近年来,针对微弱电流的信噪改善比SNIR已能达到1了，目前国内做得比较好的单位是南京大学,其独家生产的ND-501型微弱信号检测实验综合装置己被国内至少76家高等院校使用。但其产品价格昂贵,少则几千元,多则几万元，例如HB-831型pA级电流放大器、HB-834型四通道pA级电流放大器、HB-838型八通道pA级电流放大器的售价分别为4100元/台、13000元/台、22000元/台。所以，研制高精度、寿命长、成本低、电路简单的微电流检测仪具有重要的现实意义及理论参考价值。为了达成目标，我们需要重点考虑以下几个问题： 10 A（本设计要求）的稳流信号源的实现（1）如何获得实验信号，即电流为12 问题； （2）如何将微弱电流信号转换成易于操作的信号； （3）怎样将微弱信号提取放大； （4）如何实现量程的自动转换问题； （5）将实际中的模拟信号转换成数字信号； （6）实现对数字信号的处理和显示。 2、设计方案选择 2.1典型的微电流测量方法 2.1.1开关电容积分法[1] 开关电容式微电流测量方法的前级是在利用开关电容实现电流向电压转换的同时对电压信号进行调制和放大，达到微伏级；后级电路通过选频放大电路实 目录 一、设计目的 ................................................................................................................... - 2 - 二、设计内容 ................................................................................................................... - 2 - 三、整体设计方案设计..................................................................................................... - 2 - 四、设计任务 ................................................................................................................... - 3 - 五、硬件设计及器件的工作方式选择............................................................................... - 3 - 1、硬件系统设计方框图：.................................................................................................- 3 - 2、中断实现：8259A工作方式选择及初始化..................................................................- 4 - 3、定时功能实现：8253的工作方式及初始化................................................................- 4 - 4、数码管显示及ADC的数据传输：8255的工作方式及初始化 ...................................- 5 - 5、模拟电压转换为数字量：ADC0809的初始化.............................................................- 5 - 6、地址编码实现：74LS138及逻辑器件 ..........................................................................- 6 - 7、显示功能：数码管显示.................................................................................................- 6 - 六、软件设计 ..............................................................................................................................- 7 - 1、主程序流程图.................................................................................................................- 7 - 2、中断子程序.....................................................................................................................- 7 - 3、显示子程序.....................................................................................................................- 8 - 4、初始化.............................................................................................................................- 9 - 8295A初始化流程图 ...................................................................................................- 9 - 8253初始化流程图......................................................................................................- 9 - 8255初始化流程图......................................................................................................- 9 - 5、程序清单及说明.......................................................................................................... - 10 - 七、本设计实现功能 ...................................................................................................... - 13 - 八、元件清单 ................................................................................................................. - 14 - 九、所遇问题与小结 ...................................................................................................... - 14 - 1、问题与解决.................................................................................................................. - 14 - 2、小结体会...................................................................................................................... - 15 - 附：系统硬件连线图 ............................................................................................................... - 16 - 开关量采集电路设计 开关量采集电路适用于对开关量信号进行采集，如循环泵的状态信号、进出仓阀门的开关状态等开关量。污染源在线监控仪可采集16路开关信号，输入24V 直流电压；设定当输入范围为18~24VDC 时，认为是高电平，被监视的设备处于工作状态；当输入低于18VDC 时，认为是低电平，被监视的设备处于停止状态。 为了避免电气特性及恶劣工作环境带来的干扰，该电路采用光电耦合器TLP521对信号实现了一次电-光-电的转换，从而起到输入\输出隔离的作用。 同时，还安装有LED 工作指示灯，可以使用户对每一通路的工作情况一目了然。其中一路的开关量采集电路如图1所示： 图 1 开关量采集电路 光耦TLP521将红外发光二极管和发光三级管相互绝缘的组合在一起，发光二极管为输入回路，它将电能转换成光能；发光三极管为输出回路，它将光能再转换成电能，实现了两部分电路的电气隔离。 当输入范围为18 ~24VDC 时，认为是高电平，此时光耦导通，电阻R10、R14和发光二极管共同构成输入回路。 根据光耦导通时电流为4 ~10mA ，当输入最高电压24V 时， mA V R R mA V 42414101024<+<，即Ω<+<Ωk R R k 614104.2 当输入低于18V 时认为是低电平，此时光耦的工作电流肯定低于4m A ，此时光耦不导通,电阻 R10、 R14和R12共同构成输入回路，所以： mA R R R V 412 141018<++，即R10+R14+R12>4.5k Ω。在设计中，选择R10=R12=2k Ω,R12=1k Ω。 光耦导通的最小电流为4mA，根据光耦的电流传输比CTR(Current Transfer Ratio)为50%，指当管压降U CE足够大时，集电极电流I C与发光二极管输入电流I F的百分比，所以集电极电流I C=I F*50%=4mA* 50%=2mA，同时为了使光电三极管尽快进入饱和区，选取上拉电阻R8为4.7KΩ。 最后，为了保护光耦，防止大的输入电压突变，在限流电阻R12的两端并联肖特基二极管IN5819。 三相电源检测系统设计三相电源检测系统设计 摘 要 本设计采用AT89C51单片机实现三相电压与电流的检测。该设计可检测三相交流电压（AC220V×3）及三相交流电流（A、B、C 线电流0～5A）。本系统的变压器、放大器、A/D 转换和计算产生的综合误差满足5%的精度要求。输出采用128×64 LCD 方式显示，单片机电源部分直接由AC220V 交流电经整流、滤波、稳压供电。系统采用数字时钟芯片和8kB 的RAM 进行存储器的扩展。 关键词关键词：：三相交流电 AD 转换 变压器 LCD 显示 8KB RAM 1.引言 当前电力电子装置和非线性设备的广泛应用，使得电网中的电压、电流波形发生严重畸变，电能质量受到严重的影响和威胁；同时，各种高性能家用电器、办公设备、精密试验仪器、精密生产过程的自动控制设备等对供电质量敏感的用电设备不断普及对电力系统供电质量的要求越来越高，电能质量问题成为各方面关注的焦点，电能质量检测是当前的一个研究热点，有必要对三相电信号进行采样，便于进一步分析控制。 目前，精度要求不高的交流数字电压表大多采用平均值原理，只能测量不失真时的正弦信号有效值，因此受到波形失真的限制而影响测量精度和应用范围。真有效值数字仪表可以测量在任何复杂波形而不必考虑波形种类和失真度的特点以及测量精确度高、频带范围宽、响应速度快的特点而得到广泛应用。提高系统的测量精度、稳定性特性是设计中的关键。 真有效值的数字电压数字电压表和以往的仪表有所不同的是可以检测波形复杂的三相交流电压电流。这些都是以单片机为基础的智能化仪表，同时充分表明单片机是一个应用于对象体系的智能化工具。 本设计用单片机进行三相电压与电流的硬件检测系统。该系统检测三相交流电压（AC220V×3）及三相交流电流（A、B、C线电流0～5A）。本系统的变压器、放大器、A/D转换和计算产生的综合精度满足5%要求。输出显示采用128×64点阵的LCD，单片机电源由AC220V交流供电通过变压与整流稳压电路实现。系统配有数字时钟芯片、8kB的RAM存储器扩展芯片。 2总体设计方案 总体设计方案框架如图2-1所示，由交流信号处理部分、A/D转换电路、51单片机控制、数据存储器电路、LCD显示电路以及稳压电源电路组成。 图2-1总体系统原理图 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。 信号调 理TMS320 LF2407A DSP 键盘显示 电路电压电流信号驱动电路保护电路 控制电路检测与驱动 电路主电路 图2-1 DSTATCOM系统总体硬件结构框图 1.1常用电网电压同步采样电路及其特点 1.1.1 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。 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R5=1K ，C4=15pF，则时间常数错误！未找到引用源。< 变频器电路图-整流、滤波、电源及电压检测电路 以下仅仅对变频器电路图-整流、滤波、电源及电压检测电路的分析,好象论坛上发不了图纸. 1. 整流滤波部分电路 三相220V电压由端子J3的T、S、R引入，加至整流模块D55（SKD25-08）的交流输入端，在输出端得到直流电压，RV1是压敏电阻，当整流电压超过额定电压385V时，压敏电阻呈短路状态，短路的大电流会引起前级空开跳闸，从而保护后级电路不受高压损坏。整流后的电压通过负温度系数热敏电阻RT5、RT6给滤波电容C133、C163充电。负温度系数热敏电阻的特点是：自身温度超高，阻值赿低，因为这个特点，变频器刚上电瞬间，RT5、RT6处于冷态，阻值相对较大，限制了初始充电电流大小，从而避免了大电流对电路的冲击。 2. 直流电压检测部分电路 电阻R81、R65、R51、R77、R71、R52、R62、R39、R40组成串联分压电路，从电阻上分得的电压分别加到U15（TL084）的三个运放组成的射极跟随器的同向输入端，在各自的输出端得到跟输入端相同的电压（输出电压的驱动能力得到加强）。U13（LM339）是4个比较器芯片，因为是集电集开路输出形式，所以输出端都接有上接电阻，这几组比较器的比较参考电压由Q1（TL431）组成的高精度稳压电路提供，调整电位器R9可以调节参考电压的大小，此电路中参考电压是6.74V。如果直流母线上的电压变化，势必使比较器的输入电压变化，当其变化到超过6.74V的比较值时，则各比较器输出电平翻转，母线电压过低则驱动光耦U1（TLP181）输出低电平，CPU接收这个信号后报电压低故障。母线电压过高则U10（TL082）的第7脚输出高电平，通过模拟开关U73（DG418）从其第8脚输出高电平，从而驱动刹车电路，同时LED DS7点亮指示刹车电路动作。由整流二极管D5、D6、D7、D18、D19、D20组成的整流电路输出脉动直流电，其后级的检测电路可对交流电压过低的情况进行实时检测，检测报警信号也通过光耦U1输出。 3. 电源电路 U62（VIPER100SP）是内部带场效应管的开关电源控制芯片。母线电压+VPW通过保险F1加到开关变压器T1的第2脚，T1的第1脚和第2脚是初级线圈，U62内部集成了特别的启动电路，电路启动后，T1次级3、4、5脚输出的感应脉冲经整流滤波后得到电压检测电路所需的正负电压，正电压也同时提供给U62以维持其工作。T1其它次级输出的感应脉冲经整流滤波后分别供应U、V、W三相上桥光耦驱动所需电压（+VHU，0VHU）（+VHV，0VHV）（+VHW，0VHW），还有其它控制电路所需电压（+VSI，0VSI，-VSI）。芯片U56（LM2575S-ADJ）是一个PWM开关式输出稳压芯片，将+VSI电压降压并稳定为5V（+VSI5）供给CPU等芯片所需电路。 对于变频器修理，仅了解以上基本电路还远远不够的，还须深刻了解以下主要电路。主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。图2.1是它的结构图。 引言 当前，电力电子装置和非线性设备的广泛应用，使得电网中的电压、电流波形发生畸变，电能质量受到严重影响和威胁;同时，各种高性能家用电器、办公设备、精密试验仪器、精密生产过程的自动控制设备等对供电质量敏感的用电设备不断普及对电力系统供电质量 的要求越来越高，电能质量问题成为近年来各个方面关注的焦点，电能质量监测是当前国际上的一个研究热点［1］，有必要对三相电信号进行高精度采集，便于进一步分析控制，提高电能质量。对电力参数的采样方法主要有两种，即直流采样法和交流采样法。直流采样法采样的是整流变换后的直流量，软件设计简单，计算方便，但测量精度受整流电路的影响，调整困难。交流采样法则是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量，因而较之直流采样法更易获得高精度、高稳定性的测量结果［2］。 三相电信号采集电路设计 三相电信号采集电路框架 三相电信号采集电路的框架如图1所示。三相电压电流信号经过电压电流互感器转换为较低的电压信号。其中A相的电压信号经过波形调整成为频率与A相电压信号相同的方波信号，用于测量频率。同时将转换后方波频率信号进行频率的整数倍放大作为A/D转换的控 制信号。经过六路互感器降压后，将信号送入AD7656进行A/D转换，转换完的数字信号就可以供于DSP/MCU进行数据分析。 电压电流互感器的选用 电压/电流互感器均采用湖北天瑞电子有限公司TR系列检测用 电压输出型变换器。电压互感器采用检测用电压输出型电压变换器TR1102-1C，如图2为其结构图，规格为300V/7.07V，非线性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。电流互感器采用检测用电压输出型电流变换器TR0102-2C，规格为5A/7.07V，非线性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。 电源电路 AD7656共有两种模拟信号输入模式，一是模拟输入信号为二倍的参考电压（2.5V）即+/-5V之间，另一种是四倍的参考电压即+/-10V 之间。为提高采样的精度，本电路采用输入信号为+/-10V之间，因此需要+/-10V~+/-16.5V之间电源供电。AD7656同时需要5V的AVCC 山东建筑大学 课程设计说明书 题目：基于单片机的直流电压检测系统设计课程：单片机原理及应用B课程设计 院（部）：信息与电气工程学院 专业：通信工程 班级：通信111 姓名：张安珍 学号：2011081342 指导教师：张君捧 完成日期：2015年1月 目录 摘要......................................................... I I 正文.. (1) 1 设计目的和要求 (1) 3 设计内容和步骤 (2) 3.1单片机电压测量系统的原理 (2) 3.2 单片机电压测量系统的总体设计 (3) 3.2.1 硬件选择 (4) 3.2.2 软件选择 (4) 3.3 硬件电路的设计 (4) 3.3.1 输入电路模块设计 (4) 3.3.2 LM7805稳压电源电路介绍 (5) 3.3.3 显示模块电路设计 (5) 3.3.4 A/D转换设计 (7) 3.3.5 单片机模块的简介 (9) 3.4系统软件的设计 (12) 3.4.1主程序的设计 (12) 3.4.2 各子程序的设计 (14) 总结与致谢 (16) 参考文献 (17) 附录一系统整体电路图 (18) 附录二 A/D转换电路的程序 (19) 附录三 1602LCD显示模块的程序 (21) 摘要 随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段。对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍。本设计在查阅了大量前人设计的数字电压表的基础上，利用单片机技术结合A/D转换芯片ADC0832构建了一个直流数字电压表。本文首先简要介绍了单片机系统的优势，然后详细介绍了直流数字电压表的设计流程，以及硬件系统和软件系统的设计。 本文介绍了基于89S51单片机的电压测量系统设计，介绍1602LCD液晶的功能和ADC0832的转换原理。该电路设计简单，方便。该设计可以测量0~5V的电压值，并在1602LCD液晶上显示出来。 本系统主要包括三大模块：主程序模块、显示模块、A/D转换模块，绘制点哭原理图与工作流程图，并进行调试，最终设计完成了该系统的硬件电路，在软件编程上，采用了c语言进行编程，开发了显示模块程序，A/D转换程序。 关键词：89S51单片机；1602LCD液晶；ADC0832 电源保护电路系统的设计与制作 为了方便在实验室做各种电路实验，实验室电源系统应具有如下的功能： 输出+12V，-12V，+5V固定电压的直流稳压电压源； 输出输出电压从1.25V到12V可调的直流稳压电压源； 输出电流从2mA到40mA可调的直流电流源； 输出电压约为+16V，-16V的直流电压源（没有经过稳压的电压源，方便做电源实验用）； 输出电压为12V的交流电压源（方便做电源实验用）； 在电子技术实验室使用较广泛的综合电路实验箱所使用的电源一般有好几组电源输出，如+12V，+5V，-12V等等，数字实验电路还有一个+5V电源插口。由于是学生实验用仪器，学生在做实验时操作出错是常有的现象，主要是以下三类错误：一是电源直接短路造成的严重过载而损坏电源电路，此类错误的后果是损坏稳压器，或整流二极管或变压器；二是负载过重，这往往是学生由于接线错误，如芯片的线接错，虽没有直接短路，但可能电流超过额定值，若再加上没有及时排除故障，使得时间过长，而损坏电路，如损坏芯片，进一步损坏电源电路器件；还有一种可能是将+12V或者-12V电源插入到数字实验电路的+5V电源插口，这样造成数字电路（如高低电平信号形成电路，数码信号显示电路等等）中的集成块损坏，特别是TTL集成电路块的损坏。因此，设计制作一个电路保护系统很有必要。 对保护电路的要求： 过压保护：输出的所有电压中，只要任何一个电压超过额定值1V，保护电路动作。 欠压保护：输出的所有电压中，只要任何一个电压低于额定值1V，保护电路动作。 过流保护：任何一个输出电流超过500mA时或所有正电源电流之和超过500mA时或所有负电源电流之各超过500mA时，保护电路动作。 电源电压接错保护：在应加+5V电源接口处错误地加上了其它电源，如+12V，-12V等等，保护电路动作。 常用的电路保护措施有： 熔断器保护，即通常用的保险丝，保险管，它是一种过流保护器件，将它串接在电源电 DSP 交流采样电路设计 1．实验目的 本次实验针对电气工程及其自动化专业及测控专业。通过综合实验，使学生对所学过的DSP在继电保护中的应用有一个系统的认识，并运用自己学过的知识，自己设计模拟继电保护过程实验系统。要求用DSP完成对电网的电压的采样，然后经过DSP的处理，可以对系统继电器的跳合进行控制，自己设计，自己编程，最后自行调试，自行实现自己的设计。在整个试验过程中，摆脱以往由教师设计，检查处理故障的传统做法，由学生完全自己动手，互相查找处理故障，培养学生动手能力。学生试验应做到以下几点： 1. 通过DSP程序的设计模拟继电保护跳闸实验，进一步了解DSP在继电保护中的应用。 2. 通过实验线路的设计，计算及实际操作，使理论与实际相结合，增加感性认识，使书本知识更加巩固。 3. 培养动手能力，增强对DSP运用的能力。 4..培养分析，查找故障的能力。 5. 增加对DSP外围电路的认识。 2．实验设备 DSP板、仿真器、面包板、采样板器件，电烙铁，其它工具。 3．实验原理 1、DSP最小系统电路图 1、模拟电子线路 （一）、电流采样电路的设计 本次电流采样电路选择的电流互感器总共由两级，前一级互感器变比为4A ：1A ，第二级互感器采用TA1015-1,其变比为5A:5mA ，也就是1000:1，两级总共的互感器比例为4000:1。 即电流互感器一次侧的电流大小为4A ，二次侧的电流大小为1A ，二级互感器的二次侧电流大小为1mA 。如图3-6，在互感器二次侧并一个1K 的电阻即可将一次侧的4A 的强电流信号变换为二次侧的弱电压信号，其计算公式为: )(0.14000/4/12mA A k i i === (3-1) )(0.1101100.13322V R i u =***==- (3-2) 其峰值为： )(414.10.1222V u u p =*== (3-3) 即电流互感器二次侧输出的电压范围为-1.414V 至+1.414V ，即一次回路里的220V 的工频交流便被线性转化为-1.414V 至+1.414V 。 信号电路共有三级，第一级为偏置放大环节，它能够将交流信号调理成DSP 能准确进行AD 转换的0V 至3.3V 的直流信号。第二级为有源滤波环节，该环节能够滤去信号调理电路里的高频干扰信号。第三极为跟随环节，其输入高阻抗，输出低阻抗，进一步增加了信号调理电路的抗干扰能力。 2.基于单片机控制的开关电源的可选设计方案 由单片机控制的开关电源, 从对电源输出的控制来说, 可以有三种控制方式, 因此, 可供选择的设计方案有三种: ( 1) 单片机输出一个电压( 经D/AC 芯片或PWM方式) , 用作开关电源的基准电压。这种方案仅仅是用单片机代替了原来开关电源的基准电压, 可以用按键设定电源的输出电压值, 单片机并没有加入电源的反馈环, 电源电路并没有什么改动。这种方式最简单。 ( 2) 单片机和开关电源专用PWM芯片相结合。此方案利用单片机扩展A/D 转换器, 不断检测电源的输出电压, 根据电源输出电压与设定值之差, 调整D/A 转换器的输出, 控制PWM芯片, 间接控制电源的工作。这种方式单片机已加入到电源的反馈环中, 代替原来的比较放大环节, 单片机的程序要采用比较复杂的PID 算法。 ( 3) 单片机直接控制型。即单片机扩展A/DC, 不断检测电源的输出电压, 根据电源输出电压与设定值之差, 输出PWM波, 直接控制电源的工作。这种方式单片机介入电源工作最多。 3.最优设计方案分析 三种方案比较第一种方案: 单片机输出一个电压( 经D/AC芯片或PWM方式) , 用作开关电源的基准电压。这种方案中, 仅仅是用单片机代替了原来开关电源的基准电压, 没有什么实际性的意义。第二种方案: 由单片机调整D/AC 的输出, 控制PWM芯片, 间接控制电源的工作。这种方案中单片机可以只是完成一些弹性的模拟给定, 后面则由开关电源专用PWM芯片完成一些工作。在这种方案中,对单片机的要求不是很高, 51 系列单片机已可胜任; 从成本上考虑,51 系列单片机和许多PWM控制芯片的价格低廉; 另外, 此方案充分解决了由单片机直接控制型的开关电源普遍存在的问题———由于单片机输出的的PWM脉冲频率低, 导致精度低, 不能满足要求的问题。因此, 单片机和PWM芯片相结合, 是一种完全可行的方案。第三种方案: 是最彻底的单片机控制开关电源, 但对单片机的要求也高。要求单片机运算速度足够快, 且能输出足够高频率的PWM波。DSP 类单片机速度够快, 但价格也很高, 占电源总成本的比例太大, 不宜采用。廉价单片机中, AVR 系列最快, 具有PWM输出, 但AVR单片机的工作频率仍不够高, 只能是勉强外加电压检测复位电路设计方案
微电流检测资料
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各种电压电流采样电路的设计
变频器电路图-整流、滤波、电源及电压检测电路
三相电信号采集电路设计方案
基于单片机的直流电压检测系统设计_课程设计说明书
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