8階連續(xù)時(shí)間濾波器芯片MAX274的工作原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)

大型變壓器在運(yùn)行時(shí)，其鐵芯接地電流很小，約為幾毫安到幾十毫安，但當(dāng)變壓器發(fā)生鐵芯多點(diǎn)接地故障時(shí)，其鐵芯接地電流將增大到幾安培甚至幾十安培，從而會(huì)導(dǎo)致局部鐵芯過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)可能造成輕瓦斯動(dòng)作甚至重瓦斯動(dòng)作跳閘。

目前，現(xiàn)場(chǎng)人員多采用鉗形電流表夾住鐵芯接地線(xiàn)來(lái)監(jiān)測(cè)其電流，但由于變壓器強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，測(cè)量值很不精確，甚至出現(xiàn)同一測(cè)量點(diǎn)幾次測(cè)量值差別迥異的情況，這樣測(cè)量的參考價(jià)值值得懷疑；而國(guó)內(nèi)有些單位研制的自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置雖能及時(shí)發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)接地故障，但缺乏故障后的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。為此，設(shè)計(jì)了一種基于ＧＳＭ通訊的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，較好地解決了變壓器鐵芯接地電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。為了解決正常狀態(tài)下接地電流很小，受到的現(xiàn)場(chǎng)干擾卻比較嚴(yán)重的問(wèn)題，設(shè)計(jì)中采用了Ｍａｘｉｍ公司開(kāi)發(fā)8階連續(xù)時(shí)間濾波器芯片ＭＡＸ２７４。實(shí)踐證明ＭＡＸ２７４的濾波效果比較理想。

１、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)組成

為盡量如實(shí)反映變壓器接地電流信號(hào)的情況，在圖１所示的一次接線(xiàn)圖的變壓器接地線(xiàn)上串接了一個(gè)２Ω的無(wú)感電阻，這樣就將鐵芯接地電流的測(cè)量轉(zhuǎn)化為串接電阻上電壓的測(cè)量。該鐵芯接地電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置由信號(hào)處理部分、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換部分及輸出控制部分等模塊構(gòu)成，圖２所示是其原理框圖。圖中，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換采用ＭＡＸ１９７，該芯片的精度為１２位，帶故障保護(hù)輸入多路轉(zhuǎn)換器和８路模擬輸入通道，具有６μｓ的變換時(shí)間；通訊模塊采用杭州愛(ài)賽德公司生產(chǎn)的ＧＳＭ模塊；輸出控制主要是指發(fā)生故障后在接地線(xiàn)上串接限流電阻（這是目前常用的故障處理方法），同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)燈光報(bào)警；信號(hào)處理部分根據(jù)輸入信號(hào)的強(qiáng)弱分成兩路，弱信號(hào)部分的處理電路如圖３所示，其中ＯＰ２７是精密運(yùn)算放大器。ＭＡＸ２７４就是本文要重點(diǎn)介紹的有源濾波器芯片。

２、ＭＡＸ２７４芯片簡(jiǎn)介

普通運(yùn)放和ＲＣ網(wǎng)絡(luò)組成的濾波器元件較多，參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜，雜散電容會(huì)大大影響濾波器特性。ＭＡＸ２７４是單片集成有源濾波器，它無(wú)需外接電容，只要調(diào)整外部４個(gè)電阻即可。ＭＡＸ２７４的主要參數(shù)特性如下：

●可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ或Ｂｅｓｓｅｌ濾波器形式；

●可以實(shí)現(xiàn)低通或帶通濾波輸出；

●采用＋５Ｖ或±５Ｖ電源供電；

●每片由４個(gè)２階濾波單元組成（共８階），并可以實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)聯(lián)；

●自帶設(shè)計(jì)軟件，可以進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真；

●中心或截止頻率ｆ０范圍為１００Ｈｚ～１５０ｋＨｚ。

ＭＡＸ２７４的引腳及外部接口圖如圖４所示，各引腳功能如下：

ＩＮＸ（２，１１，１４，２３ ）：信號(hào)輸入；

ＬＰＯＸ（１，１２，１３，２４）：低通輸出；

ＢＰＯＸ（４，９，１６，２１）：帶通輸出；

ＦＣ：ＲＸ／ＲＹ調(diào)節(jié)端，可接到Ｖ＋、Ｖ－或ＧＮＤ。

３、ＭＡＸ２７４的應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

變壓器監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾主要有電磁干擾、風(fēng)扇振動(dòng)（８～２５ｋＨｚ）、可控硅動(dòng)作（２００～３００ｋＨｚ和７００～９００ｋＨｚ）和電臺(tái)通訊信號(hào)（８００ｋＨｚ左右）等，這些信號(hào)相對(duì)都集中在較高頻段。因此，濾波器應(yīng)設(shè)計(jì)為低通濾波器。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器在通帶內(nèi)具有最大平坦的幅度特性，而且隨著頻率升高呈現(xiàn)單調(diào)遞減的特點(diǎn)，因而比較適合本設(shè)計(jì)。

其參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

第一步，由公式Ｒ２＝（２×１０９／ｆ０），計(jì)算出Ｒ２；

第二步，由公式Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，計(jì)算出Ｒ４；

接下來(lái)，計(jì)算Ｒ３以決定Ｑ值，Ｒ３與Ｑ的值成正比例關(guān)系，其關(guān)系式為Ｒ３＝Ｒ２ Ｑ ＲＸ／ＲＹ，其中ＲＸ和ＲＹ是濾波器單元內(nèi)的兩個(gè)電阻，其比值由ＦＣ管腳連接到哪個(gè)引腳決定，具體見(jiàn)表１所列。

表1 FC接點(diǎn)與RX/RY的比值

最后計(jì)算出Ｒ１，Ｒ１主要用來(lái)設(shè)定增益。對(duì)于低通濾波器，Ｒ１的值與增益成反比。其關(guān)系式為：

Ｒ１＝（Ｒ２／ＨＯＬＰ）·（ＲＸ／ＲＹ）

濾波器的設(shè)計(jì)雖然也可以采用上述步驟手算，但對(duì)高階濾波器宜采用軟件輔助設(shè)計(jì)。用濾波器設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)非常方便，可以節(jié)省大量時(shí)間，同時(shí)也避免了人為計(jì)算的錯(cuò)誤。軟件仿真可以完成階數(shù)、極點(diǎn)、Ｑ值的計(jì)算，可生成仿真增益Ｇａｉｎ和相位Ｐｈａｓｅ的響應(yīng)曲線(xiàn)，并計(jì)算外接電阻的阻值。

本設(shè)計(jì)中低通Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器的具體要求為：通帶截止頻率１ｋＨｚ，通帶內(nèi)最大衰減０．１ｍｄＢ，阻帶截止頻率４ｋＨｚ，阻帶最小衰減５０ｄＢ，通帶增益為１。將設(shè)計(jì)要求輸入ＭＡＸ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件，經(jīng)計(jì)算得出濾波器階數(shù)為８，軟件自動(dòng)調(diào)整后可得到表２所列的４級(jí)２階濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，其中的電阻值是經(jīng)過(guò)１％精度調(diào)整后得到的，Ｇａｉｎ是直流狀態(tài)的增益。由Ｍａｘｉｍ２７４ Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件生成的增益曲線(xiàn)用Ｍａｔｌａｂ處理后如圖５中的實(shí)線(xiàn)所示。

表2 8階濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)

４、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及注意事項(xiàng)

在實(shí)驗(yàn)室將表２所列的電阻值按照?qǐng)D４所示接入，并采用ＸＤ－７低頻信號(hào)發(fā)生器將正弦波信號(hào)輸入濾波器的輸入端，部分典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表３所列。輸出與輸入的比值取對(duì)數(shù)后生成的曲線(xiàn)如圖５中的虛線(xiàn)所示。對(duì)比圖５中的兩曲線(xiàn)可以看出，在小于４ｋＨｚ時(shí)，兩曲線(xiàn)基本重合；而當(dāng)大于４ｋＨｚ時(shí)，兩者出現(xiàn)了偏差，這是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)所用電壓表、電阻精度不足及電路板本身的噪聲造成的。即使如此，通過(guò)表３可以看出：在４ｋＨｚ時(shí)，輸出電壓已經(jīng)衰減為輸入電壓的０。４％，完全可以滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要，因此，本濾波器的設(shè)計(jì)是成功的。

表3 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用ＭＡＸ２７４時(shí)，市場(chǎng)上所能購(gòu)買(mǎi)到的電阻和計(jì)算值之間有一定誤差，因此要對(duì)電阻值進(jìn)行取舍，通常誤差不要超過(guò)５％，以使電阻值對(duì)濾波器的頻譜影響不至于太大，從而使得到的頻譜關(guān)系滿(mǎn)足要求。另外，當(dāng)Ｒ大于４ＭΩ時(shí)，寄生電容的影響將明顯表現(xiàn)出來(lái)，此時(shí)可用Ｔ型網(wǎng)絡(luò)形式將其變換成小電阻。

ＭＡＸ２７４既可用單＋５Ｖ供電，又可以用±５Ｖ供電。值得注意的是，采用單＋５Ｖ供電時(shí)，一定要按圖６方式進(jìn)行接線(xiàn)。筆者曾想當(dāng)然地將電源接在Ｖ＋與ＧＮＤ引腳之間，結(jié)果燒毀了一片元器件。

５、結(jié)論

在變壓器鐵芯在線(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，鐵芯接地電流很小，而現(xiàn)場(chǎng)高頻干擾相對(duì)比較嚴(yán)重。本文探討了采用ＭＡＸ２７４設(shè)計(jì)有源濾波器的方法，并給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目的。

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