專利名稱：信號調理電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種調理電路，特別是公開一種用于電能質量分析儀對電力系統(tǒng)中的電壓、電流信號進行隔離和濾波的信號調理電路。
二背景技術：
電能是電力企業(yè)供給用戶的主要產品，電能質量是衡量電能好壞的一個重要指標。近年來，隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展和電力電子設備(可控硅、電子整流器、變頻器等)的廣泛應用，大量的非線性負荷迅速增加，使眾多的諧波電流注入電力網絡，造成電力網中電壓和電流波形畸變，形成電網污染。因此，對不同等級電網的公共連接點的電能質量的監(jiān)測主要是監(jiān)測電壓、電流的諧波、頻率、供電電壓偏差和電壓的波動和閃變。在測量這些參數時要求采樣精度高，頻帶寬，速度快，可靠性高，這樣對信號的采集和調理就提出了很高的要求。
現今市場上的電能質量分析儀的信號調理電路，沒有特定的采用隔離和抗干擾電路。
三
發(fā)明內容
本實用新型所要解決的技術問題是提出一種用于電能質量分析儀中抗干擾能力強、具有隔離電壓能力的信號預處理調理電路。
本實用新型是這樣實現的它包括電壓隔離模塊、與電壓隔離模塊輸出端相連的抗混疊濾波器和將電壓隔離模塊供電電源進行電源隔離的直流直流轉換器，電壓隔離模塊將采集來的電網電壓信號與測量系統(tǒng)隔離后輸出到抗混疊濾波器，抗混疊濾波器將電壓隔離模塊輸出的電壓信號和從電網中抽取出來的電流信號進行濾波放大后輸出。
所述的電壓隔離模塊包括依次相連的分壓器、電壓跟隨器和光電耦合線性隔離放大器。
所述的抗混疊濾波器由兩路集成的包括依次相連的調零電路、調增益電路和濾波電路的抗混疊濾波電路組成。
本實用新型由于采用了電壓隔離模塊，增加了測量系統(tǒng)的抗干擾能力，對直流精度要求較高的應用場合，尤其是在高電壓放大倍數下工作時，調零電路減小和消除輸入運算放大器的失調電壓，降低誤差；抗混疊濾波器對于基波頻率為50Hz的信號，能夠有效抑制80次以上的諧波，從而有效防止因為高頻成分的引入使測量系統(tǒng)產生較大的誤差。
四

附圖1 信號調理電路的電路原理圖附圖2 電壓隔離模塊的電路原理圖附圖3抗混疊濾波器的電路原理圖五具體實施方式
參見附圖1，本實用新型主要由直流直流變換器U1、電壓隔離模塊U2、抗混疊濾波器U3組成。
電壓信號輸入端為V1。COM1為信號的地端。+12V電源通過直流直流變換器U1(在此選用的為金升陽的A1212S)轉變?yōu)椤?2V給電壓隔離模塊U2供電，將電壓隔離模塊U2輸入輸出電源進行隔離，以確保電壓隔離模塊U2的隔離作用及起到抗干擾的作用?！?2V電源通過電容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8濾除電源的高頻分量，提高工作精度。電壓隔離模塊U2的量程可以根據輸入電壓的大小，通過選擇開關JP1進行量程選擇。電壓隔離模塊U2的16、17管腳連接了電位器VR1，以起到調零作用，確保精確?？够殳B濾波器U3的13、14管腳連接了電阻R1、電位器VR2，用于增益調節(jié)。
電流信號輸入端為VIO1?？够殳B濾波器U3的5、6管腳連接了電阻R2、電位器VR3，用于增益調節(jié)。
信號流程如下采集進來的電壓信號首先進入電壓隔離模塊U2，從而對電壓信號的輸入、輸出前后進行隔離，使輸入信號和測量系統(tǒng)安全隔離。因為電壓隔離模塊U2出來的電壓信號和從電網中抽取出來的電流信號(已被轉化為低壓信號)含有高頻成分，所以信號要再經過抗混疊濾波器U3進行濾波放大。抗混疊濾波器U3對于基波頻率為50Hz的信號，能夠有效抑制80次以上的諧波。從而有效防止因為高頻成分的引入使系統(tǒng)產生較大的誤差。
現將該電路中的電壓隔離模塊U2和抗混疊濾波器U3的內部原理進行詳細闡述參見附圖2，電壓隔離模塊U2包括電阻分壓器1、電壓跟隨器2、光電耦合線性隔離放大器3。電阻分壓器1由電阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10組成；電壓跟隨器2由運算放大器U4A構成，并與±12V電源聯(lián)合工作；光電耦合線性隔離放大器3由發(fā)光二極管IC2A、光電二極管IC2B和IC2C、運算放大器U4B和U5、電阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、電位器VR4、VR5、VR6以及電容C9、C10組成，并與±12V電源聯(lián)合工作。
電壓隔離模塊U2工作原理從電網中的電壓信號Vin通過電阻分壓器1引入儀器的測量系統(tǒng)中。由電阻分壓器1的不同檔位進行量程選擇，以保證輸入信號接近A/D的滿刻度輸入。分壓后的電壓信號V1首先進入電壓跟隨器2，這起到阻抗變換作用。經過電壓跟隨器2放大后，電壓跟隨器2的運算放大器U4A的輸出電壓V2近似等于信號源的電動勢而輸出電阻卻很小，即V2＝V1。電壓信號再經由發(fā)光二極管IC2A轉變?yōu)楣庑盘?。這個光信號分別傳輸給光電二極管IC2B、IC2C。光電二極管IC2C將發(fā)光二極管IC2A的光信號變換為電流信號Ipd2并傳送到運算放大器U5。同時發(fā)光二極管IC2A的光信號又經光電二極管IC2B轉變?yōu)殡娦盘朓pd1。該電信號反饋到運算放大器U4B的輸入端，通過這種負反饋自動調整發(fā)光二極管IC2A的電流來補償輸出光信號的非線性和變化。從而使光電二極管IC2C的電流信號Ipd2穩(wěn)定、線性。同時為使光電耦合線性隔離放大器3更好的工作在線性區(qū)，在運算放大器U4B的同向輸入端加入了一個直流分量。為了上述舉措不影響輸出結果，運算放大器U5的反向輸入端也加入一直流分量，來抵消其對結果的影響。最后由運算放大器U5將電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘朧out從電壓隔離模塊U2的13管腳輸出。由于電位器VR6兩端為電壓隔離模塊U2的18、19管腳，并將這兩個管腳相連，所以Vout＝V2*R17/R11。
參見附圖3，抗混疊濾波器U3包括兩路抗混疊濾波電路，每一路均由調零電路4，調增益電路5和濾波電路6組成，其中濾波電路6采用三個二階有源低通濾波器。由于兩路結構相同，故只描述一路的結構與原理。
調零電路由運算放大器U6A、電阻R18、R19、R20、R21和電位器VR7組成，并和±12V電源聯(lián)合工作；調增益電路由運算放大器U6B、電阻R22、R23和電位器VR8構成；二階有源低通濾波器由運算放大器U6C、電阻R24、R25和電容C11、C12組成，以此類推，其后的元件又組成另外的兩個低通濾波器。
對直流精度要求較高的應用場合，尤其是在高電壓放大倍數下工作時，運算放大器輸入端的輸入失調電壓就是重要的誤差來源。為了減小和消除這種誤差，從抗混疊濾波器U3的15管腳輸入的電壓信號Vout先通過調零電路4，失調電壓的調整范圍為±12V*(R21/R20)。運算放大器U6A輸出的電壓信號V3通過增益電路5對電壓信號V3進行放大。通過調節(jié)電位器VR2可以對放大增益進行調節(jié)。放大后的電壓信號V4再經過濾波電路6，濾除信號的高頻成分。這種濾波電路在小于截止頻率的范圍內，具有最平幅度的響應，而在大于截止頻率后，幅頻響應迅速下降。原信號通過帶寬低于fs/2的低通濾波器，濾去高于fs/2的分量，對這樣的信號再進行離散傅立葉變換(DFT分析)，將不會再出現高于fs/2的分量，防止高頻造成的干擾。這樣雖然因濾波而失去高于fs/2頻率的分量，但濾波后的信號能得到準確的表述，因此不會出現頻譜混疊現象，DFT分析也不會因此而引起誤差。
權利要求1.一種信號調理電路，其特征在于它包括電壓隔離模塊、與電壓隔離模塊輸出端相連的抗混疊濾波器和將電壓隔離模塊供電電源進行電源隔離的直流直流轉換器，電壓隔離模塊將采集來的電網電壓信號與測量系統(tǒng)隔離后輸出到抗混疊濾波器，抗混疊濾波器將電壓隔離模塊輸出的電壓信號和從電網中抽取出來的電流信號進行濾波放大后輸出。
2.根據權利要求1所述的信號調理電路，其特征在于所述的電壓隔離模塊包括由依次相連的分壓器、電壓跟隨器和光電耦合線性隔離放大器。
3.根據權利要求1的信號調理電路，其特征在于所述的抗混疊濾波器由兩路集成的抗混疊濾波電路組成。
4.根據權利要求3的信號調理電路，其特征在于所述的抗混疊濾波電路包括依次相連的調零電路、調增益電路和濾波電路。
專利摘要本實用新型涉及一種信號調理電路。它包括電壓隔離模塊、與電壓隔離模塊輸出端相連的抗混疊濾波器和將電壓隔離模塊供電電源進行電源隔離的直流直流轉換器，電壓隔離模塊將采集來的電網電壓信號與測量系統(tǒng)隔離后輸出到抗混疊濾波器，抗混疊濾波器將電壓隔離模塊輸出的電壓信號和從電網中抽取出來的電流信號進行濾波放大后輸出。本實用新型增加了測量系統(tǒng)的抗干擾能力，對直流精度要求較高的應用場合，尤其是在高電壓放大倍數下工作時，調零電路減小和消除輸入運算放大器的失調電壓；抗混疊濾波器性對于基波頻率為50Hz的信號，能夠有效抑制80次以上的諧波，從而有效防止因為高頻成分的引入使測量系統(tǒng)產生較大的誤差。
文檔編號G01R19/00GK2694281SQ20032010938
公開日2005年4月20日 申請日期2003年10月30日 優(yōu)先權日2003年10月30日
發(fā)明者李令冬 申請人:上海寶鋼安大電能質量有限公司