基于ispPAC20的市電電壓監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)計

于 衛(wèi)，魏 斌，謝 勇

（揚州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009）

自從1999年美國Lattice公司推出了在系統(tǒng)可編程模擬電路 ispPAC（in system programmability Programmable Analog Circuits）以來，極大地推動了模擬電路設(shè)計方法的發(fā)展，為電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)的應(yīng)用開拓了更為廣闊的前景。利用可編程模擬器件配合相應(yīng)的開發(fā)工具軟件PAC-Designer，便可以像設(shè)計數(shù)字電路那樣方便、快捷地完成模擬電路的設(shè)計、修改、編程和驗證，從而極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期并增強其競爭力。在系統(tǒng)可編程模擬器件允許電路設(shè)計者使用開發(fā)軟件在計算機中設(shè)計模擬電路，并對所設(shè)計電路特性進行仿真，最后通過編程電纜將設(shè)計方案下載至芯片中。目前，可編程模擬器件已在電子線路實驗、傳感器匹配、數(shù)據(jù)采集、信號處理、儀器儀表、控制與監(jiān)測、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等重要領(lǐng)域中得到了廣范的應(yīng)用?？梢灶A(yù)期，隨著模擬可編程技術(shù)的不斷進步和品種的逐步豐富，可編程模擬器件將會成為實現(xiàn)模擬電路的首選器件和最佳選擇。

目前，在系統(tǒng)可編程模擬電路可實現(xiàn)三種基本功能：（1）信號調(diào)理：對微弱信號進行放大、整流、有源濾波、增益調(diào)整；（2）模擬計算：對信號進行求和、求差、比較和積分等運算；（3）將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。在基本功能基礎(chǔ)上可實現(xiàn)許多實際應(yīng)用，比如電壓、溫度的控制與報警。

本文研究的電壓控制與報警系統(tǒng)，采用ispPAC20為核心器件，該器件具有兩個可放大、衰減的儀表放大器單元，輸入共模抑制比高達69 dB；具有一個8位DAC和兩個快速比較器。圖1是ispPAC20器件的管腳及編程接口圖，由于要對ispPAC20器件編程，所以要做一個10芯編程口。在計算機里用PAC-Designer軟件進行電路設(shè)計，然后通過計算機并行口用26芯編程線經(jīng)過下載小電路板對裝載用戶電路板上的ispPAC20器件進行編程。

1 總體方案設(shè)計

總體方案圖如圖2所示，各部分作用及組成如下：

（1）交流調(diào)壓器模擬市電AC 220 V幅度波動，用于調(diào)試；

（2）降壓變壓器采用匝比 220：9，可將市電降壓，如原邊220 V，則副邊為9 V，如原邊輸入在一定范圍內(nèi)變化，副邊也會跟著變化；

（3）數(shù)字表頭用于測量當(dāng)時的市電電壓值，圖中用交流調(diào)壓器模擬市電幅度波動，以便調(diào)試；

（4）交流直流轉(zhuǎn)換電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，其輸出的直流電壓V0與輸入的交流電壓有效值Vi的關(guān)系是 V0≈1.2 Vi。 這樣， 輸入市電為 198 V、209 V、220 V、231 V、242 V時,直流輸出分別為9.72 V、10.26 V、10.8 V、11.34 V、11.88 V。

（5）ispPAC20器件電路：通過取樣電阻取得輸入電壓信號，在正常電壓范圍內(nèi)，WINDOWS=0，當(dāng)電壓高于上限或低于下限時，WINDOWS=1；

（6）反向放大驅(qū)動：用WINDOWS控制固態(tài)繼電器工作；

（7）固態(tài)繼電器：控制負(fù)載工作和電鈴報警。

取樣電阻R1、R2的取值如下：在市電電壓為AC220 V時，使R2上的直流電壓為 2.5 V，通常R2上的電流要小于 1 mA，可以取 R2=4.7 kΩ，則 R1=（10.8-2.5）×4.7/2.5=15.6 kΩ，實際設(shè)計中，R1用 10 kΩ 電阻和 10 kΩ 電位器串聯(lián)而成。此時R2上的中心電壓為DC 2.5 V，實際所監(jiān)控的市電中心電壓為AC 220 V。為進一步穩(wěn)定R2上的取樣直流電壓，可在R2端并聯(lián)上0.1 μF的電容。

其工作過程為：將市電交流電經(jīng)過降壓、交直流轉(zhuǎn)換、取樣電阻后送入ispPAC20器件一個差分輸入端IN3+，另一個差分輸入端IN3-接該器件的標(biāo)準(zhǔn)輸出VREF（2.5 V），對 ispPAC20器件編程，當(dāng)器件的 DAC模式選擇DMODE=1時，則數(shù)字信號D7～D0由外部輸入，由此來決定ispPAC20器件的電壓報警范圍。當(dāng)電壓在正常范圍內(nèi)時，其輸出WINDOWS=0，經(jīng)過反相放大驅(qū)動后，下面固態(tài)繼電器工作，負(fù)載正常通電；當(dāng)電壓在正常范圍之外（過欠壓）時，其輸出 WINDOWS=1，經(jīng)過反相放大驅(qū)動再經(jīng)反相后，上面固態(tài)繼電器工作，電鈴?fù)妶缶瑫r負(fù)載切斷電源停止工作。

2 ispPAC20器件功能設(shè)計

對ispPAC20器件的要求是：接收反映市電電壓的取樣電壓和反映電壓范圍的數(shù)字信號，發(fā)出WINDOWS信號，當(dāng)電壓在正常范圍內(nèi)時，WINDOWS=0；當(dāng)電壓在正常范圍外時，WINDOWS=1，編程電路如圖3所示。由于外輸入數(shù)字量決定電壓監(jiān)控范圍，故DMODE=1。

反映市電電壓的取樣電壓送到差分輸入端IN3+，另一個差分輸入端IN3-接該器件的標(biāo)準(zhǔn)輸出VREF（2.5V），經(jīng)過差分后再經(jīng)放大（本文放大倍數(shù)設(shè)置為 5，可調(diào)），送到比較器CP1的同相端和CP2的反相端；器件內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收決定ispPAC20器件的電壓報警范圍外部的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成的模擬量分別送到CP1的反相端和（經(jīng)反相后）CP2的同相端，輸出設(shè)置成“XOR”形式。當(dāng)過壓時，CP1OUT=1、CP2OUT=0，此時 WINDOWS=1；當(dāng)欠壓時 CP1OUT=0、CP2OUT=1，此時 WINDOWS=1，因此，無論過壓還是欠壓，WINDOWS都為1。而在正常電壓范圍內(nèi)時，CP1OUT=0、CP2OUT=0，此時 WINDOWS=0。表1說明了輸入數(shù)字量和電壓監(jiān)控范圍的關(guān)系。通過改變輸入數(shù)字量就可以改變監(jiān)控的電壓范圍。如果放大倍數(shù)變化，則表格關(guān)系會發(fā)生變化。市電電壓監(jiān)控數(shù)據(jù)表如表2所示。由表1可知，隨著輸入的數(shù)字量不同，電壓監(jiān)控范圍也不同。如輸入數(shù)字量10011011，電壓監(jiān)控范圍 220 V±5.0%；輸入數(shù)字量 10110101，電壓監(jiān)控范圍220 V±10%。當(dāng)然，如果編程設(shè)定的放大倍數(shù)變化，則輸入同樣的數(shù)字量，電壓監(jiān)控范圍也發(fā)生變化。

表1 輸入數(shù)字量和電壓監(jiān)控范圍的關(guān)系表

表2 市電電壓監(jiān)控數(shù)據(jù)表

ispPAC20器件功能的編程過程：打開PAC-Designer軟件，選擇ispPAC20器件進入編輯狀態(tài)，將IN3輸入端接到IA3上，設(shè)置好IA3的放大倍數(shù)，將OA2上的電容設(shè)為最大61.59 pF，將OA2的輸出同時連到CP1的同相輸入端和CP2的反相輸入端，內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用外置輸入數(shù)字信號，DMODE=1，其輸出同時連到CP1的反相輸入端和CP2的 （經(jīng)反相后）同相輸入端，輸出端WINDOWS設(shè)置成“XOR”形式。圖繪好后保存，最后執(zhí)行下載命令將圖下載到ispPAC20器件里。

3 交流直流轉(zhuǎn)換電路

交直流轉(zhuǎn)換電路如圖 4所示，二極管 D1、D2、D3、D4構(gòu)成全波整流，型號為 IN4007，也可用500 V 3 A的全橋來代替，濾波電容C為 220 μF 的 鋁 電 解 電容，如果輸入交流電的有效值為 Vi，則輸出直流電壓為 1.2 Vi，即輸出直流電壓隨著交流電的有效值比例變化。

4 放大驅(qū)動和固態(tài)繼電器控制電路

由于ispPAC20器件WINDOWS端的驅(qū)動電流有限，為減輕ispPAC20器件的負(fù)載電流壓力，將其輸出放大后驅(qū)動固態(tài)繼電器器件，通常用數(shù)字反相器74LS04作為驅(qū)動器件，用固態(tài)繼電器去控制負(fù)載工作或AC 220 V電鈴報警。如圖5所示。在正常電壓范圍內(nèi)，WINDOWS=0，ACSSR 2固態(tài)繼電器工作，負(fù)載正常通電工作；在正常電壓范圍外，即過欠壓時，WINDOWS=1，ACSSR 1固態(tài)繼電器工作，負(fù)載斷電停止工作，電鈴?fù)妶缶?。固態(tài)繼電器參數(shù)選用500V3A。

5 設(shè)計中需考慮的問題

為了實際結(jié)果和理論設(shè)計盡可能一致，在電路設(shè)計時應(yīng)重點考慮下面幾個問題：（1）交直流轉(zhuǎn)換電路的輸出和輸入的關(guān)系不精確，這在實際結(jié)果中會產(chǎn)生一定的誤差。為了降低誤差影響，二極管（或全橋堆）應(yīng)該選用盡可能小的正向?qū)娮?、而反向截止電阻盡可能大的器件，同時濾波電容漏電要小。在實際工作中應(yīng)進行調(diào)整，以消除理論與實際誤差。必要時還要并聯(lián)小電容，以濾掉來自電源端和二極管非線性產(chǎn)生的高頻干擾信號。（2）取樣電阻取值不精確，給實際結(jié)果也會帶來誤差，因此應(yīng)該選用精度高、噪聲低的金屬膜或金屬氧化膜電阻，R1所以用電位器和電阻串聯(lián)，就是為了調(diào)節(jié)電位器使實際和理論值盡量一致。

（3）ispPAC器件的 IN3-輸入端沒有直接接外來的2.5 V電壓，而是接至器件本身的 VREF（2.5 V）輸出端，這是為了消除共模信號的影響，提高共模抑制比。

（4）ispPAC器件的差分電壓放大倍數(shù)可以通過軟件調(diào)整設(shè)置，其他不變，電壓放大倍數(shù)變化，電壓監(jiān)控范圍也會變化；實際的電壓監(jiān)控范圍也可由外部的輸入數(shù)字量改變，由于器件內(nèi)部模擬電壓輸出范圍在-3 V～+3 V之間，因此器件內(nèi)部放大后的電壓絕對值不應(yīng)超過+3 V，否則應(yīng)調(diào)整輸入和放大倍數(shù)。

該設(shè)計可以廣泛地應(yīng)用于發(fā)電廠、供電公司和用戶單位，尤其對電源電壓要求高的場合。電壓不正常，會損壞用電設(shè)備，同時會影響用電單位的用電和生產(chǎn)效率，所以在實際工作中，需要對電壓加以監(jiān)控，以便電壓一旦不正常，可以立刻采取應(yīng)變措施保護用電設(shè)備。

[1]劉潤華.電子設(shè)計自動化[M].北京：石油大學(xué)出版社，2001.

[2]徐志軍.大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷捌鋺?yīng)用[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]趙曙光.可編程模擬器件原理、開發(fā)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[4]趙不賄.在系統(tǒng)可編程器件與開發(fā)技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[5]唐亞平.電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.