雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電壓采樣與信號調(diào)理電路的研究

黃雨龍

摘 要：雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）是雙電源供電系統(tǒng)重要場合必須配備的裝置。雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)智能控制器主要由控制單元和驅(qū)動機(jī)構(gòu)構(gòu)成。控制單元以微處理器為核心對常備用電源進(jìn)行電壓采樣以及信號調(diào)理。驅(qū)動機(jī)構(gòu)以雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)為開關(guān)本體進(jìn)行雙電源的切換工作。本文主要介紹了以控制單元為核心的電壓采集與信號調(diào)理的方法，通過仿真軟件以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該電壓采樣與信號調(diào)理電路可以滿足控制單元的要求。該電路不僅采樣精度高，同時(shí)還具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)；智能控制器；電壓采樣；信號調(diào)理；仿真

0 引言

按國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14048.11-2016）規(guī)定[1-2]，雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)用于兩個(gè)電源之間的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中中斷對負(fù)載的供電?？刂破鲃t用于檢測及監(jiān)測供電電源的狀態(tài)，當(dāng)電源偏離設(shè)定的正常狀態(tài)時(shí)，能自動地發(fā)出動作指令使主體部分轉(zhuǎn)換到正常工作電源測得控制電器。目前市場80%以上的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)出現(xiàn)的故障問題，都是由于控制器所造成的。電壓采集電路和信號調(diào)理電路作為控制器最重要的一個(gè)部分，對整個(gè)控制器乃至開關(guān)本體具有十分重要的意義。

1 芯片介紹

TMS320F28335型數(shù)字信號處理器作為TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器，與以往的TMS320F2812相比，不僅從CPU性能、片內(nèi)FLASH、通用I/O口（GPIO）等優(yōu)于TMS320F2812，同時(shí)該器件具有A/D采樣精度高，成本低，功耗小，性能高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。TMS320LF28335片內(nèi)集成的A/D轉(zhuǎn)換器的核心資源是一個(gè)12位分辨率的高速A/D轉(zhuǎn)換器，配備了16個(gè)模擬轉(zhuǎn)換輸入通道，模擬電壓輸入范圍0～3V，ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率最高可配置為25MHz，采樣帶寬12.5MHz。電路總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 電壓采樣電路

目前電壓信號的采集有很多種[5-6]，主要包括變壓器采樣、電壓互感器采樣、光耦采樣、電阻分壓采樣等。但是根據(jù)上述采樣方式與實(shí)際情況相結(jié)合考慮，最終本文使用霍爾元件進(jìn)行采樣?；魻栐蓸涌梢詫θ我獠ㄐ蔚碾妷哼M(jìn)行測量，精度高、可靠性高、尺寸小、重量輕，易于安裝且不會給系統(tǒng)帶來任何損失。

電壓跟隨電路加在傳感器的后面，主要是為了增加電路的抗干擾能力，降低信號源的輸出阻抗，目的是為了不增加采樣時(shí)間，保證了A/D轉(zhuǎn)換模塊的采樣精度。電壓采樣電路如圖2示。

3 電壓信號調(diào)理電路

電壓信號調(diào)理電路必須對經(jīng)過電壓霍爾傳感器采集到的電壓信號進(jìn)行放大、濾波處理等調(diào)理工作，并由DSP片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，通過數(shù)字接口輸入計(jì)算機(jī)[7]。

反相比例放大電路的主要作用是將采樣電壓進(jìn)行放大或者縮小，輸出的采樣電壓范圍在-1.5V～+1.5V。由于TMS320F28335片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入電壓范圍為0～3V，同時(shí)DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊的電壓只能是單極性輸入。目前通過反相比例放大電路測出來的電壓為雙極性，必須要使用偏置電路，所有要將電壓霍爾傳感器輸出的交流電壓進(jìn)行偏置電路的處理后才能輸送到DSP片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換模塊中。電壓霍爾傳感器的輸出交流電壓峰值為1.5V，偏置電路的另一端必須要電壓抬高至+1.5V才能滿足條件。

二階低通濾波電路[9-10]主要用于削弱電壓信號中的高頻諧波，而反饋到的信號只能通過低頻信號。四階巴特沃斯低通濾波器[11]由兩個(gè)二階濾波器的級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)濾波器工作頻率與濾波電容取值的對應(yīng)關(guān)系可知，取==0.01uF，對應(yīng)的截止頻率KHz。截止頻率的計(jì)算公式如下：

4 電路仿真及分析

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。電路仿真模型圖如圖4所示。

5 結(jié)束語

電壓采集電路以及信號調(diào)理電路作為雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制器的重要組成部分，通過電壓采樣電路將常備用電源的電壓信號進(jìn)行采集，降壓后的電壓信號通過信號調(diào)理電路輸送到DSP內(nèi)，符合DSP內(nèi)部的模擬電壓范圍0～3V。本文研究的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電壓采樣以及信號調(diào)理電路不僅體積小，而且成本低，更重要的是相比于其他的DSP，該DSP具有采樣性高的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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