【技术大神】智能配电设备选频电路设计和仿真

时间： 2019-09-02 来源：世强

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在智能配电设备中，如DTU、FTU等，为实现同步测量功能，需对被测信号的频率（频率范围：45Hz-55Hz）进行跟踪采样。由于线路上会有直流分量和杂波干扰，所以需对被测信号进行带通滤波，且通带频率要稍大于被测频率。

在笔者智能配电设备设计中，采用了有源带通滤波器。因为有源滤波器的滤波效果高达95%以上，远高于无源滤波器，可动态滤除谐波的同时又能够抑制闪变并补偿无功功率。被测信号经过滤波放大后，再进入比较器进行比较，将正弦波信号转换成同频率的方波信号，由MCU进行测频采样。测频电路示意图如图1所示，T表示PT，U1为有源带通滤波器，U2为反相输入单门限电压比较器。

图1：测频电路示意图

图1测频电路的设计关键就是选频电路的设计，即有源带通滤波器的设计，它由一个二阶有源低通滤波器和一个二阶有源高通滤波器组成。有源滤波器中运算放大器（以下简称运放）的选择标准要考虑以下因素：
1）双通道、电压型反馈运放
2）单电源供电，因为配网终端设备中只有正电源，没有负电源
3）工作电压满足5V
4）功耗低，同时对转换速度没有特别要求，所以压摆率不用太大
5）满摆幅输入输出，在低压供电时，保证被测信号输出不失真
6）带宽增益要足够大，如果被测信号放大10倍，那么带宽增益需不小于600kHz
7）宽温度工作范围，可以保证配网设备在恶劣的环境中正常工作
8）成本低，供货渠道稳定

依据上述标准，笔者最终选用圣邦微电子SGM358这款通用的运放，该产品是无公害无铅环保产品，具有双通道、低成本、轨到轨输入/输出的特点。SGM358的典型输入失调电压为0.8mV；供电电压Vs范围为2.1V~5.5V，Vs为5.5V时，输入电压范围为-0.1V~5.6V；1MHz的带宽增益积，满足对被测信号10倍放大需求；极低功耗，每个通道60uA静态电流；压摆率为0.52V/us；高精度，10pA的超低偏置电流；超宽工作温度范围-40℃~+85℃和超宽存储温度范围-65℃~+150℃。

基于SGM358的有源带通滤波器原理图设计如图2所示：

图2：选频电路原理图

有源低通滤波器原理：C34有两个作用，一是交流耦合，二是隔离电路前后静态工作点；R12、R15作用是将运放的输入信号的电平抬高2.5V；R13、R14、C33、C40决定了低通滤波电路的截止频率，截止频率fL=1/(2πCR)=1/(2*3.14*100nF*20k)≈80Hz；C4的作用是只放大交流信号，使直流信号全部反馈。交流信号的放大倍数由R5、R6决定。当输入一个峰值为1V、频率为50Hz的交流电压源，低通滤波器的频率响应曲线如图3所示，低通截止频率为80Hz，与理论相吻合。

图3：有源低通滤波器频率响应曲线

有源高通滤波器原理与有源低通滤波器原理相同，R16、R22组成与R11相当的阻值，高通滤波电路的截止频率fH=1/(2πCR)=1/(2*3.14*1uF*5.6k)≈28Hz。当输入一个峰值为1V、频率为50Hz的交流电压源，高通滤波器的频率响应曲线如图4所示，高通截止频率为24Hz，与理论相也很吻合。

图4：有源高通滤波器频率响应曲线

整个带通滤波器的频率响应曲线如图5所示，通带频率为26Hz~88Hz，相对于纯低通滤波器而言，低通截止频率增大了8Hz，相对于纯高通滤波器而言，高通截止频率增大了2Hz，说明前级、后级电路之间对彼此有影响，但影响很小，能滤出配网设备线路上的直流分量和杂波干扰，准确跟踪45Hz-55Hz的被测频率。

图5：有源带通滤波器频率响应曲线

设计经验总结：
1）要选用轨到轨的运放。笔者原先采用的运放是LM358，到实际测试时，发现被测信号输出失真，3.7V以上被截断，查看datasheet才知，LM358非轨到轨的。而SGM358这款轨到轨输入/输出运放可以完美替代原方案，不用更改PCB，网站上对这款芯片评价也很好，可完全替代LMV358，价格更低，性能更优。

2）交流耦合设计时，隔直电容不要遗漏，特别是C35和运放负输入引脚上的电容。由于SGM358是单电源供电，交流信号进入运放之前需抬高一定幅值，本设计抬高2.5V最合适，使正弦波的高峰到5V、低谷到0V的裕量。

3）实际应用和仿真结果会有一定的差异，须考虑SGM358并非完全理想化运放，电阻存在精度误差，电容带有等效串联阻抗，因此可以选择高精度电阻和低ESR电容，并通过微调电阻、电容达到设计目的。

作者：叵仄兮

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全部评论（3）

善始善终 Lv6. 高级专家 2018-12-21

不错
serena Lv7. 资深专家 2018-08-02

好东西
yuyu Lv8. 研究员 2017-09-26

不错，带通资料很好！

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