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8阶连续时间滤波器芯片MAX274的工作原理及应用设计

2020年07月21日 10:44 次阅读

大型变压器在运行时,其铁芯接地电流很小,约为几毫安到几十毫安,但当变压器发生铁芯多点接地故障时,其铁芯接地电流将增大到几安培甚至几十安培,从而会导致局部铁芯过热,严重时可能造成轻瓦斯动作甚至重瓦斯动作跳闸。

目前,现场人员多采用钳形电流表夹住铁芯接地线来监测其电流,但由于变压器强磁场的干扰,测量值很不精确,甚至出现同一测量点几次测量值差别迥异的情况,这样测量的参考价值值得怀疑;而国内有些单位研制的自动监测装置虽能及时发现多点接地故障,但缺乏故障后的实时监测功能。为此,设计了一种基于GSM通讯的在线监测装置,较好地解决了变压器铁芯接地电流在线监测的问题。为了解决正常状态下接地电流很小,受到的现场干扰却比较严重的问题,设计中采用了Maxim公司开发8阶连续时间滤波器芯片MAX274。实践证明MAX274的滤波效果比较理想。

1、在线监测装置的系统组成

为尽量如实反映变压器接地电流信号的情况,在图1所示的一次接线图的变压器接地线上串接了一个2Ω的无感电阻,这样就将铁芯接地电流的测量转化为串接电阻上电压的测量。该铁芯接地电流在线监测装置由信号处理部分、A/D转换部分及输出控制部分等模块构成,图2所示是其原理框图。图中,A/D转换采用MAX197,该芯片的精度为12位,带故障保护输入多路转换器和8路模拟输入通道,具有6μs的变换时间;通讯模块采用杭州爱赛德公司生产的GSM模块;输出控制主要是指发生故障后在接地线上串接限流电阻(这是目前常用的故障处理方法),同时现场灯光报警;信号处理部分根据输入信号的强弱分成两路,弱信号部分的处理电路如图3所示,其中OP27是精密运算放大器。MAX274就是本文要重点介绍的有源滤波器芯片。

8阶连续时间滤波器芯片MAX274的工作原理及应用设计

2、MAX274芯片简介

普通运放和RC网络组成的滤波器元件较多,参数调节复杂,杂散电容会大大影响滤波器特性。MAX274是单片集成有源滤波器,它无需外接电容,只要调整外部4个电阻即可。MAX274的主要参数特性如下:

●可以根据需要设计成Butterworth、Chebyshev或Bessel滤波器形式;

●可以实现低通或带通滤波输出;

●采用+5V或±5V电源供电;

●每片由4个2阶滤波单元组成(共8阶),并可以实现芯片级联;

●自带设计软件,可以进行辅助设计和仿真;

●中心或截止频率f0范围为100Hz~150kHz。

MAX274的引脚及外部接口图如图4所示,各引脚功能如下:

INX(2,11,14,23 ):信号输入;

LPOX(1,12,13,24):低通输出;

BPOX(4,9,16,21):带通输出;

FC:RX/RY调节端,可接到V+、V-或GND。

3、MAX274的应用设计与仿真实现

变压器监测现场的干扰主要有电磁干扰、风扇振动(8~25kHz)、可控硅动作(200~300kHz和700~900kHz)和电台通讯信号(800kHz左右)等,这些信号相对都集中在较高频段。因此,滤波器应设计为低通滤波器。Butterworth滤波器在通带内具有最大平坦的幅度特性,而且随着频率升高呈现单调递减的特点,因而比较适合本设计。

其参数设计过程如下:

第一步,由公式R2=(2×109/f0),计算出R2;

第二步,由公式R4=R2-5kΩ,计算出R4;

接下来,计算R3以决定Q值,R3与Q的值成正比例关系,其关系式为R3=R2 Q RX/RY,其中RX和RY是滤波器单元内的两个电阻,其比值由FC管脚连接到哪个引脚决定,具体见表1所列。

表1 FC接点与RX/RY的比值

最后计算出R1,R1主要用来设定增益。对于低通滤波器,R1的值与增益成反比。其关系式为:

R1=(R2/HOLP)·(RX/RY)

滤波器的设计虽然也可以采用上述步骤手算,但对高阶滤波器宜采用软件辅助设计。用滤波器设计专用软件MAX274 Software进行滤波器设计非常方便,可以节省大量时间,同时也避免了人为计算的错误。软件仿真可以完成阶数、极点、Q值的计算,可生成仿真增益Gain和相位Phase的响应曲线,并计算外接电阻的阻值。

本设计中低通Butterworth滤波器的具体要求为:通带截止频率1kHz,通带内最大衰减0.1mdB,阻带截止频率4kHz,阻带最小衰减50dB,通带增益为1。将设计要求输入MAX274 Software软件,经计算得出滤波器阶数为8,软件自动调整后可得到表2所列的4级2阶滤波器的设计参数,其中的电阻值是经过1%精度调整后得到的,Gain是直流状态的增益。由Maxim274 Software软件生成的增益曲线用Matlab处理后如图5中的实线所示。

表2 8阶滤波器设计参数

4、实验结果及注意事项

在实验室将表2所列的电阻值按照图4所示接入,并采用XD-7低频信号发生器将正弦波信号输入滤波器的输入端,部分典型实验数据如表3所列。输出与输入的比值取对数后生成的曲线如图5中的虚线所示。对比图5中的两曲线可以看出,在小于4kHz时,两曲线基本重合;而当大于4kHz时,两者出现了偏差,这是由于实验时所用电压表、电阻精度不足及电路板本身的噪声造成的。即使如此,通过表3可以看出:在4kHz时,输出电压已经衰减为输入电压的0。4%,完全可以满足实际工程的需要,因此,本滤波器的设计是成功的。

表3 部分实验数据

使用MAX274时,市场上所能购买到的电阻和计算值之间有一定误差,因此要对电阻值进行取舍,通常误差不要超过5%,以使电阻值对滤波器的频谱影响不至于太大,从而使得到的频谱关系满足要求。另外,当R大于4MΩ时,寄生电容的影响将明显表现出来,此时可用T型网络形式将其变换成小电阻。

MAX274既可用单+5V供电,又可以用±5V供电。值得注意的是,采用单+5V供电时,一定要按图6方式进行接线。笔者曾想当然地将电源接在V+与GND引脚之间,结果烧毁了一片元器件

5、结论

在变压器铁芯在线监测项目中,铁芯接地电流很小,而现场高频干扰相对比较严重。本文探讨了采用MAX274设计有源滤波器的方法,并给出了实验数据。实际运行结果表明,本设计达到了预期目的。

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发表于 2020-07-07 22:27 438次阅读
芯片型号查询

异构集成的三个层次解析

  第一层 芯片异构   芯片级别的异构性是设备包内部的异构集成,与芯片概念密切相关。我们正在建造更复杂的系统,...
发表于 2020-07-07 11:44 105次阅读
异构集成的三个层次解析

芯片设计中的低功耗技术介绍

  人们对低功耗设备和设计技术的兴趣激增。通过回顾已提出的降低功耗的技术,深入了解低功耗设计中的一些基本权衡。...
发表于 2020-07-07 11:40 94次阅读
芯片设计中的低功耗技术介绍