有源低通濾波模塊的設計及應用

目前各種各式的電能質量測量及監測裝置被投入到市場中。該類型裝置主要是為了測量并不斷監測電網系統中的電能質量特點，可以提供電力運行中的諧波分析及功率品質分析以及一些其它基本電能質量參數的測量。而濾波模塊作為該裝置的前端對采集到的模擬信號進行放大和濾波處理，將正弦波信號放大并將其中高頻率的信號濾掉。正弦波經過濾波模塊后被送到后面的數模轉換及數據處理模塊中，最終被處理成要獲得的質量參數。濾波模塊的工作效果會直接影響到處理器對數據處理結果的準確性、可靠性。所以對于濾波模塊的設計及改進對電能質量裝置的發展很有意義。本文首先闡述了有源低通濾波電路的特點、傳遞函數及幅頻響應，然后針對有源低通濾波電路的這些特性為一電能質量監測裝置設一個有源低通濾波模塊。

在人類的工程設計及科學研究等活動中，濾波技術一直發揮著很重要的作用。濾波模塊是目前市場上各種電能質量測量設備中不可缺少的一部分，它主要是通過一些相關的元器件組成電路圖來對所采集的電能模擬信號進行頻率篩選處理。濾波電路作為信號調理及處理電路中最重要的部分之一，其功能實現的好壞直接影響到最終信號處理結果的精確性、可靠性。目前，濾波技術已經朝一個新的方向發展。利用集成度更高的電子芯片來設計濾波電路，濾波的效果會大大提升，而且濾波器的體積會越來越小，成本也越來越低。

1. 濾波器概念

濾波器就是一種選頻電路。它能根據使用者的需要選出有用的信號，而抑制無用的信號，使一定頻率范圍內的信號能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減很大。通常濾波器包括有源濾波器和無緣濾波器。

有源濾波電路主要是由集成運放、電阻R、電感L和電容C組成。由于集成運放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，所以有緣放大濾波器還有放大與緩沖作用。利用有源濾波器可以突出有用頻率信號，衰減無用頻率信號，抑制干擾和噪聲，從而達到選頻的目的。

2.有源濾波電路工作原理

2.1一階有源濾波電路

從幅頻響應曲線上可以看出，有源二階低通濾波電路的濾波效果要遠好于有源一階低通濾波電路。所以二階低通濾波電路是電能質量監測裝置中常用的濾波電路。

3.濾波模塊電路圖設計

3.1設計介紹

為使采集得到的原始信號盡量不失真地傳輸到模數轉換采樣端，電能質量監測裝置一般都會選擇合適的電流、電壓互感器。高電壓、高電流信號經過互感器后會變成數模轉換模塊能接受的低電壓、低電流信號。在這過程中，采集下來的電壓電流信號還要經過放大、濾波處理。從采集模塊到數模轉換模塊之間的電路圖組成一濾波模塊。

3.2濾波模塊電路組成及設計

3.2.1互感器電路

（1）電壓互感器電路

本設計使用的電壓互感器TV1013具有體積小、精度高、使用方便、電壓隔離能力強和安全可靠的優點。

電壓互感器電路如圖所示：

（1）放大電路

本設計中的放大電路是由運算放大器LM358組成的同相放大器。LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。在這里使用LM358的好處是一個LM358可以同時對采集的兩路信號進行放大，降低了電路的復雜程度，同時也減小了電路板的體積。

由于從互感器采集下來的電壓信號范圍均為0～5V（符合數模轉換模塊的采樣電壓要求），放大電路在這里的放大倍數為1。采集到的信號從運算放大器輸出后直接進入濾波電路中。運算放大器起到了電壓跟隨器的作用，對電路具有緩沖和隔離的作用。電壓跟隨器一般具有較低的輸入阻抗和較高的輸入阻抗，對前級電路呈高阻狀態，對后級電路呈低阻狀態，因而對前后級電路能起到很好的隔離作用。

（2）濾波電路

濾波電路選擇的運算放大器為Op07。Op07具有輸入偏置電流低和開環增益高的特點。這種低失調、高開環增益的特性使得Op07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。濾波電路電容中 可以解得電阻大小 Ω。根據國家電阻標準值表，電阻阻值 都取32.4KΩ。

由圖（7）可以看出濾波電路中 ，則放大倍數 ，等效品質數Q= 0.5，從圖（4）可以看出Q=0.5時的曲線即為本設計的幅頻特性曲線。

AD620具有高精度、低失調電壓和低失調漂移特性，是傳感器接口等精密數據采集系統的理想之選。這里將AD620放在濾波電路后的目的是對經過放大、濾波處理后的正弦波進行進一步的調理，使波形更加光滑。

電路工作效果圖如下：

4.小結

本設計主要是為電能質量監測裝置設計一濾波模塊。濾波模塊包括互感器電路、放大電路和濾波電路，主要的功能就是采集下模擬信號，然后對模擬信號進行放大濾波處理。最后通過實驗結果的圖像，展現了本設計的工作效果。本設計電路的原理簡單易懂，對于使用者沒有很高的專業專業知識要求，但工作效果好，能夠實現設計要求，并且電子元器件價格低且易購買，模塊制作成本低。所以本設計有一定的使用價值。

（作者單位：大連海事大學 輪機工程學院）