有源低通濾波模塊的設(shè)計及應(yīng)用

目前各種各式的電能質(zhì)量測量及監(jiān)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(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能質(zhì)量特點，可以提供電力運行中的諧波分析及功率品質(zhì)分析以及一些其它基本電能質(zhì)量參數(shù)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(jìn)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(jīng)過濾波模塊后被送到后面的數(shù)模轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理模塊中，最終被處理成要獲得的質(zhì)量參數(shù)。濾波模塊的工作效果會直接影響到處理器對數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。所以對于濾波模塊的設(shè)計及改進(jìn)對電能質(zhì)量裝置的發(fā)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(shù)及幅頻響應(yīng)，然后針對有源低通濾波電路的這些特性為一電能質(zhì)量監(jiān)測裝置設(shè)一個有源低通濾波模塊。

在人類的工程設(shè)計及科學(xué)研究等活動中，濾波技術(shù)一直發(fā)揮著很重要的作用。濾波模塊是目前市場上各種電能質(zhì)量測量設(shè)備中不可缺少的一部分，它主要是通過一些相關(guān)的元器件組成電路圖來對所采集的電能模擬信號進(jìn)行頻率篩選處理。濾波電路作為信號調(diào)理及處理電路中最重要的部分之一，其功能實現(xiàn)的好壞直接影響到最終信號處理結(jié)果的精確性、可靠性。目前，濾波技術(shù)已經(jīng)朝一個新的方向發(fā)展。利用集成度更高的電子芯片來設(shè)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(jù)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(nèi)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(dá)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(yīng)曲線上可以看出，有源二階低通濾波電路的濾波效果要遠(yuǎn)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(zhì)量監(jiān)測裝置中常用的濾波電路。

3.濾波模塊電路圖設(shè)計

3.1設(shè)計介紹

為使采集得到的原始信號盡量不失真地傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換采樣端，電能質(zhì)量監(jiān)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(jīng)過互感器后會變成數(shù)模轉(zhuǎn)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(jīng)過放大、濾波處理。從采集模塊到數(shù)模轉(zhuǎn)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(shè)計

3.2.1互感器電路

（1）電壓互感器電路

本設(shè)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(qiáng)和安全可靠的優(yōu)點。

電壓互感器電路如圖所示：

（1）放大電路

本設(shè)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(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p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(jìn)行放大，降低了電路的復(fù)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(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的采樣電壓要求），放大電路在這里的放大倍數(shù)為1。采集到的信號從運算放大器輸出后直接進(jìn)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(tài)，對后級電路呈低阻狀態(tài)，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(huán)增益高的特點。這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得Op07特別適用于高增益的測量設(shè)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(jù)國家電阻標(biāo)準(zhǔn)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(shù) ，等效品質(zhì)數(shù)Q= 0.5，從圖（4）可以看出Q=0.5時的曲線即為本設(shè)計的幅頻特性曲線。

AD620具有高精度、低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移特性，是傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。這里將AD620放在濾波電路后的目的是對經(jīng)過放大、濾波處理后的正弦波進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)理，使波形更加光滑。

電路工作效果圖如下：

4.小結(jié)

本設(shè)計主要是為電能質(zhì)量監(jiān)測裝置設(shè)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(jìn)行放大濾波處理。最后通過實驗結(jié)果的圖像，展現(xiàn)了本設(shè)計的工作效果。本設(shè)計電路的原理簡單易懂，對于使用者沒有很高的專業(yè)專業(yè)知識要求，但工作效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)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(shè)計有一定的使用價值。

（作者單位：大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院）