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)動機構(gòu)構(gòu)成。控制單元以微處理器為核心對常備用電源進行電壓采樣以及信號調(diào)理。驅(qū)動機構(gòu)以雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)為開關(guān)本體進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驗結(jié)果驗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，同時還具有成本低的優(yōu)點。

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)用于兩個電源之間的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中中斷對負(fù)載的供電。控制器則用于檢測及監(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，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部分，對整個控制器乃至開關(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[3-4]。TMS320LF28335片內(nèi)集成的A/D轉(zhuǎn)換器的核心資源是一個12位分辨率的高速A/D轉(zhuǎn)換器，配備了16個模擬轉(zhuǎn)換輸入通道，模擬電壓輸入范圍0～3V，ADC轉(zhuǎn)換時鐘頻率最高可配置為25MHz，采樣帶寬12.5MHz。電路總體設(shè)計如圖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)上述采樣方式與實際情況相結(jié)合考慮，最終本文使用霍爾元件進行采樣。霍爾元件采樣可以對任意波形的電壓進行測量，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)字接口輸入計算機[7]。

反相比例放大電路的主要作用是將采樣電壓進行放大或者縮小，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]由兩個二階濾波器的級聯(lián)來實現(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。

參考文獻

[1]GB/T 14048.11—2008 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第 6-1 部分 多功能電器 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)[S].2008.

[2]李月軍.ATSE智能控制器的設(shè)計[J].低壓電器，2010（09）：19-21+24.

[3]符曉，朱洪順著.電子設(shè)計與嵌入式開發(fā)實踐叢書 TMS320F28335 DSP原理、開發(fā)及應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2017.09.

[4]張卿杰編著.手把手教你學(xué)DSP 基于MS320F28335.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.01.

[5]曲德剛.ATSE控制器的技術(shù)分析[A].中國電工技術(shù)學(xué)會低壓電器專業(yè)委員會.中國電工技術(shù)學(xué)會低壓電器專業(yè)委員會第十三屆學(xué)術(shù)年會論文集[C].中國電工技術(shù)學(xué)會低壓電器專業(yè)委員會：中國電工技術(shù)學(xué)會，2007：4.

[6]張威威.雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)智能控制器的設(shè)計[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2015

[7]易映萍，李棟，肖飛.基于DSP片內(nèi)A/D信號檢測與調(diào)理電路的設(shè)計[J].信息技術(shù)，2013，37（01）：5-8.

[8]呂俊芳，錢政，袁梅編著.傳感器調(diào)理電路設(shè)計理論及應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.08.

[9]康華光主編；華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分 第5版.北京：高等教育出版社，2006.01.

[10]陳希.二階有源低通濾波器設(shè)計研究[J].信息通信，2018（12）：3-5.

[11]田聰，余水寶.四階RC有源高通濾波器的優(yōu)化設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2015，34（18）：29-31.