（电机与电器专业论文）合成试验回路短路电流零点预测系统的研制.pdf

沈阻工业大学硕士学位论文 t h e d e v e l o p m e n t o fz e r o c r o s s i n g f o r e c a s t s y s t e m o fs h o r t c u r r e n ti ns y n t h e s i z et e s tc i r c u i t t h e 蚴- v o l t a g e b r e a k 茁i sc o n t m u a l i y d e v e l o p i n g i n t oh i 曲峥a n d l a l 学伽畔商饥 t h ec e l lt e s th a si 奠懈s a t i s t i e dt h ed 锄a n do f t h e d e v d o p m 哦s o t h e s y n t h e t i c t e s th a sm 瞄g e d a st h e t i m e s 心q u i r e a n d g r o w nq m c l d y n o w i th a sb e c o m e t h e 伽i l yp r a c t i c a b l ew a y t ot e s tt h e b r e a k i n g 弘峨h t yo f t h e 商吼| i t b l 鼬l 瞄0 f t l l e l a i f g e 伪埘i d 哆t oi m p r o v e t h e 蹦徽r a d i oo f t h e 掣m 妇t e s t ，t h eo b s e r v i n g a n d c o n t r o l l i n g 卿鼬锄i ns y n t h e t i cc i 】晒】孟t ，t a k i n gt h ec o m p u t e r 8 st h ec o r e , h a sb e m p u t i n t ot h eo p e 咖i o n , w h i c hr c a 血c st h ea u t o m a t i o nf r o mt e s tc o n t r o lt o d a t ac o l l e c t i o na n d p r o c c s s i n gb u t t h eq u e s t i o n a b o u t 踟c s 斑喀f o r e c a s t o f t h es h o r tc u r r e n t t 娜n o tb e e nr e 同v e d ，w e 蝴d e p e n do n t h e 麟唧鲫i i a lw o f e s s i o n a i s t oc o n t m lt h es t a n d j l i g a r cc i r c u i t st u mi nt i m eo n s y n t h e s i z e t e s t s ot h i sp a p e r p u t s f o r w a r dt h ez e r o c r o s s i n g f o r e c a s t s y s t e mo f s y n t l 矧c t e s tc k 跚i ti nw t t c ht h e c o m p l e xp r o g r a m 监b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) t e c l m o l o s y i su s e d i nt h i sp a p 首,b a 西c p r i n c i p l e a n d w o e , 讯sp m c e s s o n s y n t l 埘i c t e s tc i r c u i ta r e a n a l y t e d t h e o r e t i c a l l y , t h e i 瑚| i l i p a 朋n 咖o f 科l 吐h 如t e s td i 强】i t u n d 珂埒c o n d 试o n o f t h e r a t e d s h o r t c u r r e 曩i ta l eg 炮a n dt h ea r c - c o h j m nd 壕强嘶o f t h ea f cc u r r e mb e f o r ea n d 赶t e rt h es h o r t c i r c u i ta l 盯e l i t s 姗c r o s s i n gi ss e to u t t h e s e 砸m i y 瞄。岱e r t h e 扯a d e m i cb 钼l s i sm d 抽l p 删 r e f e r o w 篑断曲埘油培t h e z e r o a 妇l g 如糟翻随鲫咖o f 掣l i t 械c t e s td l u l i f t h em o s t i n 驴删a n d 西岱獭垃c 0 蝴i t s o f t l l i 8p a p 日a m t h er e s e a r c ha n dd 酬o p 删 o f t h e 乃e f o 口s - 啪gf o r e r 埘掣蛳鲫o f 掣m 嘲c t e s tc i 嗽斑i nt h e 刁e 口稍s 砸gf o r e c ms y 啦哪 0 f 姆i 吐枷c t e s td 】豫斑，t h e f o l l o w i n g x m t e m s a r em c i u d e d , s u c h 勰t h e 仃j m d l o f m 盯p a n t h e 矗l e rp a r t , t h ea dc ( m w 嬲i o n p a r ta n d t h ez c 蕃o s s m gf o r e c a s td i g i t 8 is y s t e mw i t ht h ec o r eo f c p l d t e c h n o l o g y t h i sp a p e ra d o p t si m p r o v e d f a s tf o m i e rt r a m f o r n ：l a t i o m ( 岍) t h e o r yi n t h ez e r o g t o f l s i l 毽f o r e c a 瓯a n d t h e w a yo f s e p a r a t i n g t h ed i r e c ta m - e n t g o m p o n 髓l ia n d t h e a l t e r n a t i n gc o m p o n e l l t i su s e dt of o r e c a s tt h ez e f oc r o 啦f i m eo f t h es h o r tc u r r e n t m o d e m c t l d t e c h n o l o g y , h i g h - s p e e d a dc o n v e r s i o nm o d u l e , h a r d w a r ea n d9 0 j f i 眦i sc o m b i n e dt o 2 沈阳工业大学硕士学位论文 c a r r yo u tt h es p d i r 麟i n t h ei n s p 颤o l l s y s t 既n , t h er o g o w s k i c o i lw i t h h i g hp r e c i s i o n a n d s t r o n g 粕童i j 聪咖i s u s e dt 0c o l l e c tt h es h o ao l u t e a r 啦憾a n dt h e d i g i t a l f a l t e ri si r a e g r a t e d t od i m i n a t et h ei l i f 跏0 1 1a n d 呻r o v et h ea m i - j a m m i n g a b l y i nt h i sp a p a p h a s e 幽弼姆m e t h o d b a s e d0 1 喇f i l t e r i n g t e c h n o l o g y i sp e s e n t e d , z e f o c r o s s i n g f o r e c a s to f t h es h o r tc u r t - e r ai sc a r r i e do u t t h es h l l l l l a 蛀o nr e s u l t ss h o w t h a tt h e z e r oc f 峨f o r e c a s t s y s t e mr e a c h t h er a l u h - e dt e c l m i c a lg u i d e l i n e , t h em e t h o d p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r h a s g o o dp e 靠砸m 鲫诚h l 睁p r e 豳o r l a n d h i s h s p e e d t o i m p r o v e t h e c o n t r o l l e v e lo f s y n t h e s i z e t e s tc i r c u i t k 昭w o r d s ：s y n t h e s i z et e s t ；姗c r o s s i n gf o r e c a s t ；m g i 瑚f i l e r 3 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 1 1 1 合成回路试验的意义 高压断路器是发电、输变电和配电设备中的一个重要设备。电力系统可能会发生各 种故障，为保障安全运行，要求开关设备能够迅速地切断故障，恢复列安全运行状态。 开关设备，特别是断路器在系统短路状态下的开断性能是最重要的性能；电网中的设备 和输电线路，还要求用开关设备在空载和额定负载条件下进行切换，这类切换对开关设 备的灭弧和绝缘性能提出了严格的要求；运行条件对高压断路器提出了各种性能要求， 性能的保证是由产品标准所规定的试验项目和各种特殊试验来检验实现的。目前的科 技发展水平，对灭弧装置还不能进行很精确的计算，产品的研制必须通过试验来提供信 息和经验，最终通过试验来鉴定是否可以定型和生产。其中开断性能试验是发展高压电 器和电力工业的重要条件，它已成为一门技术，通常称为强电流试验技术1 1 1 0 考核交流高压断路器开断能力的常用方法是试验，而试验方法可分为直接试验和间 接试验，直接试验方法之一是试验电源直接由电力网配电的试验站提供；方法之二是建 立冲击发电机组。大功率的短路冲击不仅会影响电网的稳定运行，而脍因试验费用高 昂而受到限制。若采用大容量发电机组供电，投资巨大。因此，采用本文提到的合成回 路试验是间接试验方法，投资小，而且能较好地反映断路器的开断能力。 合成试验也是一种短路试验法闭翻问，其中大部分电流或全部电流取自一个电源 ( 工频电流回路，简称电流回路) ，而大部分或全部电压取自另一个或更多的独立电源 ( 电压回路) 。电压回路的电压与被试开关的额定电压相当，电流回路的电源电压可能 是电压回蹯电压的几分之一或更低( 取决于引起电流畸变的被试开关和辅助开关的电弧 压降) 。 断路器在开断故障时，存在着两个不同的阶段。先是燃弧阶段，此阶段虽然电流很 大，但维持电弧燃烧所需的电源电压并不高；继之是电流开断后的电压恢复阶段，此阶 段电压虽高，但几乎没有电流，提供恢复电压的电源容量不需要很大。正是这种认识启 发人们利用两个独立的容量较小的电源，一个提供电流，另一个提供恢复电压，这就是 沈阳工业大学硕士学位论文 合成试验法的构思基础。关键的问题是，在电弧电流熄灭的零点附近，如何使一种状态 过渡到另一种状态，同时又能使断路器受到的试验条件和直接试验时相同。所谓等价性 问置酽l 、电压源回路精确投入的同步问题等等是构成达到工业应用需要解决的理论和技 术问题。 1 1 2 合成回路试验零点检测系统研制的意义 传统的合成回路试验测试系统在试验的测量方面酬删，电流和电压波形都是通过记 忆示波器来记录显示的，直接读数会造成较大的人为误差，这样使依据电流和电压波形 来判断其他试验回路的投入不是很准确，降低了被试品的考核条件，不能满足合成回路 试验的等价性。所以，为了提高断路器试验的测试水平，合成回路试验计算机测试系统 的研制很有必要。 在合成回路试验中，电流信号的测量是很重要的。因为合成回路试验中的电压源和 延弧回路的投入的准确度与短路电流的过零点有直接的关系。电压源和延弧回路的投入 的准确度又直接反映了合成回路试验的等价性，甚至决定试验的成功与失败。 近年来，随着电力电子技术、半导体技术、计算机技术、传感器技术、光纤通信技 术的快速发展，使计算机测试技术在各个工业领域都有广泛的应用，这使得在合成回路 的信号测试中采用计算机测试技术成为可能。采用数据的光纤传输技术和光电隔离技术 可以很好地解决主回路与测试回路的隔离问题；对电流信号的零点检测可以通过采用模 数转换技术和c p 【d 技术达到预期的目的。 1 1 3 本文研究工作的意义 本文完成了合成回路试验中短路电流零点的计算机测试工作，这对于整个合成回路 试验的计算机控制系统的研制起到了十分重要的作用。被试断路器的断流容量试验须按 臣家标准及国际i e c 标准进行，所以对参与试验的各种设备的动作时f 田有严格的规定。 合成试验通常采用一步步的试验程序，要求断路器的触头在电流波的不同相位上分 离。该程序要求每种选相情况都在第一个电流零点施加恢复电压，如果在所有的试验中 断路器均开断，则试验有效，不需要再进行试验。万一重燃，则试验应当重做。这时， 在第一个电流零点投入延弧回路以保证继续燃弧，而电压回路则推后到第二个电流零点 施加。尚若再次发生重燃，只要燃弧时间尚未超出规定的范围，则可能需要在两个电流 2 沈阳工业大学硕士学位论文 零点处强迫延弧以作更多的试验。试验时延弧回路的投入必须是在短路电流零前几十微 秒投入，所以合成回路试验中短路电流零点的检测是合成回路信号测试中一个重要的测 试项耳。在合成回路试验零点检测计算机系统研制的过程中，用到了传感器技术、滤波 技术、模数转换技术和c f l d 技术。另外，在本文中还用到了v e f i l o g h d l 硬件编程语 言，这些都是计算机技术在测试系统中应用的具体体现。 由于合成回路试验要求在短路电流零前的十几n s 能够预测到电流过零的时间，加 之短路电流在非对称开断时又有很大的直流衰减分量，因此，零点预测是一项难点很大 的研究课题。本论文的研究工作是导师所承担的费国虎石台试验站“合成回路控制系统 及零点跟踪装置”课题的一部分，对提高合成试验的测控水平，保证试验成功和试验质 量有重要的实际意义。 1 2 合成回路计算机测试系统的国内外发展及现状 1 2 1 合成回路试验的研究动态 从3 0 年代开始，世界各国提出了多种合成回路方案，其中很多方案都申请了专 利，一些国家还建立了工业性或半工业性的合成回路实验站即。从6 0 年代初开始，为 了产品发展的需要，各国进行了广泛的试验研究，证明合成试验法对开断试验来讲是等 价的；很适用于型式试验和验收试验。由于合成试验法经济、灵活、对试品破坏性小以 及能按需要广泛调节t r v ，因此它是种更理想的研究工具。1 9 6 8 年c _ 1 7 a “高压 开关设备和控制设备”分委会决议以i e c 标准的形式推荐给各国使用。1 9 7 3 年作为 i c 的标准，在i e c - - 4 2 7 出版物上正式提出 霉，所以 q ，在这种情况下，在弧柱与冷气流的交界层上产生了涡 流，存在有强烈的热交换和质量交换。 单位长度弧柱的散热可以分为两部分：沿弧柱表面的径向散热q ，和气体轴向流动 时所带走的热量幺。研究结果指明，在大电流电弧时，弧柱中的瓯分子己完全分解为 单原子气体，这是在强烈吹弧的条件下，主要是体积冷却与轴向对流散热损失。当电流 减小时，体积冷却的作用减小，径向的热传导与热辐射散热的效应显著；当电流值接近 零时，电弧弧柱的截面可以收缩到很小的数值，此时，弧柱侧面散热面积虽相当小，但 散热面积对于体积的比值却大幅度增加，这时径向的熟传导损失占显著位置。 2 4 电弧电流过零前后的弧柱特性 描述电弧动态过程有各种方程式，用麦也尔方程来表示电弧电流过零期间的动态数 学模型，则与实际的情况能比较好的符合。因此假设气吹电弧电流过零期间的电弧动态 方程式为 面d 甲j # = 鲁一去砰 c 州， r = 煎1 学 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 式中一为电弧的热时间常数；q 为电弧的散热损失；u 为电弧电压；f 为电弧电流； r = “。i 。为电弧电阻。 常用电弧热时间常数来表示灭弧装置的开断能力，电弧热时间常数越小，开断能力 越强。但在同一灭弧装置中，热时间常数并不是常数，开断的电流大，则热时间常数也 大；离过零的瞬间越远，热时间常数越大。 下面分析电流过零前，电弧直径与电弧电阻的变化。当电流减小到4 0 a ( 零前 6 加“s ) ，由于舒：吹弧，侧面涡流的冲击强度较小，所以瓯电弧直径明显地减小， 电流密度有某些提高。在电流趋近于零时，在零前6 8us 之前，弧柱的电阻几乎不随 时间而变化，在零前6 | ls 之后，电流进一步减小，弧柱的电阻增加很快。s f o 气吹弧 柱由于涡流作用的冲击强度弱，再加上等离子体的磁压作用，在电流减小时，能使弧芯 保持很细很细的导电核心，直径随着电流下降而变小，几乎直到电流零点。零前约 o 2 5us 时，电导才降到零，电流停止。此时弧芯的温度约为4 0 0 0 k 。这种残余弧柱的 热惯性小，热时间常数小，使电流过零时电弧容易熄灭，从而增加s f , 断路器的开断能 力。 5 0 善4 0 簧3 0 望2 0 鬟1 0 1 ， ， 7 7 2 么 0 0 51 0 1 52 0 2 53 0 时闸t u z 图2 - 9s 玩及2 中纵吹灭弧室 在电流过零后的介质恢复强度 l 一瓯2 _ 2 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 舒：气吹电弧在电流过零后，剩余弧柱的截面小，复合作用快，复合过程的时间常 数约为1 0 4 秒。因此，可以说，在电弧电流过零之后，剩余弧柱的介质强度以很小的时 延恢复到某种程度的初始数值，然后再逐渐地增加到某极限值。瓯中的电弧弧后介 质强度恢复的性质，是其他气吹所无法相比的。图2 9 为s 吒中与2 中电弧在电流过零 后弧隙介质恢复强度的比较。由于剩余弧柱的介质强度高而且恢复得快，故舒：气吹断 路器的开断能力强，而且对恢复电压速度的敏感范围小。 2 5 小结 本章的主要工作如下： ( 1 ) 通过对合成回路试验的基本原理和工作过程的分析，可知电弧的熄灭是一个 复杂的过程，各种参考量相互制约。通过对短路开断电流的分析，确定了短路电流的计 算参数。 ( 2 ) 通过分析跹高压断路器的弧柱特性，可知在电流过零后弧隙介质恢复强度 很高，电弧容易熄灭。为考核断路器在第二半波和第三半波的灭弧性能，要求试验控制 回路能及时地在电弧电流熄灭的零点给延弧回路发出控制信号，这也为零点预测数字系 统的研制找n t 依据。 1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 3 合成回路短路电流零点检测系统的硬件设计 3 1 检测系统硬件的总傍布局 在合成试验过程中，短路电流通常很大，有时可高达数百千安，为此本设计采用 r o g o w s k i 线圈测量短路电流，经积分电路后，被测短路电流信号被转换成与之成正比 例的电压信号，再经滤波电路将短路电流中的高次谐波滤除，最后送入 d 转换器，进 而得到短路电流的离敌值，图3 - i 所示为短路电流测量电路原理框图。 图3 - l 短路电流测量电路原理框图 测试系统硬件分为三大部分。每个部分的具体选型都要考虑被测信号的频带、精度 及线性度等要求，以实现短路电流信号的不失真再现。下面就对各个主要环节：传感元 件部分、滤波部分、 d 转换部分设计进行详细地论述。 3 2 电流互感元件的选择 目前对大电流的测试中，常常采用分流器和电流互感器进行，利用分流器测量强电 流时，测量电流直接通过分流器，将在分流器内产生热效应和电动力效应，如果被测电 流达几十至几百千安时，会给分流器的设计和制造带来一定的困难。如果采用电流互感 器就可以解决上述问题，而且能够把测试电路和主电路隔离开来。对交流稳态电流的测 量，电流互感器具有很高的测量精度。通常电流互感器是带踟0 的，如把铷凸用非磁性 材料的骨架代替，则称为空心互感器，通常称为罗柯夫斯基线圈( r o g o w s k ic o i l ) 。带 钓心的电流互感器由于铁j b 的存在，产生了励磁电流，当励磁电流很大时，可使测量结 果明显失真，如果改用空心电流互感器，由于去掉了铷心，则既不存在励磁电流引起波 形失真问题，又保存了电流互感器的测量电路与主电路隔离的优点。垫c 、电流互感器与 被测电路没有直接的接触，可以方便地实现对高压回路的隔离测量，同时它具有从几a 1 8 到数百l ( 的测量范围油本设计采用垫b 电流互感器作为电流传感元件。 3 2 1 空心电澶互嬲的工作熏瑾 截面为圆形罗柯夫斯基线盈( p o g o w s k ic o i l ) 的结构如图3 - 2 所示将测量导线均 匀地绕在个截面均匀的非磁性材料的骨架e ，即可构成个罗柯夫斯基线圈。 图3 - 2 罗柯夫斯基线的结构原理圈 任何个随时问变化的电流东其周围会产生个随时问变化的磁场，如果将罗柯夫 斯基线圈包围在被测电流( ，) 的周围，刚磁场将在线圈的两出线嘴间感应个电势e ， 根据电磁感应原理可得 口：材睾(3-1) 罐 m = 烈( 口一、| 口2 6 2 ) ，( 3 - 2 ) 式中小蛳电流互感器一次舅绕组和二次侧绕组问的互感( h ) ； 2 空心电流互惑器二次钳巍组的匝敦l a ，b _ 也d 电流互感器的结构尺寸( ) 从式( 3 一1 ) 可知，与e 是微分关系，而不是正比关系因此e 的波形般不能代 表被测电流 的波形，相位相差。但如果把e 加以积分，则积分后的波形与 同相 1 9 - 沈阳工业大学硕士学位论文 其数值与成正比关系为此，测量系统必须增加积分珂耐r n 。 在涌量系统中增加一个积分环节，如图3 - 3 所示，图中r ，c 组成积分环节 田3 3 带积分环节的罗柯夫斯基线i 辱效电路 由圈3 - 3 可写出电路方程 t = f 鲁= 工鲁+ ( ，+ 观+ ( 3 - 3 ) 为简化分析，忽略在l 、r 上的压降，且如果r 和c 取值足够大( 般髓1 ) ，使式 ( 3 - 3 ) 中与如r 相比甚小，可得 气8 杜 ( 州) 葡 栌毛社 ( 3 - 5 ) 从式( 3 - 1 ) 、( 3 - 4 ) 和( 3 - 5 ) 可得 u o = 吉咖争= 告 c 郸， 根据式( 3 - 6 ) 可知t 誓廿与是正比关系，赦t g l t u o 的波形能代表试验电流的波形 在本文的设计中在电流互感器的= 次荫增加了积分环节由r 、c 组成的积分器 会增加舅量误差，为此在设计中采用有源积分器此有濠积分器为现成的产品，根据 淞电流的大小分4 个档次，由于试验电流范围是3 k a , - c 3 3 k a , 所以选择1 0 0 r c 档 输出电压与输入电流成线性正比例关系，当输入电流为1 0 0 k a 时。输出电压为l v 。 3 3 滤波曩i 脯t i l - 3 3 1 概述 在实际的合成回路中会含有一些谐波，如二次、三次、四次谐波等而实际的设计 2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 中，要求作为短路电流参数计算模块的输入采样电流必须只含有直流衰减分量和周期分 量，那些谐波会对短路电流参数的检测造成误差，从而不能准确地预测出短路电流的零 点。因此，设计一个高效的低通滤波器是准确地预测出短路电流零点的前提条件。 按滤波器中所采用的元器件分无源滤波器和有源滤波器两大类。前者仅由电感和电 容或电阻和电容组成，其电路简单，不需电源使用方便，但滤波效果差，电感l 的存在 导致体积大和产生电磁干扰等现象。有源滤波器的滤波效果好，对信号有放大作用，带 负载能力强，免除了电感所带来的问题。 本设计采用了单片集成化有源滤波器( m a x 2 9 2 c p a ) ，又称开关电容滤波器，它 由m o s 管开关电容和运放组合而成的。 3 3 2 低通滤波嚣m a x 2 9 2 c p a 的工作原理 ” 带通响应，较低的信号过调量和 图3 - 4m a x 2 9 2 c p a 的典型工作电路快速的信号处理。 芯片的特征 8 阶低通的贝塞尔滤波器( 图3 - 5 为8 阶梯形滤波网络) 可调时钟的截止频率范围：0 i h z 到2 5 k h z 时钟信号与截止频率的比率；1 0 0 ：l 低噪声：- 7 0 d b n d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) + n o i s e 由单电源+ 5 v 或双电源5 v 驱动 运行的温度范围：- 4 0 到8 5 - 2 1 粼懈叭蹴m一徘黼；耋姗 一一一一一 一一一一一 萝 沈阳工业大学硕士学位论文 h 图3 - 58 阶梯形滤波网络 芯片的时钟管脚信号驱动可以有两种方法实现，种为采用带有一个外部电容的内 部振荡器提供的时钟，或由外部时钟信号直接驱动。本设计中的截止频率f 。= 5 0 h z ， 因此时钟频率k = 5 k h z 。当用第一种方法实现时，与时钟管脚相连的电容决定了内部 振荡器的频率k ( k g z ) ，这时c c w = 6 7 0 0 p f 。 昂虻( 舰) = 丽l o s ( 3 7 ) 当用第二种方法实现时，时钟电路要与+ 5 vc m o s 相连。由于此滤波器已经设置好 固定的响应特性，因此，只需要根据所需要的截止频率来设置时钟频率，就能达到良好 的滤波效果。 低通滤波器( l p f ) 的功能是只允许小于某一特定频率f 。的信号通过，大于f 。的 信号被抑制掉。其中f f 。的频率范围叫阻带，f 。记作截止 频率。滤波器的基本要求是，在通带内要有平坦的幅频特性，从通带到阻带应具有十分 陡的衰减率。用衰减率大小来评价一个滤波器滤波效果的好坏。相对来讲，一阶滤波器 的衰减率为一2 0 d b d e c ，二阶滤波器的衰减率为一4 0 d b d e c ，但这样的衰减率使短路电 流经过滤波器后，所得到的截止频率的波形幅值相对与通带波形幅值不能忽略不记，使 采样短路电流还包含有谐波，造成了采样值的不准确。而m a x 2 9 2 的1 5 倍过渡比提供 了陡峭的衰减，使滤波器的衰减率达到了一7 8d b d e c 。完全可以满足设计需要。表3 - 1 为n x 2 9 2 的插入增益，其中f i n 表示输入波形的频率，f 。表示截止频率。由此表可以 看出，通带的插入增益很小，从通带过渡到阻带插入增益突然增加很大，表现出幅值有 陡峭的衰减。图3 - 6 描绘出截止频率f 。= 5 0 h z 的阻带不同频率所对应的插入增益变化 情况。 2 2 沈阳工业大学硕士学位论文 表3 - im a x 2 9 2 的插入增益 输入频率插入增益( d b ) ( f i n )m i nt y pm a x 0 3 8 1 f 。o 1 2一o 1 0一o 1 7 0 5 9 4f 。0 1 2o 0 20 1 7 0 7 5 9f 。0 1 2一o 1 1一o 1 7 0 8 6 6f 。o 1 20 3 30 1 7 0 9 3 9f 。0 1 2一o 1 10 1 7 0 9 9 3f 。0 1 2o 0 40 1 7 1 0 0 0f 。0 1 2o 0 10 1 7 1 5 0 0f 。- 7 57 8 1 6 1 0f 。- 8 0- 8 7 2 0 2 0f 。- 8 0- 8 4 4 0 2 0f 。- 8 0- 8 4 1 0 0 1 2 0 1 1 1 ，1 r 、 f 05 01 0 01 5 02 0 1 32 5 0 输入频率( h z ) 图3 - 6 截止频率厶= 5 0 h z 不同频率听对直的增益 3 4a d 转换器的设计 3 4 1 a d 转换器的分类 按转换电路结构和工作原理分类：并行比较型、分级型、逐次逼近型、跟踪计型、 2 3 沈阳工业大学磺士学位论文 积分型、压频转换墅和一型 本设计采用逐次逼近型。这种a d c 是用一个电压比较器将模拟输入电压与一个n 位 d a c 的输出电医进行比较，这个位d a c 的数字输入是由个逐次逼近寄存器提供的逐 次逼近寄存器在转换器的控涮电路下j 空制，从高位刭低位运位被置l 或清0 ，使d a c 的 输出电压逐步逼近模拟输入电压，经过n 次比较和逼近，最终逐次逼近寄存器中的数字 就是模数转换的结果这种 能以较低的制造成本获得较高的分辨率，因此在中、低 速应用场合得到广泛应用 3 4 2 d 转换工作屎理 l 运次逼近墅 图3 q 是运次逼近塑 d 转 换器的框图。它是一个具有反馈 回路的闭环系统，包括四个基本 部分：n 转换器、数码设定 器、电压比较器和控制器电路 的工作原理是由数码设定器给出 二进制数，经叭转换为模拟电 压v f ，这个反馈电压作为比较标 准电压，与输入的模掀电压v i 3 - 7 运次遥近型 d 转换嚣的框图比嘏 器中遗行比较，比较结果通 过控制器去惨正输入到d a 转换器的数字量这样逐次比较，直到加到比较器两个输 入端的模拟量十分接近为止，此时数码设定器输出的二进制致兢是对应于输入模拟量 的数字量它的转换精度主要取决于n 转换器和比较器两者的精度 2 采用电荷重分布技术的逐次逼近型 随着0 s 技术的不断发展，种以电荷为转换辅助量的新型逐次逼近墅a d 转换器 越多地被采用由于在l o s 电路中可以较容易地 b 蝴 出小容量的精密电容，而且，1 0 s 电路中的电容损耗极小，因此从集成电路制造工艺的角度，以电容阵列为基础的、采用 电荷重分布技术的逼近型a d c 是高效和经济的。 2 4 - 沈阳工业大学硕士学位论文 电荷重分布式逼近型a d c 的结构比传统逼近型a d c 要简单，不再需要完整的模数转 换器作为核心。由于在m o s 电路中控制电容网络各电容的相对精度要比传统逼近型a o c 中控制精度电阻的相对精度容易，因此，电荷重分布式逼近型a d c 的实现是经济的。另 外，因为电容网络直接使用电荷作为转换参量，这些电容已经起到了采样电容的作用， 所以，在些电荷重分布式逼近型a d c 的应用中可以不必另加采样保持器。特别是由于 使用电容网络代替了电阻网络，消除了电阻网络中因温度变化及激光修调不当引起的阻 值失调，从而很大程度上克服了由此所导致的线性误差。 3 4 _ 31 6 位1 0 0 k s p s 采样模数转换器柏6 7 6 1 主要特点 本设计采用了1 6 位1 0 0 k s p s 采样模数转换器a d 6 7 6 ，图3 - 8 是a d 6 7 6 的内部结构 框图。 v i h - 筑 m ， c “ 5 肿l e c l k 篱 孽爱l l 严；蛆l 廿 1 馓代码b “ 1 控椰b k 1li “ b 硝t b m b h l 6 图3 - 8a d 6 7 6 的内部结构框图 a d 6 7 6 是逐次逼近型通用1 6 位a d c 。它与传统的逐次逼近型a d c 有所不同，采用开 关电容电荷重分布技术代替了传统的倒梯形电阻网络结构。这种技术消除了倒梯形电 阻网络结构中电阻值的温度漂移和不匹配造成的误差，并且在没有单独的采样保持电 路的情况下具备采样保持器的功能。由内部结构框图可以看出，a d 6 7 6 除具有传统的 逐次逼近型a d c 的比较器、数模转换器、逐次逼近寄存器s a r 和转换控制逻辑部件外， 一2 5 沈阳工业大学硕士学位论文 还有微控制器、算术逻辑单元a 埘、存储器r 脚和校准数模转换器c a i d c 等部件。 a d 6 7 6 片内的自动校准消除了内部的非线性误差，使器件达到最佳的性能。 a d 6 7 6 由两片集成硅片组成。片是数字控制芯片，采用a n a l o gd e v i c e sd s p q 1 0 s 工艺制成；另一片是模数转换芯片，采用b i 啪s 工艺制造；是1 6 位并行接口输 出其转换速率为i o o k s p s ( 总转换时间是1 0 i i s ) 。 2 d 6 7 6 的引廊说明 a d 6 7 6 采用2 8 脚双列直插的陶瓷( c e r a m i cd i p ) 封装，图3 - 9 是a d 6 7 6 的引脚捧 列图，下面对各引脚功能进行说明。 d 0 7 0 是塞 圈3 - 9a i x 7 6 的引罩瓣列圈 圪。是a i ) 6 7 6 的参考电压输 引脚这个引脚的输入电压确定a d 6 7 6 模拟电压的 输入范围由于采样电流经过罗柯夫斯基线朋和积分器，变为2 v 的电压信号，而 m a x 2 9 3 的增益为1 5 。所以 7 6 的输入电压在士3 v 左右这样本设计中的a d 6 7 6 的 参考电医确定为+ 5 v 转换器在逐次逼近过程中，开关电容是变化的， 沩7 6 是开关电 容阵列在参考电压端表现为动态变化的电流负载特性这就要求采用低输出阻抗、低噪 声的参考源，使得在负载电流变化时，参考源的输出电压保持稳定图3 一1 0 给出了参 考源电路。图中a d 5 8 6 是低成本、低噪声和低漂移的+ 5 、r 电压参考源。电容c ，用来降低 2 6 引m叶啪州叭吣槲吣 埘 旺 口写 e 日 强 岂誉 ；|l=涨| 沈阳工业大学硕士学位论文 a d 5 8 6 输出的宽带噪声，参考端p z ，与模拟地a g n d 之间的电容用来减小参考源内阻， 这个电容采用1 0 - - - 4 7uf 高质量的电容。 图3 1 0 口为5 v 的参考电路 是a d 6 7 6 的模拟输入电压引脚，输入电压范围为。在大多数应用场合， a d 6 7 6 d 模拟输入需要采用外部运算放大器来驱动。但是，由于在一般的负载条件下， 就a d 6 7 6 的性能而言，大多数运算放大器并不能满足对低失真的要求，因此，在选择运 算放大器时要特别谨慎。图3 一1 1 给出了采用a d 8 4 5 运算放大器驱动a d 6 7 6 的电路图。 这个电路适用于低噪声、低失真的交流应用。 1 k r 3 群1 2 v c 1 l + 图3 - 1 1a d 8 4 5 运算放大器驱动a d 6 7 6 的电路图 3a d 6 7 6 的自动校准及时序 a d 6 7 6 的自动校准功能在用户不作任何调整的情况下，能消除芯片内部的零位误差 2 7 叫叶叶叮哪叫眦咐附呲 m 跳 6 孙 删 岂崔 孵洲蹴删!| 1 诅耐l 毹 和由于电容不匹配造成的误差。a d 6 7 6 必须进行自动校准，否则其精度可能只有l o 位 在自动校准时，a d 6 7 6 内部将模拟输入与模拟信号地引脚相连，测量输入电路的零 位误差，并将涓量结果存储在p a l l 中然后，对代表最高有效位的电容充电电容的两 靖电压充到参考电压接着，将最高有效位电容上存储的电荷转移斟电容量与之相等， 由暴i 余的全部低数据位组成的电容上电荷转移前最高有效位电容上的电压与电荷转移 后低敷据位电容上的电压的差异代表了两种电容容量上的偏差由个校准毁慎转换器 输出恰当的误差枝淮电压。消除由于电容容量造成的电压误差，这个校准系数也被存储 在r 埘中随后，对代表次高位数据的电容进行e 述校准过程，直到代表高9 位数据的 电容都校准完毕为止r 腿中存锗的校准系数用于在转换时校准转换结果 c a l 瞰 毗门f 1f 1f i 几门几几几n 几n 厂 l i + i 篮 图3 1 2 , 如6 7 6 的自动授准时序图 图3 - 1 2 是, d 6 7 6 的自动校准时序图当校准控制输入c 2 d 变为高电平时，内部电 路复位，延迟时间后，b u s y 输出高电平c a l 是异步的硬件复位，它终止任何当前 进行的校准或转换过程c a l 的下降沿启动自动校准过程，a i ) 6 7 6 的自动校准需要 8 5 5 3 0 个时钟周期在自动梭准结束时，b u s y 变为低电平在自动校准期间s 婵l e 应保持低电平在大多毅应用场合，a d 6 7 6 只需要上电时进行一次自动授准在这种场 合，进行自动校准时。必须保证电源电匿和参考电压已经稳定a d 6 7 6 的c l 校准控制 输入由c p l d 绽程来实现，待上电稳定后，由g ：，l d 输出c l 波形，来完成自动校准过 2 8 沈阳工业大学硕士学位论文 程。图3 - 1 3 表示c a l 和c p l d 控制脉冲的时序关系，其中控制脉冲的频率为1 删z ，c a l 的高电平的持续时间为1us ，满足其最小值5 0 n s 的设计要求。 图3 1 3c a l 和c p l d 控制脉冲的时序关系 4a d 6 7 6 的转换控制和时序 图3 1 4 表示a d 6 7 6 的转换时序。s a m p l e 既是采样控制信号，又是转换控制信号。 在s a m p l e 为高电平时，a d c 对模拟输入进行采样，在s a m p l e 的下降沿，模拟输入 端与内部电容阵列断开，开始对s a m p l e 下降沿后一个孔径时间的模拟输入电压进行转 换。在s a m p l e 下降沿后，状态信号b u s y 输出高电平，指示正在处于转换过程当中，转 换过程需要1 7 个时钟周期。转换过程结束，b u s y 输出低电平，转换结果在b r r i - b i t l 6 数据输出引脚上有效，在新的转换结束之前，b i t i - b i t l 6 数据输出始终保持不变。 s 脚即l e c l k b u s y 上次转换结果 图3 1 4a d 6 7 6 的转换时序 2 9 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 1 5s a m p l e ( s ) 和控制脉冲c k 的时序关系 a d 6 7 6 的s a m p l e 控制输入由c p l d 编程来实现。待自动校准后，开始对短路电流进 行采样，采样周期为1 m s ，设计要求其采样时间至少为2us 。图3 - 1 5 表示s a m p l e 和 c p l d 控制脉冲c k 的时序关系，其中控制脉冲的频率为1 姗z ，s a m p l e 的高电平的持续 时间为1 0us ，满足其最小值的设计要求。 3 5 小结 本章内容是合成回路试验零点预测数字系统的硬件部分，主要包括以下主要内容： ( 1 ) 电流传感元件电路的设计，该部分电流与电压信号有较高的线性度。 ( 2 ) 滤波电路的设计，该部分能够滤除合成回路试验中短路电流的高次谐波，从 而使合成回路零点预测系统的输入量只含有直流衰减分量和周期分量。 ( 3 ) a d 转换器的设计，采用1 6 位1 0 0 k s p s 采样模数转换器a d 6 7 6 ，保证了合成 回路零点预测系统的精度。 3 0 ， 沈阳工业大学硕士学位论文 4 应用c p l d 技术实现数字滤波的原理 c p l d ( c a m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 技术是将硬件和软件高度渗透在一起 组成数字系统，具有先进的技术性能和可编程的开发环境及结构、密度、功能、速度等 方面的优势。本文采用c p l d 技术实现了短路电流的数字化澳i 量和零点预测，选用的是 a l t e r a 公司的f l e x1 0 k 系列器件，采用i i a x + p l u si i 工具软件对其开发。设计中采用 改进快速傅立叶算法( i m p r o v e df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n s ，i w r ) 分解短路电 流。 4 1 c p l d 技术的介绍及应用 4 1 1 可编程逻辑器件的发展历程 当今社会是信息社会，而信息社会最显著的标志就是数字化，是数字集成电路广泛 应用的社会。数字集成电路从小规模集成电路( s s i c ) 、中规模集成电路( m s i c ) 、 大规模集成电路( l s i c ) 、发展到超大规模集成电路( v l s i c ) 以及具有特定功能的专 业集成电路。微处理器、存储器和数字逻辑是当前数字集成电路的三大领域，随着微电 子技术及亚微米工艺的发展，近年来专业集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 以其强大的功能和优良的特性迅速发展，在其闯世不久，就受 到世界范围内电子工程设计人员的极大青睐和普遍欢迎。与此同时，系统设计者要求自 行设计专业集成电路芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好能在实验室里就 能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中。在这种情况下，出现了现场 可编辑逻辑器件f p l d ，其中，应用最为广泛的是现场可编辑门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a 岫a b l eg a t e sa r r a y ) 和复