CN107666300B - 基于模数转换器的信号滤波处理比对系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，包括信号源、分别与信号源连接的电压跟随器、滤波器、信号调理电路和AD转换器以及PC机；滤波器包括无源低通滤波器和多阶有源贝塞尔低通滤波器；第一电压跟随器不进行滤波处理直接连接第一信号调理电路，第二电压跟随器经过无源低通滤波器后连接第二信号调理电路，第三电压跟随器经过多阶有源贝塞尔低通滤波器后连接第三信号调理电路，三路信号调理电路分别与AD转换器连接，AD转换器输出的数字信号上传给PC机。本发明可对同一仿真干扰信号经过不同滤波方式处理后的效果进行比较分析，并最终获得电子式互感器采集单元应对接地网干扰的有效措施。
Description
技术领域
本发明涉及智能变电站领域，具体涉及一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统。
背景技术
智能变电站中对隔离开关、断路器进行操作或隔离开关、断路器发生接地故障时，电压迅速跌落所产生的阶跃电压行波的折射与反射电压的叠加会形成快速暂态过电压VFTO，VFTO含有频率相当高的谐波分量，可达到几十甚至上百兆赫兹，并通过接地网以及信号线等途径影响到电子式互感器前端的采集单元造成干扰，导致采集单元工作出现异常、复位、甚至可能导致采集器损坏，从而影响到整个系统的稳定运行。目前各厂家电子式互感器采集单元并没有较为可靠的抗干扰措施，对于电子式互感器采集单元接地网干扰的机理和表现形式也没有较为有效的分析结果。
对干扰信号进行滤波处理可以有效应提升电子式互感器抗干扰的能力，但何种滤波方式处理后的效果较好，需要对滤波结果进行比较分析，因此本发明提供一种信号滤波处理比对系统来对滤波处理结果进行分析研究。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，该系统可用于对同一仿真干扰信号经过不同滤波方式处理后的效果进行比较分析，并最终获得电子式互感器采集单元应对接地网干扰的有效措施，该系统也可以应用于其他场合需要对模拟信号进行滤波处理的分析研究。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征在于，包括信号源、与信号源分别连接的电压跟随器、滤波器、信号调理电路和AD转换器以及PC机；所述电压跟随器包括第一电压跟随器B、第二电压跟随器C、第三电压跟随器D；所述信号调理电路包括第一信号调理电路、第二信号调理电路和第三信号调理电路；所述滤波器包括无源低通滤波器和多阶有源贝塞尔低通滤波器；所述第一电压跟随器不进行滤波处理直接连接第一信号调理电路，所述第二电压跟随器经过无源低通滤波器后连接第二信号调理电路，所述第三电压跟随器经过多阶有源贝塞尔低通滤波器后连接第三信号调理电路，三路信号调理电路分别与AD转换器连接，所述AD转换器输出的数字信号上传给PC机。
前述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述信号调理电路用于将输入的单端信号转换成差分信号。
前述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述信号调理电路包括：二级运算放大器、基准电压源；输入信号VIN经电阻R1与运算放大器OP1的反向输入端口连接，运算放大器OP1的反向输入端口经电阻R2后连接OP1的输出端口，电阻R2两端并联电容C30；运算放大器OP1的输出端口经电阻R12连接到正向差分输出端VO+，VO+经电容C12后接地；运算放大器OP1的输出端口经电阻R7与运算放大器OP2的反向输入端口连接，运算放大器OP2的反向输入端口经电阻R8后连接OP2的输出端口，运算放大器OP2的输出端口经电阻R11连接到反向差分输出VO-，VO-经电容C12后接地；
基准电压源的电源输入端口VIN连接+12V电源，接地端口GND接地，基准电压源的电源输入端口VIN和接地端口GND之间并联电容C4和C21，用于对电源去耦；基准电压源的输出端口VOUT经电容C3后接地，基准电压源的输出端口VOUT经电阻R6后连接到运算放大器OP1的正向输入端口，运算放大器OP1的正向输入端口分别经电容C1和电阻R5后接地；基准电压源的输出端口VOUT连接到电阻R4，再经电阻R9后连接到运算放大器OP2的正向输入端口，电阻R4和电阻R9的连接端分别经电容C2和电阻R3后接地。
前述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述运算放大器OP1、OP2均采用高速运放AD8021，所述基准电压源采用ADR425。
前述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述电压跟随器采用ADI公司的ADA4899-1高速运算放大器。
前述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述无源低通滤波器采用二阶RC低通滤波器。
前述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述AD转换器采用TI公司的ADS5263模数转换器对信号进行采样。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明可通过对可调电阻、电容元件的调节，调整滤波器的参数，可方便快速的获得有效的滤波方案；
(2)本发明采用多通道高速AD转换器进行信号采集，采样速率最高可达100M，从而保证对高频信号的采集不会失真，能够满足对智能变电站的高频干扰信号进行滤波效果的分析；
(3)本发明具有较高的采样精度和信噪比；
(4)本发明可对同一仿真干扰信号经过不同滤波方式处理后的效果进行比较分析，并最终获得电子式互感器采集单元应对接地网干扰的有效措施。
附图说明
图1是本发明电路原理框图；
图2信号调理电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，包括信号源、与信号源分别连接的三个电压跟随器、滤波器、信号调理电路和AD(模数)转换电路以及与AD转换电路连接的PC机；所述电压跟随器包括第一电压跟随器B、第二电压跟随器C、第三电压跟随器D；所述信号调理电路包括第一信号调理电路、第二信号调理电路和第三信号调理电路；所述滤波器包括无源低通滤波器和多阶有源贝塞尔低通滤波器；所述第一电压跟随器不进行滤波处理直接连接第一信号调理电路，所述第二电压跟随器经过无源低通滤波器后连接第二信号调理电路，所述第三电压跟随器经过多阶有源贝塞尔低通滤波器后连接第三信号调理电路，三路信号调理电路分别与模数转换电路连接。
信号源用于产生模拟接地网干扰的仿真信号，可以为通用的可编程任意波形发生器或者专用的针对智能变电站接地网干扰开发的干扰信号发生器。
三路电压跟随器用于将信号源发送的仿真干扰信号复制成三路相互隔离的独立信号，分别进行后续滤波或不滤波处理；电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
为满足测试要求并获得理想的测试效果，用于对信号源进行复制的电压跟随器应具有高的信号带宽及低噪声的性能，作为优选方案，电压跟随器采用ADI公司的ADA4899-1高速运算放大器，该放大器具有最大600MHz的频率响应范围，10MHz时谐波失真能达到86dBc，可以满足几十兆量级的接地网干扰的仿真信号的测试需求。
无源低通滤波器采用二阶RC低通滤波器。
多阶有源贝塞尔低通滤波器采用Sallen Key电路串联实现，电路中所使用的阻容元件都是可调阻容值的精密器件，可满足在实际测试分析中对滤波器的阶数和滤波参数进行灵活调整。可通过对可调电阻、电容元件的调节，调整滤波器的参数，可方便快速的获得有效的滤波方案；
信号调理电路用于对滤波器或电压跟随器输出的信号进行信号调理，将模拟接地网干扰的仿真单端信号，转化为差分信号。
如图2所示，信号调理电路包括：二级运算放大器、基准电压源ADR425。输入信号VIN经电阻R1与运算放大器OP1的反向输入端口连接，运算放大器OP1的反向输入端口经电阻R2后连接OP1的输出端口，电阻R2两端并联电容C30；运算放大器OP1的输出端口经电阻R12连接到正向差分输出端VO+，VO+经电容C12后接地；运算放大器OP1的输出端口经电阻R7与运算放大器OP2的反向输入端口连接，运算放大器OP2的反向输入端口经电阻R8后连接OP2的输出端口，运算放大器OP2的输出端口经电阻R11连接到反向差分输出VO-，VO-经电容C12后接地。
基准电压源ADR425的电源输入端口VIN连接+12V电源，接地端口GND接地，基准电压源的电源输入端口VIN和接地端口GND之间并联电容C4和C21，用于对电源去耦；基准电压源的输出端口VOUT经电容C3后接地，基准电压源的输出端口VOUT经电阻R6后连接到运算放大器OP1的正向输入端口，运算放大器OP1的正向输入端口分别经电容C1和电阻R5后接地；基准电压源的输出端口VOUT连接到电阻R4，再经电阻R9后连接到运算放大器OP2的正向输入端口，电阻R4和电阻R9的连接端分别经电容C2和电阻R3后接地。
运算放大器OP1、OP2均采用高速运放AD8021。运算放大器OP1做比例运算，用于提供正向差分输出信号，电阻R1和电阻R2用于设置输入范围与AD转换器基准电压VREF的衰减比，R1阻值为4.02kΩ，R2阻值为1kΩ，基准电压VREF为5V，从而保证了±10V输入范围。运算放大器OP2作为反向器将运算放大器OP1的输出信号进行反转，从而产生反向差分输出信号。R7、R8用于调节正向和反向差分输出信号的幅值比，R7、R8阻值均为1kΩ；R9用于防止运算放大器OP2的输入失调，其阻值为500Ω。
基准电压源为：ADR425，基准电压VREF由基准电压源提供。ADR425具有超高的精度和稳定度以及低噪声的特性，其输出不需要缓冲，因此只需一个0.1uF的电容C3进行去耦处理。电阻R3和电阻R4用于设置反向差分输出VO-的共模电压，电阻R5和电阻R6用于设置正向差分输出VO+的共模电压，该共模电压应接近基准电压VREF的一半。本发明中，电阻R3阻值为8.45kΩ，电阻R4阻值为11.8kΩ，电阻R5阻值为10.4kΩ，电阻R6阻值为9.76kΩ。在差分输出信号VO-及VO+之前分别增加由电阻R11、电容C11以及电阻R12、电容C12构成的滤波器，可进一步提升信号调理电路的降噪能力。
高速AD转换电路用于对经过信号调理电路后的多组电压信号进行采集并转换成数字量发送给上位PC机，在PC机上绘制出波形进行比对分析。
高速AD转换电路采用TI公司的ADS5263模数转换器对信号进行采样。ADS5263具有16位的分辨率，4通道同步采样，差分输入，最大100M的采样速率等特性，可满足同时对3路经过滤波处理的信号进行采样。由于模拟接地网干扰仿真信号为单端信号，而ADS5263转换器的模拟信号接口为差分输入，因此需要经过信号调理将单端信号转化为差分信号供ADS5263转换器采集。
本发明可通过对可调电阻、电容元件的调节，调整滤波器的参数，可方便快速的获得有效的滤波方案；本发明采用多通道高速AD转换器进行信号采集，采样速率最高可达100M，从而保证对高频信号的采集不会失真，能够满足对智能变电站的高频干扰信号进行滤波效果的分析；本发明具有较高的采样精度和信噪比；本发明可对同一仿真干扰信号经过不同滤波方式处理后的效果进行比较分析，并最终获得电子式互感器采集单元应对接地网干扰的有效措施。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征在于，包括信号源、与信号源分别连接的电压跟随器、滤波器、信号调理电路和AD转换器以及PC机；所述信号源用于产生模拟接地网干扰的仿真信号，所述信号源为可编程任意波形发生器或者干扰信号发生器；所述电压跟随器包括第一电压跟随器B、第二电压跟随器C、第三电压跟随器D；所述信号调理电路包括第一信号调理电路、第二信号调理电路和第三信号调理电路；所述滤波器包括无源低通滤波器和多阶有源贝塞尔低通滤波器；所述第一电压跟随器不进行滤波处理直接连接第一信号调理电路，所述第二电压跟随器经过无源低通滤波器后连接第二信号调理电路，所述第三电压跟随器经过多阶有源贝塞尔低通滤波器后连接第三信号调理电路，三路信号调理电路分别与AD转换器连接，所述AD转换器输出的数字信号上传给PC机；
所述信号调理电路包括：二级运算放大器、基准电压源；输入信号VIN经电阻R1与运算放大器OP1的反向输入端口连接，运算放大器OP1的反向输入端口经电阻R2后连接OP1的输出端口，电阻R2两端并联电容C30；运算放大器OP1的输出端口经电阻R12连接到正向差分输出端VO+，VO+经电容C12后接地；运算放大器OP1的输出端口经电阻R7与运算放大器OP2的反向输入端口连接，运算放大器OP2的反向输入端口经电阻R8后连接OP2的输出端口，运算放大器OP2的输出端口经电阻R11连接到反向差分输出VO-，VO-经电容C12后接地；
基准电压源的电源输入端口VIN连接+12V电源，接地端口GND接地，基准电压源的电源输入端口VIN和接地端口GND之间并联电容C4和C21，用于对电源去耦；基准电压源的输出端口VOUT经电容C3后接地，基准电压源的输出端口VOUT经电阻R6后连接到运算放大器OP1的正向输入端口，运算放大器OP1的正向输入端口分别经电容C1和电阻R5后接地；基准电压源的输出端口VOUT连接到电阻R4，再经电阻R9后连接到运算放大器OP2的正向输入端口，电阻R4和电阻R9的连接端分别经电容C2和电阻R3后接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述信号调理电路用于将输入的单端信号转换成差分信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述运算放大器OP1、OP2均采用高速运放AD8021，所述基准电压源采用ADR425。
4.根据权利要求1所述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述电压跟随器采用ADI公司的ADA4899-1高速运算放大器。
5.根据权利要求1所述的一种基于模数转换器的信号滤波处理比对系统，其特征是：所述无源低通滤波器采用二阶RC低通滤波器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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