CN109525212A - 一种智能化扫描信号处理单元及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能化扫描信号处理单元及工作方法，本发明设置有一个四阶高通滤波器、三个二阶高通滤波器和三个放大器，能够输出四种不同增益的信号，通过四选一选通开关选取合适的增益的信号进行导出，通过单端/双端转换的电路将增益后的信号转换成差分信号，送入下游电路；本发明通过多次滤波和增益，能够对不同幅值的信号配以合适的增益，起到压缩ADC模块输入信号幅值动态范围的作用，能够抑制工频及其高次谐波的干扰，得到有用正弦信号。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术信号处理领域，具体涉及一种智能化扫描信号处理单元及工作方法。
背景技术
随着电力能源互联网的深入发展，电能替代在更多领域推进，人类文明对电能的依赖只会不断增强。少停电或者不停电，提高供电可靠性，对于提高客户用电体验和保障现在工业体系持续稳定运行意义重大，对于电力市场发展也将产生深远影响。绕组变形故障作为变压器主要故障之一，国家电力发展“2016~2020”规划指出构建“互联网+”智能电网，加强系统集成优化，改进调度运行方式，提高电力系统效率，大力推进科技装备创新，推广应用在线监测、状态诊断系统。
目前在实际工程应用中，频率响应法得到了较大规模的应用，但一般均采用低电压、离线测试的方法；另外，测试设备集成度不高，比如测试信号激励源、模数转换、信号传输、数据处理等都需要不同设备实现；测试过程复杂，测试过程中需要测试人员配合操作记录数据，不够智能化。当前市场上变压器绕组变形测试仪的价格较为昂贵且停电检修每年的变压器维护成本极高，而我国近年来随着经济的高速发展，越来越重视安全生产问题，尤其是在绕组变形故障发生前就对其进行检修，能够大大减小故障损失。
传统的监测方法需要变压器停止运行，并且需要拆解变压器上的接线等负载，所以导致需要多位技术人员进行现场操作，每次只能对一个单绕组进行检测，过程比较缓慢，这样低的检测效率带来长时间的停电维护，只会增加更多的经营损失，并且现有的配套离线监测的设备，无法及时监测变压器绕组的状态，并对变压器运行的状况做出预估，对有计划安排检修有效减少变压器故障发生率的措施实施起来带来了不便。
在线监测系统处在非常复杂的电磁环境下，监测信号在产生、传输与处理的各个环节中，都会不可避免地引入一些干扰信号，因此经过变压器绕组的信号中会掺杂各种各样的干扰信号，要从受干扰的信号中提取出反映绕组变形的有用信号，特别是在线监测的环境下，现场试验表明感应出来的反应绕组变形的有效信号幅值极小且掺杂有丰富的高幅值电磁噪声，故需要高精度、高灵敏度以实现在线准确有效的监测。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种智能化扫描信号处理单元及工作方法，能够抑制工频及其高次谐波的干扰，得到有用正弦信号。
为了达到上述目的，一种智能化扫描信号处理单元，包括接收信号的四阶高通滤波器，四阶高通滤波器连接二选一选通开关，二选一选通开关的输出端连接串联的三个二阶高通滤波器和四选一选通开关，每个二阶高通滤波器的后端均设置有放大器，每个放大器的输出端均接入四选一选通开关，四选一选通开关的输出端连接单端/双端转换电路，单端/双端转换电路的连接ADC模块，ADC模块连接反馈模块；
反馈模块用于将采集ADC模块的数据，与阈值进行对比，并生成控制信号，控制四选一选通开关的选值。
四阶高通滤波器的前端设置有缓冲器，四阶高通滤波器与首端的二阶高通滤波器间设置有缓冲器，四选一选通开关与单端/双端转换电路间设置有缓冲器。
三个放大器的增益根据需要进行选取，三个放大器的总增益不大于所需信号强度的最大值，不小于所需信号强度的最小值。
ADC模块采用ADI公司的AD9238芯片。
一种智能化扫描信号处理单元的工作方法，包括以下步骤：
步骤一，信号进入四阶高通滤波器进行滤波，滤波后的信号进入二选一选通开关；
步骤二，二选一选通开关送出符合要求的信号至四选一选通开关以及二阶高通滤波器中；
步骤三，二阶高通滤波器对信号进行滤波后，将信号发送至放大器中进行放大；
步骤四，放大后的信号送入四选一选通开关中；
步骤五，四选一选通开关根据反馈模块发送的控制信号，选通所需信号至单端/双端转换电路；
步骤六，单端/双端转换的电路将信号转换成差分信号，并送入ADC模块中；
步骤七，反馈模块持续采集ADC模块中差分信号，与阈值进行对比，根据对比结果选通四选一选通开关对应的信号。
步骤七中，反馈模块的工作过程具体如下：
第一步，持续采集ADC模块中的数据，并统计溢出点数；
第二步，将溢出点数与阈值对比，若溢出点数未超出阈值，则维持现行控制方案；若溢出点数高于阈值，则控制四选一选通开关选取通过低一级放大器的信号进行导通；若溢出点数低于阈值，则控制四选一选通开关选取通过高一级放大器的信号进行导通。
与现有技术相比，本发明设置有一个四阶高通滤波器、三个二阶高通滤波器和三个放大器，能够输出四种不同增益的信号，通过四选一选通开关选取合适的增益的信号进行导出，通过单端/双端转换的电路将增益后的信号转换成差分信号，送入下游电路；本发明通过多次滤波和增益，能够对不同幅值的信号配以合适的增益，起到压缩ADC模块输入信号幅值动态范围的作用，能够抑制工频及其高次谐波的干扰，得到有用正弦信号。
本发明的方法首先经过四阶高通滤波器进入二选一选通开关，之后通过三个带有二阶高通滤波器的放大器进入四选一选通开关，四选一选通开关通过反馈模块进行控制，信号被单端/ 双端信号转换模块转换成差分信号，被之后的ADC模块采样，反馈模块根据收到的差分信号控制四选一选通开关的选通，整个数据采集模块工作完成。本方法能够实时调整输入单端/双端转换的电路的信号增益，能够分离出极小的电磁噪声，具有高精度和高灵敏度特点。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的电路图；
图3为本发明中反馈模块的工作流程图；
图4为本发明中ADC模块采集的数据图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，一种智能化扫描信号处理单元，包括接收信号的四阶高通滤波器，四阶高通滤波器连接二选一选通开关，二选一选通开关的输出端连接串联的三个二阶高通滤波器和四选一选通开关，每个二阶高通滤波器的后端均设置有放大器，每个放大器的输出端均接入四选一选通开关，四选一选通开关的输出端连接单端/双端转换电路，单端/双端转换电路的连接 ADC模块，ADC模块连接反馈模块，四阶高通滤波器的前端设置有缓冲器，四阶高通滤波器与首端的二阶高通滤波器间设置有缓冲器，四选一选通开关与单端/双端转换电路间设置有缓冲器；
反馈模块用于将采集ADC模块的数据，与阈值进行对比，并生成控制信号，控制四选一选通开关的选值。
优选的，三个放大器的增益根据需要进行选取，三个放大器的总增益不大于所需信号强度的最大值，不小于所需信号强度的最小值。
优选的，ADC模块采用ADI公司的AD9238芯片，本芯片为12位的、速度高达20MSPS模数转换芯片。
参见图1和图3，一种智能化扫描信号处理单元的工作方法，包括以下步骤：
步骤一，信号进入四阶高通滤波器进行滤波，滤波后的信号进入二选一选通开关；
步骤二，二选一选通开关送出符合要求的信号至四选一选通开关以及二阶高通滤波器中；
步骤三，二阶高通滤波器对信号进行滤波后，将信号发送至放大器中进行放大；
步骤四，放大后的信号送入四选一选通开关中，四选一选通开关置于最高档；
步骤五，四选一选通开关根据反馈模块发送的控制信号，选通所需信号至单端/双端转换电路；
步骤六，单端/双端转换的电路将信号转换成差分信号，并送入ADC模块中；
步骤七，反馈模块持续采集ADC模块中差分信号，与阈值进行对比，根据对比结果选通四选一选通开关对应的信号。
反馈模块的工作过程具体如下：
第一步，持续采集ADC模块中的数据，统计总采集点数N和溢出点数，每当采集点数N 达到100点，判断溢出点数是否超过8个点；
第二步，将溢出点数与阈值8个进行对比，若溢出点数未超出阈值，则维持现行控制方案；若溢出点数高于阈值，则控制四选一选通开关选取通过低一级放大器的信号进行导通；若溢出点数低于阈值，则控制四选一选通开关选取通过高一级放大器的信号进行导通。
图4是ADC模块采集的数据在逻辑分析仪上的显示图。在图4(a)中，本发明的增益设置为最高，由逻辑分析仪观察到正弦波形的波峰和波谷位置非常平坦，显然ADC模块采样数据溢出。图4(b)为本发明降低一档后的效果，依然可以看到，正弦波形是畸形的。继续对可编程增益放大器降档，并用逻辑分析仪观察，如图4(c)所示。可以看到，此时正弦波形变得十分光滑平顺，输入电压满足ADC模块量程范围，则本发明停留在此档采样。
Claims (6)
1.一种智能化扫描信号处理单元，其特征在于，包括接收信号的四阶高通滤波器，四阶高通滤波器连接二选一选通开关，二选一选通开关的输出端连接串联的三个二阶高通滤波器和四选一选通开关，每个二阶高通滤波器的后端均设置有放大器，每个放大器的输出端均接入四选一选通开关，四选一选通开关的输出端连接单端/双端转换电路，单端/双端转换电路的连接ADC模块，ADC模块连接反馈模块；
反馈模块用于将采集ADC模块的数据，与阈值进行对比，并生成控制信号，控制四选一选通开关的选值。
2.根据权利要求1所述的一种智能化扫描信号处理单元，其特征在于，四阶高通滤波器的前端设置有缓冲器，四阶高通滤波器与首端的二阶高通滤波器间设置有缓冲器，四选一选通开关与单端/双端转换电路间设置有缓冲器。
3.根据权利要求1所述的一种智能化扫描信号处理单元，其特征在于，三个放大器的增益根据需要进行选取，三个放大器的总增益不大于所需信号强度的最大值，不小于所需信号强度的最小值。
4.根据权利要求1所述的一种智能化扫描信号处理单元，其特征在于，ADC模块采用ADI公司的AD9238芯片。
5.权利要求1所述的一种智能化扫描信号处理单元的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，信号进入四阶高通滤波器进行滤波，滤波后的信号进入二选一选通开关；
步骤二，二选一选通开关送出符合要求的信号至四选一选通开关以及二阶高通滤波器中；
步骤三，二阶高通滤波器对信号进行滤波后，将信号发送至放大器中进行放大；
步骤四，放大后的信号送入四选一选通开关中；
步骤五，四选一选通开关根据反馈模块发送的控制信号，选通所需信号至单端/双端转换电路；
步骤六，单端/双端转换的电路将信号转换成差分信号，并送入ADC模块中；
步骤七，反馈模块持续采集ADC模块中差分信号，与阈值进行对比，根据对比结果选通四选一选通开关对应的信号。
6.根据权利要求1所述的一种智能化扫描信号处理单元的工作方法，其特征在于，步骤七中，反馈模块的工作过程具体如下：
第一步，持续采集ADC模块中的数据，并统计溢出点数；
第二步，将溢出点数与阈值对比，若溢出点数未超出阈值，则维持现行控制方案；若溢出点数高于阈值，则控制四选一选通开关选取通过低一级放大器的信号进行导通；若溢出点数低于阈值，则控制四选一选通开关选取通过高一级放大器的信号进行导通。
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