CN218445799U - 一种基于zynq平台的多路暂态对地电压峰值检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，包括滤波电路、多路幅值调理模块、比较器和ZYNQ芯片，暂态对地电压作为输入信号，依次经过滤波电路滤波、多路幅值调理模块的幅值调整、进入比较器与参考电平进行比较，并将输出结果通过ZYNQ芯片进行逻辑判断，输出等步长模拟信号作为参考电平接回比较器，实现暂态对地电压峰值提取。本实用新型通过多路提取配合设定不同的增益，避免了传统上采用A/D高速采样后产生的庞大数据量，便于手持系统更好地对这些数据进行实时处理。

Description

一种基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路

技术领域

本实用新型属于功率采样技术领域，尤其涉及一种基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路。

背景技术

暂态地电压检测技术(TEV，Transient Earth Voltage)是一种检测电力设备内部绝缘缺陷的技术，广泛应用于开关柜、环网柜、电缆分支箱等配电设备的内部绝缘缺陷检测。在开关柜设计过程中，为了减小设备尺寸，使得结构更加紧凑，一般在制造中采用了大量的绝缘材料，如环氧浇注的CT,PT、静触头盒、穿墙套管、相间隔板等，当这些绝缘材料内部发生局部放电时，单个放电持续时间一般只有几纳秒，放电电极之间的电荷发生快速的交变，则靠近放电点的金属屏蔽层表面电位随之变化，从而形成快速交变的脉冲电流，此脉冲电流的频率很高，一般可以达到几十MHz。由于高频电流的集肤效应，此脉冲电流只在导体表面传输。对于金属屏蔽内部的局部放电，此脉冲电流首先在金属屏蔽内表面传播，如果金属外壳对内是连续屏蔽的，则无法在外部检测到局部放电信号，但是实际上，开关柜的金属外壳在绝缘衬垫、箱体连接处、终端等部位会存在不连续的缝隙，高频电流信号可通过这些缝隙传输到设备外层，产生一个暂态电压，此电压信号称为暂态对地电压(TEV)。在非闭合的金属屏蔽外表面通过专用的TEV信号传感器即可测得此信号，并且通过此信号判断开关柜内是否存在局部放电以及放电的强弱。

暂态地电压检测主要以带电检测方式为主，采用手持式仪器对电力设备内部放电进行检测；部分仪器配置两个暂态地电压传感器，可通过时差法对局放源进行定位；对于需要连续检测电力设备内部放电的场合，也可采用固定安装的方式，实施在线监测。

传统暂态对地电压检测采用电阻、二极管、电容组成的检波电路，实现对暂态对地电压信号的峰值提取。其中，A/D高速采样后会产生的庞大数据量，使得手持系统对数据的实时处理速度减慢。

实用新型内容

针对上述缺陷，本实用新型提供了一种基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，是基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，根据暂态对地电压的幅值范围分成四个电压测量调理通道，通过对信号进行幅值定位，在相应的电压区间内，减少了阀值电压调节时间，能够快速检出峰值电压，便于手持系统更好地对这些数据进行实时处理。

一种基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，包括滤波电路、幅值调理模块、比较器和ZYNQ芯片；采集暂态对地电压作为输入信号，经过滤波电路滤波后输出四路信号，分别连接不同增益大小的第一～第四幅值调理模块的输入端，幅值调理模块的正、负输出端连接对应的第一～第四比较器的输入端，第一～第四比较器输出端均接入ZYNQ芯片，通过ZYNQ芯片产生地电波的参考峰值电平信号并输入数模转换芯片DAC，输出等步长模拟信号作为参考电平接回第一～第四比较的输入端。

作为优选，幅值调理模块采用UA733芯片作为幅值调理放大电路的芯片，该放大电路采用单端输入单端输出的接法，信号从14脚输入，1脚经200欧电阻接地，输出两路差分极性信号，经7脚，8脚输出，从而实现信号负极性时的反向比较；UA733芯片本级增益通过在引脚4脚GAIN ADJ1A和11脚GAIN ADJ 1B之间串接电阻，实现前置放大器增益的设置，四路增益设置分别为12,32,64,100。

作为优选，比较器依次连接与非门RS触发器和ZYNQ芯片内逻辑判断电路以实现输入的电平量化，具体的，比较器采用高速双路差分比较器NE521DG，UA733芯片的正、负输出端分别连接高速双路差分比较器NE521DG的1B、2B端口，而比较器NE521DG的1A、2A端口分别连接参考电压，比较结果通过1Y、2Y端口连接至与非门RS触发器，RS触发器的输出端口Q连接ZYNQ芯片的输入端，经过ZYNQ芯片内逻辑电路判断后输出逻辑判断后的信号。

作为优选，ZYNQ芯片通过SCL、SDA、A0、A1输出逻辑信号，该逻辑信号即为参考峰值电平信号。

作为优选，参考峰值电平信号接入12bit，I2C接口低功耗数模转换芯片DAC7574实现等步长模拟信号的转换，从而产生相应的峰值电平，并将该峰值电平作为参考电压接回高速双路差分比较器NE521DG的1A、2A端口。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型是基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，通过提取电路的多路提取配合设定不同的增益，避免了传统上采用A/D高速采样后产生的庞大数据量，提高了峰值检波的速度，便于手持系统更好地对这些数据进行实时处理。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本实用新型一个实施例的TEV峰值提取电路原理图；

图2是本实用新型一个实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供一种基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，根据暂态对地电压的幅值范围0-1000mV，把该范围分成四个电压测量调理通道即1-16mV,16-100mV,100-400mV,400-800mV。通过对信号进行幅值定位，在相应的电压区间内，减少了阀值电压调节时间，能够快速检出峰值电压。

如图1所示，包括滤波电路、多路幅值调理模块、比较器和ZYNQ芯片，采集暂态对地电压作为输入信号，经过滤波电路滤波后输出四路信号，分别连接不同增益大小的第一～第四幅值调理模块的输入端，幅值调理模块的正、负输出端连接对应的第一～第四比较器的输入端，第一～第四比较器输出端均接入ZYNQ芯片，通过ZYNQ芯片产生地电波的参考峰值电平信号并输入数模转换芯片DAC，输出等步长模拟信号作为参考电平并接回第一～第四比较的输入端。

以下说明各部分的原理及连接方式：

1、幅值调理模块部分为一种并联输入、增益预设、差分输出的调理放大电路

幅值调理模块采用UA733芯片作为每路调理放大电路的核心芯片。暂态地电压信号通过滤波电路滤波后分为四路信号，分别接入四路不同增益的调理电路，结合每路快速DAC转换器输出的基准电平的阀值，四路预设不同的增益。放大器采用单端输入单端输出的接法，信号从14脚输入，1脚经200欧电阻接地，输出两路差分极性信号，经7脚，8脚输出，从而实现信号负极性时的反向比较，前级滤波电路输出的信号从放大芯片的负端输入，放大芯片的正、负输出端分别连接高速双路差分比较器NE521DG的1B、2B端口，通过差分输出的方式监测到暂态地电压信号的正负峰值，相比传统的峰值检波电路只能监测到单向信号峰值，本电路的信号调理更完整、保真。其中，UA733芯片本级增益通过在引脚4脚GAIN ADJ1A和11脚GAIN ADJ 1B之间串接电阻，实现前置放大器增益的设置，四路增益设置分别为12,32,64,100。

2、比较器部分为一种信号电平快速提取的并行比较电路设计

信号电平比较电路主要由高速双路差分比较器NE521DG与ZYNQ芯片内逻辑判断电路配合，实现“电平量化”。本实用新型克服了传统RS触发器信号转换中不确定状态电平的处理。基于ZYNQ芯片，对四路高速差分比较器输出的信号进行并行比较，相比单路比较电路，缩短了峰值检波的时间。高速差分比较器传输时延低于12ns，比较基准电平从60dB至0dB单位递减变化，直到其中一路检测到峰值电平结束。具体的，比较器NE521DG的1A、2A端口分别连接参考电压，1B、2B端口连接幅值调理模块UA733芯片的正、负输出端，将比较结果通过1Y、2Y端口连接至与非门RS触发器，RS触发器的输出端口Q输出贮位二进制信息至ZYNQ芯片，经过ZYNQ芯片内逻辑电路判断后输出逻辑判断后的信号。

3、ZYNQ芯片配合RS触发器部分为一种等步长增减的参考峰值电路设计

将暂态地电波所感应出的暂态对地电压分为61个等级。测量的取值范围为0～60dB，由下式(1)可得到局部放电量的峰值的取值范围为1mV～1V。

测量值(dB)＝20log(局部放电量峰值/1mV)(1)

地电波的参考峰值电平产生电路是通过ZYNQ芯片经过逻辑判断后，从引脚SCL、SDA、A0、A1输出的逻辑信号，该逻辑信号经过12bit，I2C接口低功耗数模转换芯片DAC7574实现等步长模拟信号的转换，从而产生相应的峰值电平。该峰值电平即为参考电平，将参考电平接回NE521DG的1A、2A端口与采集的暂态对地电压进行对比。参考电平的变化以单位dB变化，由于单位dB幅值的非线性，为减少ZYNQ处理器的每次调幅计算，设计了dB幅值函数表，将60dB到1dB的变化折算成数字量“xxxxH”，等步长增减变化量可以直接查dB函数表,计算输出D/A值。

本实用新型的工作流程如图2所示，采集暂态对地电压信号(范围为0-1000mV)，对该信号进行高通滤波处理后，基于不同量程1-16mV,16-100mV,100-400mV,400-800mV，接入四路增益分为别100，64,32,12,的调理电路，并将调理后的信号分别输入对应的四个比较器，通过差分输出的方式监测到暂态地电压信号的正负峰值；设置初始阀值(即峰值电平)，基于ZYNQ芯片，对差分极性输出信号进行并行比较，当逻辑判断为0时，表示四路信号均未检测到峰值电平，结束比较；当逻辑判断为1时，表示四路信号中至少有1路检测到峰值电平，此时，根据划分的量程，单路逐级比较，当判断到检测到峰值电平时，读取对应的量程及检测值直至四路信号比较结束。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，其特征在于，包括滤波电路、幅值调理模块、比较器和ZYNQ芯片；采集暂态对地电压作为输入信号，经过滤波电路滤波后输出四路信号，分别连接不同增益大小的第一～第四幅值调理模块的输入端，幅值调理模块的正、负输出端连接对应的第一～第四比较器的输入端，第一～第四比较器输出端均接入ZYNQ芯片，通过ZYNQ芯片产生地电波的参考峰值电平信号并输入数模转换芯片DAC，输出等步长模拟信号作为参考电平接回第一～第四比较的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，其特征在于，所述幅值调理模块采用UA733芯片作为幅值调理放大电路的芯片，该放大电路采用单端输入单端输出的接法即信号从14脚输入，1脚经200欧电阻接地，输出两路差分极性信号，经7脚，8脚输出，从而实现信号负极性时的反向比较；UA733芯片本级增益通过在引脚4脚(GAIN ADJ1A)和11脚(GAIN ADJ 1B)之间串接电阻，实现前置放大器增益的设置，第一～第四幅值调理模块的增益设置分别为12,32,64,100。

3.根据权利要求2所述的基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，其特征在于，所述比较器依次连接与非门RS触发器和ZYNQ芯片内逻辑判断电路以实现输入的电平量化，具体的，比较器采用高速双路差分比较器NE521DG，UA733芯片的正、负输出端分别连接高速双路差分比较器NE521DG的1B、2B端口，而比较器NE521DG的1A、2A端口分别连接参考电压，比较结果通过1Y、2Y端口连接至与非门RS触发器，RS触发器的输出端口Q连接ZYNQ芯片的输入端，经过ZYNQ芯片内逻辑电路判断后输出逻辑判断后的信号。

4.根据权利要求3所述的基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，其特征在于，ZYNQ芯片通过SCL、SDA、A0、A1输出逻辑信号，该逻辑信号即为参考峰值电平信号。

5.根据权利要求4所述的基于ZYNQ平台的多路暂态对地电压峰值检测电路，其特征在于，所述参考峰值电平信号接入12bit，I2C接口低功耗数模转换芯片DAC7574实现等步长模拟信号的转换，从而产生相应的峰值电平，并将该峰值电平作为参考电压接回高速双路差分比较器NE521DG的1A、2A端口。

Images