DSP交流采样电路设计..

DSP 交流采样电路设计

1．实验目的

本次实验针对电气工程及其自动化专业及测控专业。通过综合实验，使学生对所学过的DSP在继电保护中的应用有一个系统的认识，并运用自己学过的知识，自己设计模拟继电保护过程实验系统。要求用DSP完成对电网的电压的采样，然后经过DSP的处理，可以对系统继电器的跳合进行控制，自己设计，自己编程，最后自行调试，自行实现自己的设计。在整个试验过程中，摆脱以往由教师设计，检查处理故障的传统做法，由学生完全自己动手，互相查找处理故障，培养学生动手能力。学生试验应做到以下几点：

1. 通过DSP程序的设计模拟继电保护跳闸实验，进一步了解DSP在继电保护中的应用。

2. 通过实验线路的设计，计算及实际操作，使理论与实际相结合，增加感性认识，使书本知识更加巩固。

3. 培养动手能力，增强对DSP运用的能力。

4..培养分析，查找故障的能力。

5. 增加对DSP外围电路的认识。

2．实验设备

DSP板、仿真器、面包板、采样板器件，电烙铁，其它工具。

3．实验原理

1、DSP最小系统电路图

1、模拟电子线路

（一）、电流采样电路的设计

本次电流采样电路选择的电流互感器总共由两级，前一级互感器变比为4A ：1A ，第二级互感器采用TA1015-1,其变比为5A:5mA ，也就是1000:1，两级总共的互感器比例为4000:1。

即电流互感器一次侧的电流大小为4A ，二次侧的电流大小为1A ，二级互感器的二次侧电流大小为1mA 。如图3-6，在互感器二次侧并一个1K 的电阻即可将一次侧的4A 的强电流信号变换为二次侧的弱电压信号，其计算公式为:

)(0.14000/4/12mA A k i i === (3-1)

)(0.1101100.13322V R i u =***==- (3-2)

其峰值为： )(414.10.1222V u u p =*== (3-3)

即电流互感器二次侧输出的电压范围为-1.414V 至+1.414V ，即一次回路里的220V 的工频交流便被线性转化为-1.414V 至+1.414V 。

信号电路共有三级，第一级为偏置放大环节，它能够将交流信号调理成DSP 能准确进行AD 转换的0V 至3.3V 的直流信号。第二级为有源滤波环节，该环节能够滤去信号调理电路里的高频干扰信号。第三极为跟随环节，其输入高阻抗，输出低阻抗，进一步增加了信号调理电路的抗干扰能力。

对于第一级信号调理电路，假设正相端输入电压为1i u ，反向端输入电压为2i u ，输出电压为1o u ，则其输入与输出有如下的关系:

()12211i i f

i o u u R R u u --= （3-4）

在此信号调理电路里，f R R 22=，所以输入信号与输出信号之间满足如下关系：

2115.05.1i i o u u u -= （3-5）

由公式3-5可知，当1i u =1V 时，因为2i u 的取值范围为-1.414V 至+1.414V,所以1o u 的取值范围为0.793V 至2.207V ，此信号能够满足DSP 的采样范围（0V 至3V ）。

对于第二级信号调理电路，它是有源滤波环节，该电路对地阻抗为：

fc j R Z π213+=（3-6）

在此信号调理电路里电容取10pf,则其对地阻抗为：

f j Z /106.110104*-=（3-7）

根据公式3-7，该有源滤波电路对高频干扰信号能够被滤掉，对于50Hz 的工频，其阻抗非常大，故对采样的信号幅值衰减和相位的影响都很小，可以忽略。假设同相输入端信号电压为3i u ，输出电压信号为2o u ，则其对工频50Hz 的传递函数近似为：

32i o u u = （3-8）

对于第三极信号调理电路，它是一个跟随器，其输入等于输出。假设同相输入端信号电压为4i u ，输出电压信号为3o u ，则其对工频50Hz 的传递函数近似为：

43i o u u =（3-9）

由此，电流采样电路便分析完毕，其输入与输出的关系为：

()1221i i f

i o u u R R u u --=（3-10）

所以220V 的一次侧强电流信号就被转化成0.793V 至2.207V 的直流信号。

（二）、电压采样电路的设计

如图所示，电压互感器选择为TV1013-1H ，其变比为2mA:2mA ，也就是变比为2000:2000，本次设计采集的电压信号为相电压，即220V ，在电压互感器一次侧串联一个,200K 的电阻，再在二次侧并联一个Ω330的电阻即可得到所需的信号，其具体计算如下：

一次侧电流大小为:

()mA R u i 1.1102002203111=*== (3-11)

由于该互感器为2000:2000，所以二次侧的电流大小也为1.1mA ，当二次侧并联一个Ω330的电阻以后，其输出电压为:

()()mV A R i u 363363.03301.1222==*=*= (3-12) 其峰值为有效值的2倍，则二次侧电压信号峰值约为513mV,也即电压互感器二次侧输出电压的范围为-0.513V 至+0.513V 。此信号再经过与电流采样相同的信号调理电路，如果运放正相端所加的直流电压为1V ，即可将工频220V 的交流信号变换为在1.244V 至1.757V 之间变化的直流信号。

3、继电保护

（一）、阶段式电流保护的构成

瞬时电流速断保护只能保护线路的一部分，定时限电流速断保护能够保护本线路全长，但却不能作为下一线路的后备保护，所以还必须采用过电流保护作为本线路远后备和下一线路的近后备保护。由瞬时电流速断、定时限电流速断与过电流保护相配合可构成的一整套输电线路阶段式电流保护，叫做三段式电流保护。

（二）、瞬时电流速断保护

根据对继电保护速动性的要求，保护装置动作切除故障的时间必须满足系统稳定和保护重要用户供电的可靠性。对于特高压输电线路，还要满足限制过电压的要求。再简单、可靠和保证选择性的前提下，原则上总是越快越好。因此，在各种电气元件上，应力求装设快速动作的继电保护装置。对于仅反应与电流增大而瞬时动作的电流保护，成为瞬时电流速断保护。基本概念： 指仅反应电流增