8階連續時間濾波器芯片MAX274的工作原理及應用設計

大型變壓器在運行時，其鐵芯接地電流很小，約為幾毫安到幾十毫安，但當變壓器發生鐵芯多點接地故障時，其鐵芯接地電流將增大到幾安培甚至幾十安培，從而會導致局部鐵芯過熱，嚴重時可能造成輕瓦斯動作甚至重瓦斯動作跳閘。

目前，現場人員多采用鉗形電流表夾住鐵芯接地線來監測其電流，但由于變壓器強磁場的干擾，測量值很不精確，甚至出現同一測量點幾次測量值差別迥異的情況，這樣測量的參考價值值得懷疑；而國內有些單位研制的自動監測裝置雖能及時發現多點接地故障，但缺乏故障后的實時監測功能。為此，設計了一種基于ＧＳＭ通訊的在線監測裝置，較好地解決了變壓器鐵芯接地電流在線監測的問題。為了解決正常狀態下接地電流很小，受到的現場干擾卻比較嚴重的問題，設計中采用了Ｍａｘｉｍ公司開發8階連續時間濾波器芯片ＭＡＸ２７４。實踐證明ＭＡＸ２７４的濾波效果比較理想。

１、在線監測裝置的系統組成

為盡量如實反映變壓器接地電流信號的情況，在圖１所示的一次接線圖的變壓器接地線上串接了一個２Ω的無感電阻，這樣就將鐵芯接地電流的測量轉化為串接電阻上電壓的測量。該鐵芯接地電流在線監測裝置由信號處理部分、Ａ／Ｄ轉換部分及輸出控制部分等模塊構成，圖２所示是其原理框圖。圖中，Ａ／Ｄ轉換采用ＭＡＸ１９７，該芯片的精度為１２位，帶故障保護輸入多路轉換器和８路模擬輸入通道，具有６μｓ的變換時間；通訊模塊采用杭州愛賽德公司生產的ＧＳＭ模塊；輸出控制主要是指發生故障后在接地線上串接限流電阻（這是目前常用的故障處理方法），同時現場燈光報警；信號處理部分根據輸入信號的強弱分成兩路，弱信號部分的處理電路如圖３所示，其中ＯＰ２７是精密運算放大器。ＭＡＸ２７４就是本文要重點介紹的有源濾波器芯片。

２、ＭＡＸ２７４芯片簡介

普通運放和ＲＣ網絡組成的濾波器元件較多，參數調節復雜，雜散電容會大大影響濾波器特性。ＭＡＸ２７４是單片集成有源濾波器，它無需外接電容，只要調整外部４個電阻即可。ＭＡＸ２７４的主要參數特性如下：

●可以根據需要設計成Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ或Ｂｅｓｓｅｌ濾波器形式；

●可以實現低通或帶通濾波輸出；

●采用＋５Ｖ或±５Ｖ電源供電；

●每片由４個２階濾波單元組成（共８階），并可以實現芯片級聯；

●自帶設計軟件，可以進行輔助設計和仿真；

●中心或截止頻率ｆ０范圍為１００Ｈｚ～１５０ｋＨｚ。

ＭＡＸ２７４的引腳及外部接口圖如圖４所示，各引腳功能如下：

ＩＮＸ（２，１１，１４，２３）：信號輸入；

ＬＰＯＸ（１，１２，１３，２４）：低通輸出；

ＢＰＯＸ（４，９，１６，２１）：帶通輸出；

ＦＣ：ＲＸ／ＲＹ調節端，可接到Ｖ＋、Ｖ－或ＧＮＤ。

３、ＭＡＸ２７４的應用設計與仿真實現

變壓器監測現場的干擾主要有電磁干擾、風扇振動（８～２５ｋＨｚ）、可控硅動作（２００～３００ｋＨｚ和７００～９００ｋＨｚ）和電臺通訊信號（８００ｋＨｚ左右）等，這些信號相對都集中在較高頻段。因此，濾波器應設計為低通濾波器。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器在通帶內具有最大平坦的幅度特性，而且隨著頻率升高呈現單調遞減的特點，因而比較適合本設計。

其參數設計過程如下：

第一步，由公式Ｒ２＝（２×１０９／ｆ０），計算出Ｒ２；

第二步，由公式Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，計算出Ｒ４；

接下來，計算Ｒ３以決定Ｑ值，Ｒ３與Ｑ的值成正比例關系，其關系式為Ｒ３＝Ｒ２ＱＲＸ／ＲＹ，其中ＲＸ和ＲＹ是濾波器單元內的兩個電阻，其比值由ＦＣ管腳連接到哪個引腳決定，具體見表１所列。

表1 FC接點與RX/RY的比值

最后計算出Ｒ１，Ｒ１主要用來設定增益。對于低通濾波器，Ｒ１的值與增益成反比。其關系式為：

Ｒ１＝（Ｒ２／ＨＯＬＰ）·（ＲＸ／ＲＹ）

濾波器的設計雖然也可以采用上述步驟手算，但對高階濾波器宜采用軟件輔助設計。用濾波器設計專用軟件ＭＡＸ２７４Ｓｏｆｔｗａｒｅ進行濾波器設計非常方便，可以節省大量時間，同時也避免了人為計算的錯誤。軟件仿真可以完成階數、極點、Ｑ值的計算，可生成仿真增益Ｇａｉｎ和相位Ｐｈａｓｅ的響應曲線，并計算外接電阻的阻值。

本設計中低通Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器的具體要求為：通帶截止頻率１ｋＨｚ，通帶內最大衰減０．１ｍｄＢ，阻帶截止頻率４ｋＨｚ，阻帶最小衰減５０ｄＢ，通帶增益為１。將設計要求輸入ＭＡＸ２７４Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件，經計算得出濾波器階數為８，軟件自動調整后可得到表２所列的４級２階濾波器的設計參數，其中的電阻值是經過１％精度調整后得到的，Ｇａｉｎ是直流狀態的增益。由Ｍａｘｉｍ２７４Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件生成的增益曲線用Ｍａｔｌａｂ處理后如圖５中的實線所示。

表2 8階濾波器設計參數

４、實驗結果及注意事項

在實驗室將表２所列的電阻值按照圖４所示接入，并采用ＸＤ－７低頻信號發生器將正弦波信號輸入濾波器的輸入端，部分典型實驗數據如表３所列。輸出與輸入的比值取對數后生成的曲線如圖５中的虛線所示。對比圖５中的兩曲線可以看出，在小于４ｋＨｚ時，兩曲線基本重合；而當大于４ｋＨｚ時，兩者出現了偏差，這是由于實驗時所用電壓表、電阻精度不足及電路板本身的噪聲造成的。即使如此，通過表３可以看出：在４ｋＨｚ時，輸出電壓已經衰減為輸入電壓的０。４％，完全可以滿足實際工程的需要，因此，本濾波器的設計是成功的。