双电源自动转换开关电压采样与信号调理电路的研究

黄雨龙

摘 要：双电源自动转换开关电器（ATSE）是双电源供电系统重要场合必须配备的装置。双电源自动转换开关智能控制器主要由控制单元和驱动机构构成。控制单元以微处理器为核心对常备用电源进行电压采样以及信号调理。驱动机构以双电源自动转换开关为开关本体进行双电源的切换工作。本文主要介绍了以控制单元为核心的电压采集与信号调理的方法，通过仿真软件以及实验结果验证该电压采样与信号调理电路可以满足控制单元的要求。该电路不仅采样精度高，同时还具有成本低的优点。

关键词：双电源自动转换开关；智能控制器；电压采样；信号调理；仿真

0 引言

按国家标准（GB/T14048.11-2016）规定[1-2]，双电源自动转换开关用于两个电源之间的转换，在转换过程中中断对负载的供电。控制器则用于检测及监测供电电源的状态，当电源偏离设定的正常状态时，能自动地发出动作指令使主体部分转换到正常工作电源测得控制电器。目前市场80%以上的自动转换开关出现的故障问题，都是由于控制器所造成的。电压采集电路和信号调理电路作为控制器最重要的一个部分，对整个控制器乃至开关本体具有十分重要的意义。

1 芯片介绍

TMS320F28335型数字信号处理器作为TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器，与以往的TMS320F2812相比，不仅从CPU性能、片内FLASH、通用I/O口（GPIO）等优于TMS320F2812，同时该器件具有A/D采样精度高，成本低，功耗小，性能高等优点[3-4]。TMS320LF28335片内集成的A/D转换器的核心资源是一个12位分辨率的高速A/D转换器，配备了16个模拟转换输入通道，模拟电压输入范围0～3V，ADC转换时钟频率最高可配置为25MHz，采样带宽12.5MHz。电路总体设计如图1所示。

2 电压采样电路

目前电压信号的采集有很多种[5-6]，主要包括变压器采样、电压互感器采样、光耦采样、电阻分压采样等。但是根据上述采样方式与实际情况相结合考虑，最终本文使用霍尔元件进行采样。霍尔元件采样可以对任意波形的电压进行测量，精度高、可靠性高、尺寸小、重量轻，易于安装且不会给系统带来任何损失。

电压跟随电路加在传感器的后面，主要是为了增加电路的抗干扰能力，降低信号源的输出阻抗，目的是为了不增加采样时间，保证了A/D转换模块的采样精度。电压采样电路如图2示。

3 电压信号调理电路

电压信号调理电路必须对经过电压霍尔传感器采集到的电压信号进行放大、滤波处理等调理工作，并由DSP片内的A/D转换模块转变为数字信号，通过数字接口输入计算机[7]。

反相比例放大电路的主要作用是将采样电压进行放大或者缩小，输出的采样电压范围在-1.5V～+1.5V。由于TMS320F28335片内的A/D转换模块的输入电压范围为0～3V，同时DSP内部的A/D转换模块的电压只能是单极性输入。目前通过反相比例放大电路测出来的电压为双极性，必须要使用偏置电路，所有要将电压霍尔传感器输出的交流电压进行偏置电路的处理后才能输送到DSP片内的A/D转换模块中。电压霍尔传感器的输出交流电压峰值为1.5V，偏置电路的另一端必须要电压抬高至+1.5V才能满足条件。

二阶低通滤波电路[9-10]主要用于削弱电压信号中的高频谐波，而反馈到的信号只能通过低频信号。四阶巴特沃斯低通滤波器[11]由两个二阶滤波器的级联来实现。根据滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系可知，取==0.01uF，对应的截止频率KHz。截止频率的计算公式如下：

4 电路仿真及分析

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。电路仿真模型图如图4所示。

5 结束语

电压采集电路以及信号调理电路作为双电源自动转换开关控制器的重要组成部分，通过电压采样电路将常备用电源的电压信号进行采集，降压后的电压信号通过信号调理电路输送到DSP内，符合DSP内部的模拟电压范围0～3V。本文研究的双电源自动转换开关电压采样以及信号调理电路不仅体积小，而且成本低，更重要的是相比于其他的DSP，该DSP具有采样性高的特点。

参考文献

[1]GB/T 14048.11—2008 低压开关设备和控制设备第 6-1 部分 多功能电器 自动转换开关[S].2008.

[2]李月军.ATSE智能控制器的设计[J].低压电器，2010（09）：19-21+24.

[3]符曉，朱洪顺著.电子设计与嵌入式开发实践丛书 TMS320F28335 DSP原理、开发及应用.北京：清华大学出版社，2017.09.

[4]张卿杰编著.手把手教你学DSP 基于MS320F28335.北京：北京航空航天大学出版社，2015.01.

[5]曲德刚.ATSE控制器的技术分析[A].中国电工技术学会低压电器专业委员会.中国电工技术学会低压电器专业委员会第十三届学术年会论文集[C].中国电工技术学会低压电器专业委员会：中国电工技术学会，2007：4.

[6]张威威.双电源自动转换开关智能控制器的设计[D].沈阳工业大学，2015

[7]易映萍，李栋，肖飞.基于DSP片内A/D信号检测与调理电路的设计[J].信息技术，2013，37（01）：5-8.

[8]吕俊芳，钱政，袁梅编著.传感器调理电路设计理论及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2010.08.

[9]康华光主编；华中科技大学电子技术课程组编.电子技术基础 模拟部分 第5版.北京：高等教育出版社，2006.01.

[10]陈希.二阶有源低通滤波器设计研究[J].信息通信，2018（12）：3-5.

[11]田聪，余水宝.四阶RC有源高通滤波器的优化设计[J].微型机与应用，2015，34（18）：29-31.