微电流信号提取系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种微电流信号提取系统，采用高精度电阻采样信号，将电流信号转化为电压信号送模拟信号预调理电路，依次经过一次放大电路、模拟滤波电路和二次放大电路，完成模拟信号预调理，再将模拟信号预调理后的信号输出到数字信号预调理电路，依次经过A/D转换电路、量程转换处理和数字滤波电路，完成数字信号调理后输出为所需微电流信号。模拟信号和数字信号调理相结合，系统的前置放大选择高增益、高输入阻抗、高共模抑制比的斩波稳零集成运算放大器，双积分AD模数转换芯片，抑制了50Hz的工频干扰，同时4线串行通信大大节省了I/O接口，高效、可靠的数据传输。实现对微电流的精确测量，可用于电气设备的绝缘监测。
【专利说明】微电流信号提取系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种信号处理技术，特别涉及一种微电流信号提取系统。
【背景技术】
[0002]微电流信号提取在电力系统电气设备在线监测中具有广泛的需求。但是在电力系统中，电气设备的运行环境复杂，存在则各种噪声干扰，主要包括电力线噪声、电气设备噪声、射频噪声、机械起源噪声等。电力线噪声主要是由工频电磁场、大功率开关通断引起的尖峰脉冲、电网电压波动等产生的噪声；电气设备噪声主要包括设备产生的工频电磁场、电晕放电火花放电、弧光放电等引起的噪声干扰；射频噪声主要是生活中的电视、雷达、无线通信等通信工具造成的干扰，调制电磁波居多；机械噪声主要是机械振动转换为电噪声，如压电效应噪声、颤噪效应噪声等。因此在微电流信号提取中对电流信号调理尤为重要，只有对信号进行必要合适的滤波处理，才能提取出所需要的信号，正确判断设备的运行状态。
[0003]目前，国内外对微弱电流采集系统的研究与开发的技术水平已日趋成熟，国外先进的恒电位仪的最高电流分辨率可以达到30fA，但其价格昂贵。国内的产品质量和技术指标与国外相比还有一段差距，有待继续研究。针对于上述的情况，本专利设计了一种能够实现对微小电流测量的电路，从而实现对电气设备绝缘状态的监测。
【发明内容】
[0004]本发明是针对微弱电流采集系统精度落后国外的问题，提出一种微电流信号提取系统，实现微电流的精确测量。
[0005]本发明的技术方案为:一种微电流信号提取系统，包括信号采集、模拟信号预调理电路和数字信号预调理电路，采用高精度电阻采样信号，将电流信号转化为电压信号送模拟信号预调理电路，电压信号依次经过一次放大电路、模拟滤波电路和二次放大电路，完成模拟信号预调理，模拟滤波采用五阶巴特沃斯低通滤波，将高于3HZ的信号都滤除；将模拟信号预调理后的信号输出到数字信号预调理电路，依次经过A/D转换电路、量程转换处理和数字滤波电路，完成数字信号调理后输出为所需微电流信号。
[0006]所述信号采集输出的电压信号通过线性光耦隔离和并联的瞬态抑制管后输出到模拟信号预调理电路。
[0007]所述一次放大电路选用斩波稳零集成运算放大器ICL7650，ICL7650接成反向放大器，IOK高精度采样电阻两端分别接ICL7650输入端，两输入端与地之间分别接两个正反接的二极管保护电路，ICL7650运算放大器输入和输出端并联电容，抑制高频振荡。
[0008]所述模拟滤波电路选用五阶巴特沃斯开关电容滤波器，可采用MAXIM公司的MAX7410滤波器。
[0009]所述A/D转换电路选用能抑制50HZ工频干扰的双积分A/D芯片，可采用美信公司的MAX132-18位双积分AD芯片。
[0010]本发明的有益效果在于:本发明微电流信号提取系统，模拟信号和数字信号调理相结合，系统的前置放大选择高增益、高输入阻抗、高共模抑制比的ICL7650斩波稳零集成运算放大器，18位双积分AD模数转换芯片，抑制了 50Hz的工频干扰，同时MAX132的串行通信大大节省了 I/O接口，高效、可靠的数据传输。实现对微电流的精确测量，可用于电气设备的绝缘监测，如高压电缆绝缘、护套的泄露电流测量，获得了很好的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明微电流信号提取系统框图；
图2为本发明微电流信号提取系统采样及放大电路图；
图3为本发明微电流信号提取系统五阶巴特沃斯模拟滤波电路图；
图4为本发明微电流信号提取系统18位AD转换电路图；
图5为本发明微电流信号提取系统总流程图。
【具体实施方式】
[0012]本系统通过所测信号成分分析，微电流信号提取模块采用高精度电阻采样信号，将电流信号转化为电压信号便于提取。对转换后的信号进行一次放大、模拟滤波和二次放大，完成模拟信号预调理，鉴于信号中含有诸多噪声信号，采用5阶巴特沃斯低通滤波，将高于3HZ的信号都滤除，本系统选用MAX7410芯片能很好的实现其功能。对滤波后的信号进行二次放大后输出经过A/D转换，将模拟信号转化为数字信号，便于后面的数据处理，本系统采用MAX132芯片，可以实现18位高精度A/D转换，同时可以抑制50HZ的工频干扰，再经过量程处理和MCU数字信号处理，主要是数字滤波，得到想要的数据信号，完成数字信号调理。最后通过IXD12864将信号显示出来，如图1所示系统框图。为了防止输入信号过大，导致对后续测量电路的损害，对输入信号进行了保护和隔离，其首先让信号通过并联的瞬态抑制管，当信号超过其阀值时，电压保持在瞬态抑制管的电压值，从而确保输入电压不超过后续测量电路所能承受的最大值。为了防止由于测量不当，造成采样电阻击穿，导致地电位抬高，导致测量电路的损毁，采用线性光耦进行隔离。
[0013]如图2所示采样及放大电路图:ICL7650是斩波稳零集成运算放大器，它具有超低失调电压和超低漂移、高增益、高输入阻抗、高共模抑制比等特点，性能极为优越稳定。在测量微弱信号的电路中常用作前置放大器。图2中，ICL7650接成反向放大器。RSSlOK高精度采样电阻，将流过的电流转换成电压Vin ;然后将电压信号加在ICL7650的两个输入端上，微弱信号经放大后从芯片的10脚输出。为了保护ICL7650因输入信号的幅值太大而烧坏，在信号的输入端连接4个二极管来保护电路。加在ICL7650运算放大器输入和输出端的电容Cl是为了防止电路产生高频振荡，由于它的容量很小，对信号的放大倍数影响也非常小。
[0014]如图3所示五阶巴特沃斯模拟滤波电路图，采用MAXM公司的MAX7410滤波器，这是一款五阶巴特沃斯，开关电容滤波器(SCFS)。电路使用5V供电，具有低功耗，带宽为15KHZ的低通滤波器。电路的截止频率由电路的时钟信号频率决定(见公式2)。电路的时钟信号可以有两种方式提供，一种是直接在8脚外接一个电容，与芯片内部实现震荡产生时钟信号，其时钟频率取决于外接电容的大小(见公式1)，另一种是将外部时钟直接从8脚输入，这种方式可以随时改变外部时钟信号的频率，从而方便的改变滤波电路的截止频率。根据信号的要求选取Qjse为0.1uF (这里是指图中Cll )，此时截止频率为3Hz。J0SC(kHz) = SOxlO3 / Cosc(pF)(公式 I)
fa ~ fauc ,I。。 (公式 2)
A/D转换器的作用是把输入的模拟信号转换成数字形式，使得CPU能够处理从被测电路接收到的模拟信号。如图4所示18位AD转换电路图，本系统的A/D转换芯片的选择美信公司的MAX132-18位双积分AD芯片，此芯片具有很高的转换精度，且能抑制50HZ工频干扰。且有如下几个优点:
(I)测量精度高转换周期短:MAX132内部采用多斜率积分方式，提供比标准AD转换时
间快的多的高分辨率转换，转换次数大于100次/S。在满量程为二 512mV的情况下，输入信号分辨率可达2 I* V/LSBo
[0015](2)功耗低:MAX132采用CMOs电路，确保其典型工作电流只有60uA ;而在休眠模式时，甚至只需要IuA的电流，即可处于监视工作状态。
[0016](3)采用4线串行接口:MAX132采用与众不同的4线制接口方式，只需片选(CS)、时钟(SCLK)、数据输入(DIN)、数据输出(DOUT)四根线即可方便的实现与任何通用微处理器的I/O接口，且整个通信过程的时间保证在毫秒级。
[0017](4)4位程控并行输出:MAX132还具有4位可由串行命令设置的程控数字输出，可用于控制输入信号的增益或进行工作环境的设置，甚至可直接用于扩展并行接口。
[0018]MAX872是精密微功耗的2.5V电压芯片，为AD芯片提供2.5V高进度参考电压，具有超低的静态电流和200mV低压差。
[0019]系统总流程设计:在系统上电后，首先对整个系统进行初始化，初始化程序包括对各种参数、各个芯片进行初始化、清零以及一些端口属性的设定。然后进行量程判断，再调用A/D转换子程序进行数据采集，对输入信号进行A/D模数转换。转换结束后为了提高测量的信号精度，系统对输入电压连续采集10次进行滑动平均值滤波处理，其结果作为对应的电压值。再进行数值转换，将得到的值转换成所需要显示的量，调用LCD12864的显示子程序，显示面板的界面，最后可以调用通信子程序实现串口通信。系统总流程图如图5所示:
文章阐述微弱信号的特点，含有复杂的各种噪声，为了滤除噪音信号，系统采用模拟滤波和数字滤波结合的方法。系统的前置放大选择高增益、高输入阻抗、高共模抑制比的ICL7650斩波稳零集成运算放大器，18位双积分AD模数转换芯片，抑制了 50Hz的工频干扰，同时MAX132的串行通信大大节省了 I/O接口，高效、可靠的数据传输。根据本文开发的小电流信号提取系统可以实现对微电流的精确测量，可用于电气设备的绝缘监测，如高压电缆绝缘、护套的泄露电流测量，并获得了很好的效果。
【权利要求】
1.一种微电流信号提取系统，其特征在于，包括信号采集、模拟信号预调理电路和数字信号预调理电路，采用高精度电阻采样信号，将电流信号转化为电压信号送模拟信号预调理电路，电压信号依次经过一次放大电路、模拟滤波电路和二次放大电路，完成模拟信号预调理，模拟滤波采用五阶巴特沃斯低通滤波，将高于3HZ的信号都滤除；将模拟信号预调理后的信号输出到数字信号预调理电路，依次经过A/D转换电路、量程转换处理和数字滤波电路，完成数字信号调理后输出为所需微电流信号。
2.根据权利要求1所述微电流信号提取系统，其特征在于，所述信号采集输出的电压信号通过线性光耦隔离和并联的瞬态抑制管后输出到模拟信号预调理电路。
3.根据权利要求2所述微电流信号提取系统，其特征在于，所述一次放大电路选用斩波稳零集成运算放大器ICL7650，ICL7650接成反向放大器，IOK高精度采样电阻两端分别接ICL7650输入端，两输入端与地之间分别接两个正反接的二极管保护电路，ICL7650运算放大器输入和输出端并联电容，抑制高频振荡。
4.根据权利要求2所述微电流信号提取系统，其特征在于，所述模拟滤波电路选用五阶巴特沃斯开关电容滤波器，可采用MAXM公司的MAX7410滤波器。
5.根据权利要求2所述微电流信号提取系统，其特征在于，所述A/D转换电路选用能抑制50HZ工频干扰的双积分 A/D芯片，可采用美信公司的MAX132-18位双积分AD芯片。
【文档编号】G01R19/25GK104020346SQ201410290501
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】陈炯, 高亮, 陈建杰, 郝永晶 申请人:上海电力学院, 国家电网公司