本发明提供了一种功角测量装置输入信号滤波整形电路。本发明通过完善的滤波电路对输入的键相信号和机端电压信号滤波，利用光电耦合器抑制系统噪声并最终经过合适的迟滞型电压比较器产生高精度的方波键相脉冲和机端电压脉冲。
1.一种功角测量装置输入信号滤波整形电路，包括键相信号处理电路和机端电压信号处理电路，其特征在于能够对输入的键相信号和机端电压信号进行有效的隔离和滤波整形操作；
所述键相信号处理电路包括：键相信号滤波电路、光电耦合器和键相信号整形电路；
1）键相信号滤波电路包括：两个运算放大器U1和U2、两个二极管D1和D2、五个电阻R1、R2、R3、R4和R5、第一电感L1和第一电容C1；其中，第一电阻R1的一端接输入键相信号，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端、第一电感L1的一端分别两两相连，第一电感L1的一端、第一二极管D1的负端、第一运算放大器U1的正向输入端分别两两相连，第二电阻R2的另一端、第一二极管D1的正端接+24V电源对应的地，第一运算放大器U1的反向输入端、第一运算放大器的输出端、第三电阻R3的一端分别两两相连，第三电阻R3的另一端、第二二极管D2的负端、第四电阻R4的一端、第二运算放大器U2的正向输入端分别两两相连，第二二极管D2的正端、第四电阻R4的另一端、第一电容C1的一端、第二运算放大器U2的反向输入端分别两两相连，第一电容C1的另一端接+24V电源对应的地，第二运算放大器U2的输出端与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第一光电耦合器U3的
1脚相连，其中第一光电耦合器U3采用TIL117；
2）第一光电耦合器U3对前后电路进行隔离，第一光电耦合器的1脚与键相信号滤波电路输出信号相连， 2脚与前端+24V电路的地相连，4脚与数字地相连，5脚与后端键相信号整形电路相连；
3）所述键相信号整形电路包括：第一电压比较器U4、六个电阻R6、R7、R8、R9、R10和R11，两个电容C2和C3，第六电阻R6的一端、第一电压比较器U4的反向输入端、第一光电耦合器U3的5脚两两相连，第一电压比较器U4的正向输入端、第十电阻R10的一端、第十一电阻R11的一端两两相连，第八电阻R8的一端、第九电阻R9的一端、第十电阻R10的另一端、第二电容C2的一端两两相连，第一电压比较器U4的输出端、第七电阻R7的一端、第十一电阻R11的另一端两两相连，第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的另一端、第三电容C3的一端、第八电阻R8的另一端接+3.3V电源，第三电容C3的另一端、第九电阻R9的另一端、第二电容C2的另一端接数字地；
所述机端电压信号处理电路包括：机端电压变压电路、机端电压滤波放大电路、光电耦合器和机端电压整形电路；
1）机端电压变压电路包括：两个电感L2和L3,第一电压互感器PT1，其中第一电压互感器PT1采用SPT504F4，第二电感L2的一端和第三电感L3的一端分别接机端电压的两路输入，第一电压互感器PT1的2脚与第二电感的另一端相连，第一电压互感器PT1的3脚与第三电感L3的另一端相连，第一电压互感器PT1的1脚接交流电地线，第一电压互感器PT1的4脚和6脚为输出信号与后端的滤波、放大电路连接；
2）机端电压滤波放大电路包括：第三运算放大器U5、三个电容C4、C5和C6、四个电阻R12、R13、R14和R15、第四电感L4、第三二极管D3；其中，第四电容C4的一端、第四电感L4的一端与电压互感器的正输出端相连，第四电感L4的另一端、第三二极管D3的负端、第五电容C5的一端、第十二电阻R12的一端两两相连，第一电压互感器PT1的负输出端、第四电容C4的另一端、第三二极管D3的正端、第五电容C5的另一端、第六电容C6的一端、第十四电阻R14的一端接模拟地，第十二电阻R12的另一端与第三运算放大器U5的正输入端相连，第三运算放大器U5的负输入端、第十四电阻R14的另一端、第十三电阻R13的一端两两相连，第十三电阻R13的另一端、第十五电阻R15的一端、第三运算放大器U5的输出端两两相连，第十五电阻R15的另一端与后面的光电耦合器相连，第六电容C6的另一端接+5V电源；
3）第二光电耦合器U6对前后电路进行隔离，第二光电耦合器U6的1脚与滤波、放大电路输出信号相连，第二光电耦合器U6的2脚与模拟地相连，第二光电耦合器U6的5脚与机端电压整形电路相连，第二光电耦合器U6的4脚接数字地；
4）所述机端电压整形电路包括：第二电压比较器U7、四个电阻R16、R17、R18和R19、第七电容C7和第一电位器VR1；其中，第十六电阻R16的一端、第二电压比较器U7的反向输入端、第二光电耦合器的U6的5脚两两相连，第二电压比较器U7的正向输入端、第十八电阻R18的一端、第十九电阻R19的一端两两相连，第十八电阻R18的另一端与第一电位器的二脚相连，第一电位器的一脚和三脚分别接+3.3V电源和数字地，第二电压比较器U7的输出端、第十七电阻R17的一端、第十九电阻R19的另一端两两相连，第七电容C7的一端、第十六电阻R16的另一端、第十七电阻R17的另一端连+3.3V电源，第七电容C7的另一端接数字地。
一种功角测量装置输入信号滤波整形电路
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统实时动态监测领域，更具体地涉及一种功角测量装置输入信号滤波整形电路。
背景技术
[0002] 发电机是电力系统最主要的部件之一，而功角是发电机内部能量转换的一个重要参数，同时也是发电机稳定工作的一个重要标志量。功角指发电机的内电势与机端电压之间的夹角，目前最优化的功角测量方法是直接测量法，这种方法直接测量发电机转子的空间位置，再利用机端电压测量出发电机的功角。在直接测量法中键相信号和机端电压信号是必不可少的，这两个信号的质量对功角测量精度至关重要，而决定这两个信号质量的则是功角测量装置中对这两个信号进行处理的前端模拟电路。传统的功角测量装置前端模拟电路较为简单，对输入信号的隔离和波形整形等操作不够完善，从而影响了测量精度。
[0003] 中国专利申请01278161.4公开了一种同步发电机、电动机功角测量装置，由齿、传感器、隔离放大电路、采样保持与A/D转换器、数字信号处理器、显示器、键盘和通讯接口组成，齿安装在同步电机的旋转部分，传感器安装在同步电机的静止部分，当齿随电机转子旋转时，在传感器中产生齿脉冲Up，通过放大整形、A/D转换、数字采样和信号处理，比较齿脉冲与电机端电压Ug和系统电压Us的相位差，实现同步电机功角的实时测量，可应用于同步电机的运行监控和故障录波。
[0004] 上述发明中针对输入的键相信号和机端电压信号并没有设计相应硬件电路进行有效处理，导致输入到数字采样和信号处理模块中的信号可能出现毛刺或振铃等缺陷，影响测量精度。本发明相对于上述专利的优点是：对输入的键相信号和机端电压信号进行了精确的滤波整形处理后产生优质的键相脉冲和机端电压脉冲，再送入中央处理模块进行运算处理，从而有效提高装置的功角测量精度。
发明内容
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提供了一种功角测量装置输入信号滤波整形电路。本发明通过完善的滤波电路对输入的键相信号和机端电压信号滤波，利用光电耦合器抑制系统噪声并最终经过合适的迟滞型电压比较器产生高精度的方波键相脉冲和机端电压脉冲。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现：
[0007] 本发明包括键相信号处理电路和机端电压信号处理电路。
[0008] 其中，键相信号处理电路包括：键相信号滤波电路和键相信号整形电路，中间通过光电耦合器隔离。
[0009] 1)键相信号滤波电路包括：两个运算放大器(U1和U2)、两个二极管(D1和D2)、五个电阻(R1、R2、R3、R4、R5)、一个电感(L1)和一个电容(C1)。其中，第一电阻的一端接输入键相信号，第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第一电感的一端分别两两相连，第一电感的一端、第一二极管的负端、第一运算放大器的正向输入端分别两两相连，第二电阻的另一端、第一二极管的正端接+24V电源对应的地，第一运算放大器的反向输入端、第一运算放大器的输出端、第三电阻的一端分别两两相连，第三电阻的另一端、第二二极管的负端、第四电阻的一端、第二运算放大器的正向输入端分别两两相连，第二二极管的正端、第四电阻的另一端、第一电容的一端、第二运算放大器的反向输入端分别两两相连，第一电容的另一端接+24V电源对应的地，第二运算放大器的输出端与第五电阻的一端相连，第五电阻的另一端与第一光电耦合器(U3)的1脚相连。
[0010] 2)第一光电耦合器(U3)对前后电路进行隔离。第一光电耦合器的1脚与键相信号滤波电路输出信号相连，2脚与前端+24V电路的地相连，4脚与数字地相连，5脚与后端键相信号整形电路相连。
[0011] 3)键相信号整形电路包括：一个电压比较器(U4)、六个电阻(R6、R7、R8、R9、R10、R11)、两个电容(C2、C3)。第六电阻的一端、第一电压比较器的反向输入端、第一光电耦合器的5脚两两相连，第一电压比较器的正向输入端、第十电阻的一端、第十一电阻的一端两两相连，第八电阻的一端、第九电阻的一端、第十电阻的另一端、第二电容的一端两两相连，第一电压比较器的输出端、第七电阻的一端、第十一电阻的另一端两两相连，第六电阻的另一端、第七电阻的另一端、第三电容的一端、第八电阻的另一端接+3.3V电源，第三电容的另一端、第九电阻的另一端、第二电容的另一端接数字地。
[0012] 机端电压信号处理电路包括：机端电压变压电路、滤波放大电路、光电耦合器和机端电压整形电路。
[0013] 1)机端电压变压电路包括：两个电感(L2和L3)、一个电压互感器(PT1)。其中，第二电感的一端和第三电感的一端分别接机端电压的两路输入，互感器的2脚与第二电感的另一端相连，互感器的3脚与第三电感的另一端相连，互感器的1脚接交流电地线，互感器的4脚和6脚为输出信号与后端的滤波、放大电路连接。
[0014] 2)机端电压滤波、放大电路包括：一个运算放大器(U5)、三个电容(C4、C5和C6)、四个电阻(R12、R13、R14和R15)、一个电感(L4)、一个二极管(D3)。其中，第四电容的一端、第四电感的一端与电压互感器的正输出端相连，第四电感的另一端、第三二极管的负端、第五电容的一端、第十二电阻的一端两两相连，电压互感器的负输出端、第四电容的另一端、第三二极管的正端、第五电容的另一端、第六电容的一端、第十四电阻的一端接模拟地，第十二电阻的另一端与第五运算放大器的正输入端相连，第五运算放大器的负输入端、第十四电阻的另一端、第十三电阻的一端两两相连，第十三电阻的另一端、第十五电阻的一端、第五运算放大器的输出端两两相连，第十五电阻的另一端与后面的光电耦合器相连，第六电容的另一端接+5V电源。
[0015] 3)第二光电耦合器(U6)对前后电路进行隔离。第二光电耦合器的1脚与滤波、放大电路输出信号相连，2脚与模拟地相连，5脚与机端电压整形电路相连，4脚接数字地。
[0016] 4)机端电压整形电路包括：一个电压比较器(U7)、四个电阻(R16、R17、R18、R19)、一个电容(C7)、一个电位器(VR1)。其中，R16的一端、第二电压比较器的反向输入端、第二光电耦合器的5脚两两相连，第二电压比较器的正向输入端、第十八电阻的一端、第十九电阻的一端两两相连，第十八电阻的另一端与第一电位器的二脚相连，第一电位器的一脚和三脚分别接+3.3V电源和数字地，第二电压比较器的输出端、第十七电阻的一端、第十九电阻的另一端两两相连，第七电容的一端、第十六电阻的另一端、第十七电阻的另一端连+3.3V电源，第七电容的另一端接数字地。
[0017] 本发明根据差动放大、信号隔离、迟滞型电压比较器和滤波原理，实现发电机键相信号和机端电压信号的滤波和整形操作，该发明电路结构完整、易于调试、通过信号隔离有效降低系统噪声、利用迟滞型电压比较器产生非常标准的方波脉冲，从而有效提高功角测量装置的测量精度。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] 1、完善的滤波电路。本发明通过完善的滤波电路在信号光电隔离之前就有效的削除了键相信号和机端电压的负电压信号，并去掉信号的直流偏置，为后续波形整形做好准备。
[0020] 2、有效的信号隔离策略。本发明两个信号处理电路均采用了光电耦合器进行隔离，光电耦合器开关时间快、响应时间短，而且具有很好的抗干扰性能和隔离性能，能够有效抑制接地回路噪声，使输入端和输出端在电气上完全隔离。
[0021] 3、合适的波形整形电路。本发明最终需要产生标准的方波脉冲，针对键相信号和机端电压信号分别采用了适合的迟滞型电压比较器对光电耦合器隔离后的脉冲信号进行整形，达到很好的效果。
附图说明
[0022] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0023] 图1是本发明键相信号处理电路原理图。
[0024] 图2是本发明机端电压信号处理电路原理图。
[0025] 图3示出了键相信号整形电路的输入信号。
[0026] 图4示出了键相信号整形电路的输出信号。
具体实施方式
[0027] 本发明主要是提供一种功角测量装置中针对输入信号的滤波整形电路。测量功角时有两个信号是必须的：键相信号和机端电压信号。这两个信号进入功角测量装置首先要经过前端模拟电路，附图1为键相信号电路，由键相信号滤波电路、光耦合器和键相信号整形电路组成。其中，键相信号滤波电路包括：电压跟随电路和去直流偏置电路；键相信号整形电路是一个迟滞形电压比较器。键相信号滤波电路对键相信号进行滤波，保留信号的正电压部分并削除负电压部分，滤波后的信号进入光电耦合器进行信号隔离，隔离后的信号经过整形电路后产生所需的标准方波键相脉冲。附图2为机端电压电路，由机端电压变压电路、滤波放大电路、光电耦合器以及整形电路组成。其中，变压电路由一个电压互感器构成；滤波、放大电路包括：低通滤波电路和差动放大电路；整形电路是一个迟滞型电压比较器。机端电压信号首先经过电压互感器进行降压之后进入滤波电路，滤波电路削除信号的负电压部分保留正电压部分，经过放大电路放大后的信号进入光电耦合器进行信号隔离，信号隔离后通过迟滞型电压比较器进行波形整形，最终产生标准的方波机端电压脉冲。
[0028] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0029] 实施例：本发明包括键相信号处理电路(附图1)和机端电压信号处理电路(附图2)。其中，键相信号处理电路包括：键相信号滤波电路1、光电耦合器2、键相信号整形电路
3；机端电压处理电路包括：机端电压变压电路4、滤波放大电路5、光电耦合器6、机端电压整形电路7。
[0030] 1)其中键相滤波电路1包括：两个运算放大器(U1和U2)、两个二极管(D1和D2)、五个电阻(R1、R2、R3、R4、R5)、一个电感(L1)和一个电容(C1)。键相信号PULSE1进入键相信号滤波电路1后首先经过电阻(R1和R2)和电感(L1)组成的低通滤波电路滤除高频噪声，再利用二极管D1的正向导通、反向截止特性削除键相信号波形中的负电压部分。然后信号进入由运算放大器(U1)构成的电压跟随器，其作用是对信号隔离，使信号在保持电压不变的情况下提高驱动能力。经过电压跟随器后的信号分为两路，一路直接进入差动运算放大器(U2)正向输入端，另一路通过电阻(R4)对电容C1进行充电，由于二极管(D2)的存在充电一段时间后电容C1端的电压会保持稳定，这个电压就是该信号的直流偏置电压，根据差动运算放大器输出信号与正向、反向输入信号的电压关系，U2输出信号的直流偏置将被消除。
[0031] 2)光电耦合器(U3)对输入端和输出端的信号进行电气隔离，光电耦合器是一种“光-电-光”转换的器件，光是传输媒介，输入端和输出端在电气上是绝缘的。光电耦合器具有很好的抗干扰性能和隔离性能，能够有效抑制接地回路噪声，而且开关速度快、响应时间短，能够很好的减少信号延迟。
[0032] 3)键相信号整形电路包括：一个电压比较器(U4)、六个电阻(R6、R7、R8、R9、R10、R11)、两个电容(C2、C3)。经过光电耦合器隔离后的信号输入到电压比较器(U4)的反向输入端，电压比较器(U4)的正向输入端接入一个直流电压作为参考，同时引入输出端的反馈信号，从而构造了一个非常合适的迟滞型电压比较器。键相信号整形电路的输入信号如附图3，输出信号(如附图4)则变为标准的方波信号，上升沿和下降沿时间均不超过200ns。
[0033] 4)机端电压变压电路包括：两个电感(L2和L3)、一个电压互感器(PT1)，电压互感器将输入的机端电压信号降压后稳定输出在4V左右。
[0034] 5)滤波放大电路包括：一个运算放大器(U5)、三个电容(C4、C5、C6)、一个电感(L4)、一个二极管(D3)、四个电阻(R12、R13、R14、R15)。电压互感器(PT1)的输出信号首先经过由C4、L4组成的滤波器，然后利用二极管(D3)的正向导通、反向截止特性削除滤波后信号的负电压部分，再利用后面的运算放大器(U5)与电阻R13、R14、R15共同组成的放大电路将信号强度放大三倍。
[0035] 6)光电耦合器(U6)对放大后的信号进行电气隔离。
[0036] 7)机端电压整形电路包括：一个电压比较器(U7)、四个电阻(R16、R17、R18、R19)、一个电位器(VR1)、一个电容(C7)。光电耦合器(U6)隔离后的信号送入电压比较器(U7)的反向输入端，通过电位器VR1调节R18一端的电压，与电压比较器输出端反馈回的信号共同组成了正向输入端的参考电压，这就组成了适合于机端电压信号的迟滞型电压比较器，整形电路的输出信号将是机端电压对应的标准方波脉冲，脉冲的上升沿和下降沿时间均不超过200ns。
[0037] 本实例中的参数具体为：第一运算放大器U1、第三运算放大器U5为LM258；第二运算放大器U2为差动运算放大器INA148；第一电压比较器U4、第二电压比较器U7为LM393；第一光电耦合器U3、第二光电耦合器U6为TIL117；第一电压互感器PT1为SPT504F4；第一电阻R1、第二电阻R2的阻值为300K欧姆；第三电阻R3、第七电阻R7、第九电阻R9、第十二电阻R12、第十四电阻R14、第十七电阻R17的阻值为5.1K欧姆；第四电阻R4、第十一电阻R11、第十九电阻R19的阻值为200K欧姆；第五电阻R5、第六电阻R6、第十六电阻R16的阻值为430欧姆；第八电阻R8的阻值为20K欧姆；第十电阻R10、第十八电阻R18的阻值为2K欧姆；第十三电阻R13的阻值为10K欧姆；第十五电阻R15的阻值为1K；第一电位器VR1的阻值为4.7K欧姆；第一电容C1的容值为10uF；第二电容C2的容值为0.01uF；第三电容C3、第四电容C4、第六电容C6、第七电容C7的容值为0.1uF；第五电容C5的容值为2.2uF；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3为1N4148。
[0038] 此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
