CN214585873U - 一种断路器检测装置的前置放大电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种断路器检测装置的前置放大电路。包括电阻R9、R11、电容C32、C33、C37、AD8250芯片；外接输入的一端与R9的一端连接，R9的另一端分别接电容C33的一端、AD8250芯片的10引脚，外接输入的另一端与R11的一端连接，R11的另一端分别接电容C33的另一端、AD8250芯片的1引脚，AD8250芯片的8引脚分别接C32的一端、+5V电源，C32的另一端接地，AD8250芯片的3引脚分别接‑5V电源、电容C37的一端，电容C37的另一端接地，AD8250芯片的9引脚接地，AD8250芯片的7引脚作为输出端使用。本实用新型输出阻抗要小，且不易受负载的影响。

Description

一种断路器检测装置的前置放大电路

技术领域

本实用新型涉及断路器的放大电路保护领域，尤其涉及高压直流输电***、高压交流输电、变电***等的断路器的放大电路技术领域。

背景技术

在日常工作中，电气试验是及时发现断路器潜伏性隐患、避免突发事故发生的重要手段。依据《GB50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准》和《Q/CSG 114002-2011电力设备预防性试验规程》等现行电气试验标准，机械特性、绝缘电阻、回路电阻、均压电容的介质损耗和电容量等试验项目是断路器主要的电气检测项目，能够发现断路器的大部分缺陷。目前相关技术标准、规范、规程，针对高压断路器要求检测项目，常规有机械特性、绝缘电阻、回路电阻、均压电容的介质损耗和电容量等诸项。实施这些检测项目，不仅费时、费力且还具有一定作业危险性。另外，在高压断路器诸多检测项目中，对于检测引线的要求差异很大。有些要求承受较高电压且具备双屏蔽性能，如：介质损耗、绝缘电阻项目；有些要求能承受较大电流，如：回路电阻项目。直观、机械的方法是：在每个接线端连接1～2根，能够满足高电压、大电流检测引线。此方法，需要较多的引线数量和接线次数。即每检测一个不同的检测项目时，需重新对高压断路器进行重新接线。频繁换线从而增加了试验操作劳动强度，而且增加了作业风险和检测时间。

综合分析，断路器的电气试验工作主要存在三个方面的问题：一是相间距大、接线端高带来的问题，拆接线的劳动强度大、时间长、工作效率不高，且可靠性低，易损伤瓷瓶，采用常规仪器进行检测，需配置多台仪器，需更换试验接线和仪器操作，且随着高电压等级断路器的端口高度的增加，为频繁的拆接线带来了大量的工作强度；二是安全性低，较多接线次数不但使接线人员更多的面对感应电带来的危险，而且也增加了接线过程中对断路器套管造成损伤的风险。三是测量准确度不够，由于现场的检测环境和条件的限制，测量过程中测量仪器必定会受到现场干扰的影响，这对仪器的性能要求较高。

在材料、结构、硬件等的研发条件都已成熟的情况下，有必要针对当前超高压断路器电气检测面临的问题，研制综合多种试验项目的智能化检测装置。高压断路器检测装置是断路器优化检修的基础和前提，其主要是通过先进的传感器技术，检测技术和信息处理技术等，分析断路器各部件的工作情况，对断路器的重要参数进行长时间检测，可以提供现有设备的实时运行状态，判断有无存在的故障征兆，不仅为高压断路器的检修维护提供了数据和经验，而且提高了设备的维护检修周期和设备的利用率，减少了检修维护的成本，具有重要的经济意义。

断路器检测装置的前置放大电路是置于信源与放大器级之间的电路或电子设备,是专为接受来自信源的微弱电压信号而设计的，其对于断路器检测装置的检测精度有极高的要求。当前，断路器检测装置的前置放大电路的主要问题有：(1)对外噪声敏感；(2)容易造成失真；(3)容易受到负载影响。为此，本文设计了断路器检测装置的前置放大电路。

发明内容

针对上述问题，本实用新型旨在解决上面描述的问题。本实用新型的一个目的是提供一种解决以上问题的断路器检测装置的前置放大电路。

本实用新型技术方案是：一种断路器检测装置的前置放大电路，包括电阻R9、R11、电容C32、C33、C37、AD8250芯片；外接输入的一端与R9的一端连接，R9的另一端分别接电容C33的一端、AD8250芯片的10引脚，外接输入的另一端与R11的一端连接，R11的另一端分别接电容C33的另一端、AD8250芯片的1引脚，AD8250芯片的8引脚分别接C32的一端、+5V电源，C32的另一端接地，AD8250芯片的3引脚分别接-5V电源、电容C37的一端，电容C37的另一端接地，AD8250芯片的9引脚接地，AD8250芯片的7引脚作为输出端使用。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型前置放大电路本身带来的噪声小，且对外来噪声不敏感；

2.本实用新型前置放大电路的输入阻抗比前级电路的输出阻抗高得多；

3.本实用新型前置放大电路具有良好的增益特性，线性度好，失真小；

4.本实用新型前置放大电路增益频率特性应该能够覆盖必要的频带范围；

5.本实用新型前置放大电路输出阻抗要小，且不易受负载的影响。

参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本实用新型的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且与描述一起用于解释本实用新型的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例性地示出了本实用新型的断路器检测装置的前置放大电路的结构示意图；

图2示例性地示出了本实用新型的断路器检测装置的前置放大电路的AD8250内部功能框图；

图3示例性地示出了作为本实用新型的断路器检测装置的前置放大电路的反相放大器噪声源等效模别；

图4示例性地示出了作为本实用新型的断路器检测装置的前置放大电路的运放噪声的频率特性图；

图5示例性地示出了作为本实用新型的断路器检测装置的前置放大电路的失调电压误差模型图；

图6示例性地示出了作为本实用新型的断路器检测装置的前置放大电路的电阻反馈下偏置电流引起的误差。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

下面结合附图，对根据本实用新型所提供的断路器检测装置的前置放大电路进行详细描述。

实施例1：如图1-6所示，一种断路器检测装置的前置放大电路，包括电阻R9、R11、电容C32、C33、C37、AD8250芯片；外接输入的一端与R9的一端连接，R9的另一端分别接电容C33的一端、AD8250芯片的10引脚，外接输入的另一端与R11的一端连接，R11的另一端分别接电容C33的另一端、AD8250芯片的1引脚，AD8250芯片的8引脚分别接C32的一端、+5V电源，C32的另一端接地，AD8250芯片的3引脚分别接-5V电源、电容C37的一端，电容C37的另一端接地，AD8250芯片的9引脚接地，AD8250芯片的7引脚作为输出端使用。

本实用新型的工作原理是：

前置放大器一般采用低噪声的运算放大器，这样可以减小信号调理电路的等效输入噪声，而可调增益的放大器可以灵活地设置放大器的增益，这样可以将不同幅度的信号放大到AD的最大输入范围，这样可以增加信号的动态范围，使小信号也能得到比较准确的测量。在低频信号检测电路中，通常使用仪器放大器作为前置放大器。仪器放大器是一种精密的差动放大器，一般将精密元件集成在放大器的内部，通常具有非常高的共模和差模输入阻抗、极高的共模噪声抑制比、极低的噪声和线性误差、稳定准确的增益。可变增益放大器通常使用模拟幵关、电阻网络和运放组成，利用模拟开关来改变反馈电阻网络的值从而改变放大电路的增益，该种方法需要的器件比较多，而且精度也受到模拟开关导通电阻等因素的影响等。

本实用新型选用ADI公司的PGA芯片AD8250，AD8250是一款可以进行数字式可编程增益的仪表放大器，拥有GΩ级输入阻抗、低输出噪声和低失真等特性，因此特别适合用来做与传感器接口的前置放大器。它拥有10MHz带宽、-110dB的低总谐波失真(THD)，失调电压最大为0.6mV，保证的失调漂移和增益漂移分别为17μV/℃和10ppm/℃(G＝10)。该器件的输入共模电压范围很宽，共模抑制比典型为80dB(G＝1，直流至50kHz)，同时具有精密直流性能和高速能力则使成为数据采集应用的绝佳选择。

如图2，AD8250是一个经典三运放的拓扑结构，增益控制是通过内部精密电阻组成的开关电阻阵列，可变增益为1、2、5、10。通过用户接口包含的一个并行端口，用户可以采用以下两种方式设置增益：一种方式是用透明增益模式，在这一模式下，由增益端口处的逻辑电平状态决定增益，另一种方式是锁存增益模式/WR输入锁存通过总线发送的2比特字，两种模式的真值表1，表2如下：

表1为AD8250透明模式下的真值表

表2为AD8250锁存模式下的真值表

/WR	A1	A0	Gain
				High to Low	Low	Low	Change to 1
High to Low	Low	High	Change to 2
				High to Low	High	Low	Change to 5
High to Low	High	High	Change to 10
				Others	X	X	No Change

本实用新型的前置放大电路原理图如图1，前面一部分是一个RC差模噪声滤波，截止频率为170kHz，前级传感器或者隔离芯片输出端的信号经过该滤波器后送入前置放大器，经不同的增益放大后输出到后级滤波器，增益控制采用透明模式，增益控制端直接连接到ARM芯片的IO口，在需要改变增益时，只要将ARM芯片相应的通用数字IO口置高或者置低。本实用新型中的增益控制原则如表3所示。

PGA增益的控制以输入信号的有效值为参考，即首先对增益设定一个默认值(电压通道为1，电流为2)，对经过ADC转换的信号在一个周期内的值计算出有效值，然后再参考表3增益的界定值进行实时增益控制以良好的跟踪输入信号的变化。

表3为PGA增益控制原则

在数模混合信号电路板设计中，低电平模拟信号需要与嘈杂的数字电路隔离。AD8250设计也不例外，其电源电压是参考模拟地平面，其数字电路以数字地平面为参考，模拟和数字地平面只有一个共地点。

作为本实用新型的进一步说明，对本实用新型的相关技术作如下具体介绍：

实际运算放大器的噪声主要用电压噪声来度量，运放的内部噪声通常都折合到输入端，看作与理想无噪声的运放的输入端并联或者串联的噪声源，反相放大器的噪声源等效模型如图3，其中

如图3所示，主要的等效噪声源及其噪声传递函数为：

1.两个电流噪声源，为反相输入端的电流噪声i_nosie-和同相输入端的电流噪声i_nosie+，噪声传递函数分别为(R_f)(i_nosie-)和(R_p)(i_nosie+)(NosieGain)；

2.—个电压噪声源，为同相电压噪声，传递函数为(V_nosie)(NosieGain)；

3.电阻热噪声，如图中R_f、R_g和R_p，噪声传递函数分别为

和

运放的噪声按照噪声密度与频率关系可以划分为噪声、白噪声和分配噪声，噪声特性通常表现为如图4；

如图4所示，1/f噪声的噪声密度随着频率的降低而升高，即该噪声的幅度与频率成反比，通常来说，该噪声的功率谱以1/f的速率下降，因此叫做1/f噪声，主要分布在低频段。第二个区域的噪声叫白噪声，该噪声作用于一定的频率范围，在该频率范围噪声密度是平坦的。在有些情况下，噪声密度会出现尖峰，这种情况下的噪声称为分配噪声。

一般用噪声系数NF来评估运算放大器的噪声，用放大器的输入输出信号的S/N表达为下式：

NF(dB)＝20×log[(S_i/N_i)/(S_o/N_o)] (1)

式中，S_i和S_o分别是放大器输入信号和输出信号的振幅；N_i和N_o分别为输入信号的噪声和放大器的输出噪声。一般情况下，如果放大器的噪声系数越小，那么这个放大器所附加产生的噪声就越少。

对于放大器的误差：

实际的运算放大器都是会存在误差，这些误差主要包括输入失调电压V_OS、输入偏置电流I_B、输入失调电流I_OS等，一般统称为输入参考误差。相关的研究论题主要是热漂移TC，共模抑制比CMRR，馈电抑制比PSRR以及增益非线性度。一般情况下负反馈对这些非理性特性不会有明显的改善，必须有针对性地采取其他方法，下面来介绍一下这些方法：

(1)输入失调电压：

理想运放，当输入电压为零时，输出电压也应该是零，然而由于输入级两部分之间的参数不匹配，当实际运放输入为零时必须在输入端加一补偿电压才能使输出为零，称这个补偿电压为输入失调电压。误差模型如图5。

如图5，由失调电压造成的输出电压误差为E_O＝Gain·V_OS，通常对于失调电压的测量，可以通过将输入短接到地或者一个固定的参考电平，将放大器配置为一个高增益放大器而得到一个输出电压，这个输出电压除以增益值就可以得到失调电压的值。此外，失调电压是一个变量，其大小和正负会时刻变化，所有影响其变化的量中温度是最主要的量，我们一般用温度系数

来度量这个特征，式中T是绝对温度，以开尔文计，由此可得失调电压与温度的关系式：

V_OS＝V_OS(25℃)+TC×(T-25℃) (2)

如何降低运放的失调误差是高精度放大电路必须要考虑的。首先，***校正可以在一定程度上补偿初始失调电压的偏差，但是失调电压会随着时间和温度发生漂移，所以这种方法的作用比较有限。现在，有一种自动调零的运放，使用一个辅助放大器来检测主放大器的失调，然后在适时的情况下反馈给主运放，这样就可以改善由温度或者时间所引起的失调误差，在一定程度上还可以降低噪声。还有，对于只需要测量交流信号的***也可以采用后级加隔直电容的方法，但是需要加一个对地的电阻，并且要选用一个低失调电压的运放作为缓冲级。

(2)对于偏置电流和失调电流；

实际运放的输入引脚都会吸收少量电流，我们将两个输入端静态电流的平均值称为输入偏置电流

并称它们的差为输入失调电流I_OS＝I_B++I_B-，偏置电流通常比失调电流大得多，因此偏置电流是误差的主要来源。

如图6，偏置电流引起的误差为：

E_O＝±I_B-×R_F (3)

为了使由偏置电流和失调电流引起的误差降到最小，可以采取以下方法：

1.采用CMOS和JEFT输入级的运放，这两种工艺本身就有比较低的偏置电流，一般情况下只有10pA左右或者更低。缺点是偏置电流随温度会有比较大的漂移；

2.采用偏置电流可以相互抵消的运放，这种运放的偏置电流不会太小但是随着温度不会有较大的漂移。

综上所述，对于放大器误差的估计应该考虑很多因素，而这些因素并不是一成不变的，有些因素随着温度、时间会发生比较大的变化，因此对于放大器的估计是一个比较复杂的过程。通常，在需要预估最坏情况时，是将各种各样的变化因素通过相加的形式组合在一起；而对最有可能发生变化感兴趣时，则采用平方根和的形式将它们组合在一起。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本实用新型的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如一端和另一端等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种断路器检测装置的前置放大电路，其特征在于：包括电阻R9、R11、电容C32、C33、C37、AD8250芯片；外接输入的一端与R9的一端连接，R9的另一端分别接电容C33的一端、AD8250芯片的10引脚，外接输入的另一端与R11的一端连接，R11的另一端分别接电容C33的另一端、AD8250芯片的1引脚，AD8250芯片的8引脚分别接C32的一端、+5V电源，C32的另一端接地，AD8250芯片的3引脚分别接-5V电源、电容C37的一端，电容C37的另一端接地，AD8250芯片的9引脚接地，AD8250芯片的7引脚作为输出端使用。

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