宋亚凯 张一茗 孙银山 李少华 张文涛
（平高集团有限公司，河南 平顶山 467001）
【摘 要】智能高压设备需要监测的量较多，部分传感器输出的模拟信号幅值变化范围较宽，给信号的模数转换带来一定的困难，本文根据工程实践，提出了采用对数放大器进行信号压缩运算的设计方法解决此问题，通过对数放大器信号采集系统电路采集NI信号源电流信号，验证了该信号采集电路的测量精度。
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关键词 智能高压设备；宽范围变化信号；对数放大器；信号压缩
0 引言
随着智能电网建设的推广与普及，电网设备在线监测技术的应用也越来越广泛，与之相关的传感器技术也快速发展。传感器是一种将设备状态的各种物理量或化学量转变成电信号的部件。由于电信号容易进行各种处理，故无论被测量是电量还是非电量，一般都要通过各类传感器将其转换成电信号后再处理[1]。大部分传感器输出的都是模拟信号（电流、电压等），在传感器信号采集系统设计中，需要将模拟信号转换为数字信号，供后续处理电路进行分析、计算、通信等。在智能变电站中，需要传感器采集监测的量类型很多，部分被监测量的变化范围很大，导致传感器输出的模拟量变化范围也较大，给数据采集系统中的模数转换带来一定的困难。
1 智能高压电器宽范围变化信号
智能高压电器中，需要监测的量很多，主要包括两个方面：1、主电路的实时电量参数，如：电流、电压、频率、相位等；2、设备状态参数，如开关设备的状态、机械状态、绝缘情况等。
在被监测量中，部分量的变化范围很宽，例如：126kV变电站正常状态下，主电路的电流，从0A到4kA；避雷器泄漏电流，要求监测范围从100μA到50mA。一般情况下，传感器的输出信号都是与变化信号成线性关系的模拟信号，因此，传感器的输出信号变化范围也较大。
2 传感器信号的处理
在高压电器设备中，需要监测的量，通过传感器转换为模拟量，再经过处理电路，变成可以用于微处理器运算和通信的数字信号。传感器将监测到的物理量变化以模拟量的形式输出（连续变化的电流、电压），该模拟信号经过整形、滤波、放大处理，转换为可以稳定进行A/D转换（模数转换）的信号，此模拟信号经过A/D转换，变为数字信号。
2.1 信号调理电路
传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。传感器把需要测量的物理量转换为电压或电流信号，成为传感器的原始输出信号，这些信号往往比较微弱，并且受环境因素影响较大，信号上叠加一定的干扰信号，需要经过调理电路，对信号波形进行调理，才能够进行模数转换。该调理过程一般包括滤波和放大。
2.2 宽范围变化信号的放大问题
在数据采集系统中，若待测信号是很微小的电信号，需要用放大器来加以放大[2]。普通运算放大器的放大增益是由硬件电路的结构和参数决定的，如果要更改放大增益，需要对硬件电路进行修改，即普通运算放大器电路对待测信号的放大倍数是固定的[3]。如果放大倍数低，则不能满足微弱信号的测量需求，如果放大倍数高，则较大的信号经放大后，容易失真，不能满足后续运算需求。
在智能高压电器中如何解决宽范围信号放大检测问题，对信号进行非线性压缩计算是一种很好的解决思路。对于函数Y=log10 X ，当X=1时Y=log10 1=0；当X=10时， Y= log10 10=1；当X=100时，Y=log10 100=2。X每扩大10倍，Y只增加一个数量级，X在一个很大的范围内变化时，Y只在一个很小的范围内变化。所以，对数放大器具有很好的压缩性。
3 宽范围变化信号检测电路设计
3.1 对数运算放大器
理想的对数放大器是输出信号幅值与输入信号幅值成对数关系的放大电路。实际的对数放大器在输入信号幅值较小时，具有线性放大的功能增益较大；当输入信号较大时，具有对数放大的功能，增益随输入信号的增加而减小[4]。在宽范围变化信号测量领域，输入信号在短时间内会有很大变化，输出信号应稳定在几十毫伏到几伏之间。对数放大器能够自适应调节输出增益可以避免输入信号过大时，增益过大所产生的饱和。
图1中，横轴为对数刻度，当VX=VIN时，对数为零，称VX为对数放大器的截止电压。VY是10 VX对应的输出电压，即以10为基数，对应的对数为1时，输出值。VX、VY为对数截距，VOUT为输出电压。
VOUT = VY log | VIN/VX |
从图3可以看出，随着输入电压VIN的增加，其对应的输出值的增益减少。
3.2 对数放大器电路原理
对数放大器利用硅二极管上的电压与流过它上面的电流成对数关系的原理制成，结构如图4所示。
硅二极管的正向特性曲线函数为
V =（kT/q）ln(I/Io) （1）
图4所示基本对数放大器构架的转换方程为：
VO=kT/ln(I/IO)≈0.061 log(VIN/(RINIO)) （2）
图2 对数放大器基本原理
式（1）和（2）中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，I为正向电流，为反相饱和电流；VIN为输入电压，RIN为输入电阻。
3.3 对数运算放大器应用电路
对数运算放大器应用于宽范围变化信号测量系统中，传感器发出小的传感器信号，经过滤波电路接入对数放大器，对数放大器的输出经过一定增益的线性放大后，接入A/D转换电路，转换为相应的数字信号。
DSP接收到转换后的数字信号，根据对数放大器的输出特性及线性放大增益，计算出对应的传感器输出信号，从而得到待测信号信息。
对数放大器应用于测量系统中，可以简化硬件电路设计，在小信号、宽范围变化信号检测系统中具有明显的优势。
4 试验及结论
采用对数放大器方案，设计一个信号处理系统，NI公司的PXI-4132系统作为信号源，信号采集系统对信号源电流信号进行采集处理，对比信号采集系统实际测量的试验结果。
注：当信号源发出的电流信号较小时，信号采集系统由于受到外界干扰，测量电流显示值会在一定区间跳变.
通过表1数据可以看出，对数放大器信号采集系统所采集到的结果与NI信号源发出电流信号相比误差并不大，因此，该系统有较好的采集精度。可应用于多种宽范围变化量的采集。例如，变电站中避雷器绝缘性能在线监测是通过监测其泄漏电流实现的，按照相关标准，监测设备的监测范围应是100μA-50mA，最大值是最小值的500倍，如果再考虑监测精度要求，一般放大电路难以满足需求，该电路的特性可满足此监测范围的需求。而电子式电流互感器应用于126kV智能站时，其主电路电流变化范围从0A-4kA，短路电流则可能更大，监测的最大值和最小值相差104倍，一般的放大电路难以满足需求，此电路的输出特性能够满足监测需求。
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参考文献
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［３］汪俊杰,盖建新,刘旭,程爽.增益连续可调宽带前置放大电路设计与实现[J]. 信息技术,2012,10:33-36.
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［责任编辑：杨玉洁］