8阶连续时间滤波器芯片MAX274的工作原理及应用设计
大型变压器在运行时，其铁芯接地电流很小，约为几毫安到几十毫安，但当变压器发生铁芯多点接地故障时，其铁芯接地电流将增大到几安培甚至几十安培，从而会导致局部铁芯过热，严重时可能造成轻瓦斯动作甚至重瓦斯动作跳闸。
目前，现场人员多采用钳形电流表夹住铁芯接地线来监测其电流，但由于变压器强磁场的干扰，测量值很不精确，甚至出现同一测量点几次测量值差别迥异的情况，这样测量的参考价值值得怀疑；而国内有些单位研制的自动监测装置虽能及时发现多点接地故障，但缺乏故障后的实时监测功能。为此，设计了一种基于ｇｓｍ通讯的在线监测装置，较好地解决了变压器铁芯接地电流在线监测的问题。为了解决正常状态下接地电流很小，受到的现场干扰却比较严重的问题，设计中采用了ｍａｘｉｍ公司开发8阶连续时间滤波器芯片ｍａｘ２７４。实践证明ｍａｘ２７４的滤波效果比较理想。
１、在线监测装置的系统组成
为尽量如实反映变压器接地电流信号的情况，在图１所示的一次接线图的变压器接地线上串接了一个２ω的无感电阻，这样就将铁芯接地电流的测量转化为串接电阻上电压的测量。该铁芯接地电流在线监测装置由信号处理部分、ａ／ｄ转换部分及输出控制部分等模块构成，图２所示是其原理框图。图中，ａ／ｄ转换采用ｍａｘ１９７，该芯片的精度为１２位，带故障保护输入多路转换器和８路模拟输入通道，具有６μｓ的变换时间；通讯模块采用杭州爱赛德公司生产的ｇｓｍ模块；输出控制主要是指发生故障后在接地线上串接限流电阻（这是目前常用的故障处理方法），同时现场灯光报警；信号处理部分根据输入信号的强弱分成两路，弱信号部分的处理电路如图３所示，其中ｏｐ２７是精密运算放大器。ｍａｘ２７４就是本文要重点介绍的有源滤波器芯片。
２、ｍａｘ２７４芯片简介
普通运放和ｒｃ网络组成的滤波器元件较多，参数调节复杂，杂散电容会大大影响滤波器特性。ｍａｘ２７４是单片集成有源滤波器，它无需外接电容，只要调整外部４个电阻即可。ｍａｘ２７４的主要参数特性如下：
●可以根据需要设计成ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ或ｂｅｓｓｅｌ滤波器形式；
●可以实现低通或带通滤波输出；
●采用＋５ｖ或±５ｖ电源供电；
●每片由４个２阶滤波单元组成（共８阶），并可以实现芯片级联；
●自带设计软件，可以进行辅助设计和仿真；
●中心或截止频率ｆ０范围为１００ｈｚ～１５０ｋｈｚ。
ｍａｘ２７４的引脚及外部接口图如图４所示，各引脚功能如下：
ｉｎｘ（２，１１，１４，２３ ）：信号输入；
ｌｐｏｘ（１，１２，１３，２４）：低通输出；
ｂｐｏｘ（４，９，１６，２１）：带通输出；
ｆｃ：ｒｘ／ｒｙ调节端，可接到ｖ＋、ｖ－或ｇｎｄ。
３、ｍａｘ２７４的应用设计与仿真实现
变压器监测现场的干扰主要有电磁干扰、风扇振动（８～２５ｋｈｚ）、可控硅动作（２００～３００ｋｈｚ和７００～９００ｋｈｚ）和电台通讯信号（８００ｋｈｚ左右）等，这些信号相对都集中在较高频段。因此，滤波器应设计为低通滤波器。ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器在通带内具有最大平坦的幅度特性，而且随着频率升高呈现单调递减的特点，因而比较适合本设计。
其参数设计过程如下：
第一步，由公式ｒ２＝（２×１０９／ｆ０），计算出ｒ２；
第二步，由公式ｒ４＝ｒ２－５ｋω，计算出ｒ４；
接下来，计算ｒ３以决定ｑ值，ｒ３与ｑ的值成正比例关系，其关系式为ｒ３＝ｒ２ ｑ ｒｘ／ｒｙ，其中ｒｘ和ｒｙ是滤波器单元内的两个电阻，其比值由ｆｃ管脚连接到哪个引脚决定，具体见表１所列。
表1 fc接点与rx/ry的比值
最后计算出ｒ１，ｒ１主要用来设定增益。对于低通滤波器，ｒ１的值与增益成反比。其关系式为：
ｒ１＝（ｒ２／ｈｏｌｐ）·（ｒｘ／ｒｙ）
滤波器的设计虽然也可以采用上述步骤手算，但对高阶滤波器宜采用软件辅助设计。用滤波器设计专用软件ｍａｘ２７４ ｓｏｆｔｗａｒｅ进行滤波器设计非常方便，可以节省大量时间，同时也避免了人为计算的错误。软件仿真可以完成阶数、极点、ｑ值的计算，可生成仿真增益ｇａｉｎ和相位ｐｈａｓｅ的响应曲线，并计算外接电阻的阻值。
本设计中低通ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器的具体要求为：通带截止频率１ｋｈｚ，通带内最大衰减０．１ｍｄｂ，阻带截止频率４ｋｈｚ，阻带最小衰减５０ｄｂ，通带增益为１。将设计要求输入ｍａｘ２７４ ｓｏｆｔｗａｒｅ软件，经计算得出滤波器阶数为８，软件自动调整后可得到表２所列的４级２阶滤波器的设计参数，其中的电阻值是经过１％精度调整后得到的，ｇａｉｎ是直流状态的增益。由ｍａｘｉｍ２７４ ｓｏｆｔｗａｒｅ软件生成的增益曲线用ｍａｔｌａｂ处理后如图５中的实线所示。
表2 8阶滤波器设计参数
４、实验结果及注意事项
在实验室将表２所列的电阻值按照图４所示接入，并采用ｘｄ－７低频信号发生器将正弦波信号输入滤波器的输入端，部分典型实验数据如表３所列。输出与输入的比值取对数后生成的曲线如图５中的虚线所示。对比图５中的两曲线可以看出，在小于４ｋｈｚ时，两曲线基本重合；而当大于４ｋｈｚ时，两者出现了偏差，这是由于实验时所用电压表、电阻精度不足及电路板本身的噪声造成的。即使如此，通过表３可以看出：在４ｋｈｚ时，输出电压已经衰减为输入电压的０。４％，完全可以满足实际工程的需要，因此，本滤波器的设计是成功的。
表3 部分实验数据
使用ｍａｘ２７４时，市场上所能购买到的电阻和计算值之间有一定误差，因此要对电阻值进行取舍，通常误差不要超过５％，以使电阻值对滤波器的频谱影响不至于太大，从而使得到的频谱关系满足要求。另外，当ｒ大于４ｍω时，寄生电容的影响将明显表现出来，此时可用ｔ型网络形式将其变换成小电阻。
ｍａｘ２７４既可用单＋５ｖ供电，又可以用±５ｖ供电。值得注意的是，采用单＋５ｖ供电时，一定要按图６方式进行接线。笔者曾想当然地将电源接在ｖ＋与ｇｎｄ引脚之间，结果烧毁了一片元器件。
５、结论
在变压器铁芯在线监测项目中，铁芯接地电流很小，而现场高频干扰相对比较严重。本文探讨了采用ｍａｘ２７４设计有源滤波器的方法，并给出了实验数据。实际运行结果表明，本设计达到了预期目的。
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