新一代电流传感技术-Sigma Delta调制／解调技术仿真模型的建立

2012年7月第19期
科技视界
SCIENCE &TECHNOLOGY VISION 科技视界Science &Technology Vision
0引言
随着电力电子技术的不断更新和业界对于AC/DC,DC/DC 变换器转换效率要求的不断提高,进一步提高电压电流的检测精度以提高负反馈控制的准确度和实时性成为大势所趋。

另一方面,当分布式发电技术在今后成为现实以后,大规模新能源逆变器实现并网,又给并网的电力的安全性提出了更高的要求。

比如在新一代的太阳能并网型的逆变器的标准中,要求一个输出能力为几十安到几百安AC 电流的逆变器的电流的直流分量仅为mA 的级别。

这个对于电流检测的动态范围提出了严酷的要求。

传统的方式要么像普通电流互感器只能够测量AC 电流,要么像霍尔传感器那样,成本随动
态范围的要求呈几何比例的上升。

对于这种高动态范围的电流传感要求,目前业界有一个趋势是使用Shunt 电阻来测量。

而如何解决Shunt 电阻两端差模电压的“隔离”高精度测量,成为一个需要解决的问题。

本文通过模拟仿真的方法,论证了基于Sigma Delta 调制解调原理的电流检测的方法和指出了这一技术的发展趋势。

图1基于Sigma Delta 调制/解调技术的隔离
电流检测系统
1基于Sigma Delta 调制解调原理的电流采样
对于电流采样来讲,采样的精度主要取决于传感器的精度和模数转换电路的信噪比。

而如果把“精度”这个词来参数化的话,那么一般来讲可以把“精度”细分化成静态精度(DC accuracy)和动态精度(AC accuracy)两组不同的参数。

静态精度的指标主要有增益误差(Gain Error)和直流偏移
量(Offset Error),而这些误差往往是可以被系统矫正环节给消除的。

假设我们先摒除温度漂移对直流精度的影响,其实静态误差对于一个经过系统矫正后的测量系统的精度影响并不大。

动态精度主要指的就是系统信噪比(SNR),而对于高动态范围的电流检测来讲,其实主要的挑战就在于如何提高电流测量信号的信噪比。

而要在一个开关动作频繁,感性器件众多的电力电子的环境内,得到一个高信噪比的电流采样信号,谈何容易啊!
要想提高信噪比,无非有这么两个方法。

其一是在不增加噪声量幅值的情况下增加源信号的幅值,其二是在不减少源信号幅值的情况下减少噪声量的幅值。

首先,我们来看第一种方法:
在Shunt 电阻测电流原理的这种情况下,要想增加信号的幅值,唯一的办法就是增加Shunt 电阻的电阻值,从而使得输出电压值变大。

这样做的副作用就是在shunt 电阻上的损耗变大,使得逆变系统的转换效率受损。

因此,想要靠增加Shunt 电阻的方法来得到一个高SNR 采样
系统的方法是不可行的。

而从业界应用看,所使用Shunt 电阻的阻值也有减小的趋势。

这样就使得SNR 中的分子(信号幅值)越变越小,这就使得如何能减小噪声量变成了一个严峻的课题。

第二种方法是通过滤波的方法来减小噪声量。

在这里我们抛开其他的滤波方式不谈,先来看一种叫做取平均数的方
法。

在实际逆变器的电流采样子程序中,有很多人会把一个电流量连续采上个四五次,然后取个平均数,作为负反馈算法的输入值。

在这里,这个取平均的做法,其实无形中就用了过采样的原理做了一个数字低通滤波器。

图3过采样的作用
而基于Sigma-Delta 调制与解调采样结构,其实就是运用了过采样的原理结合了噪声整形技术之后,提高了系统的
新一代电流传感技术-Sigma Delta 调制/解调技术仿真模型的建立
高梓盈
(同济大学电气工程系中国上海
201804)
图
2
机械与电子
195
. All Rights Reserved.
SCIENCE &TECHNOLOGY VISION
科技视界2012年7月第19期
科技视界
Science &Technology Vision
信噪比的一种方法。

一个经典的Sigma-Delta 调制器的数学模型是由以下的一些部件所搭建出来的:一个积分器,一个比较器和一个减法器。

图4
比较器在这里就可以看成是一个一位的ADC,它的输出就是经过调制的比特码流。

由于是一位的比较器,所以可以看到,其量化误差(量化噪声)才是这个结构中的最大噪声源。

而我们如果仔细的去研究这个结构的信号以及噪声传递函数的话。

我们可以推导出来下面的两个公式:
1)信号传递函数:Y (s )X (s )=1s
1+1s =11+s
⇒所以对于信号
来讲,这个模块其实是一个低通滤波器,这个模块对于信号
端2)量化噪声的传递函数Y (s )N (s )=11+1s =s 1+s
⇒对于量化
噪声来讲,这个模块是个高通滤波器
3)由此可见,这样的一个调制模块,它可以对信号侧的
噪声信号进行低通滤波,把高频的噪声滤除,但是同时也会把其自身的高频量化噪声给带入到其输出中。

所以,在信号经过这一模块之后,其噪声的结构和频谱分布,发生了显著地变化,这一过程被称为噪声整形。

当对这一调制模块的输出信号进行额外的低通滤波(用数字滤波器解调)之后,就可以把高频成分的噪声去除,同时得到一个信噪比很高的信号。

这个就是Sigma Delta 的基本原理了。

而把这个原理用在隔离电流采样这个应用最大的好处是,它可以得到一个高信噪比的采样,同时可以把对模拟信号的隔离要求很方便实现(把对模拟隔离的要求转换成1~2根信号线数字隔离———在比较器的码流输出侧实现)。

2Sigma Delta 调制器仿真模型的建立
Multisim 是由National Instrument 出的一个对于模拟数字电路的仿真软件,和其他仿真软件一样,它是基于PSpice 仿真模型库的。

这一Sigma Delta 调制器的仿真模型的建立,就是用Multisim 完成的。

图6
仿真模型的输入端送的是一个Vp 为1V 的50Hz Sin 波形,模拟Shunt 电阻上的电压,V2是一个时钟信号,可以用来控制DFF 的开关频率已达到控制调制频率的作用以便在后面的仿真中观察调制频率对于输出结果信噪比的影响。

后面的四阶RC 低通滤波器主要来模拟解调滤波器,以便从调制信号Output0(比特流)中还原出原始信号。

3仿真实验结果和结论
仿真1:滤波器阶数对于最后信噪比的影响
底下的红色信号为输入信号(Vp=1V,50Hz ,Delay=20ms )灰色的二进制信号即为调制器输出的比特流信号
黄绿色,黄色,紫色,绿色信号分别为1~4阶RC 后的输出信号
图7
从这个仿真的结果来看,绿色(四阶)滤波器的输出最光滑,最为接近于原始输入波形。

这是由于高阶的低通滤波器
有更大阻带衰减。

对于4阶的RC 滤波器来讲,它的阻带衰减特性是-80dB,所以可以对于高出RC 截止频率10陪的噪声信号有10000倍的衰减效果。

而对于1阶的RC 来讲,这个衰减效果就只有10倍了。

而由于这个Sigma Delta 调制器的结构,使得在输出码流中有比较大的在调制频率附近的噪声信号所以一个截止频率远低于调制频率的高阶低通滤波器,对于还原出一个高信噪比的信号来讲是必须的。

结论A:Sigma Delta 的调制信号应该远高于输入原始信号,这样才能便于后面滤波器的设计,这一个结论将在仿真结果2中得到进一步的验证。

结论B:
阶数越高的解调低通滤波器可以得到更好的信
图
5
机械与电子
. All Rights Reserved.
2012年7月第19期
科技视界
SCIENCE &TECHNOLOGY VISION 科技视界Science &Technology Vision
噪比,数字滤波器由于其特性接近于砖墙式滤波器,可以比普通模拟滤波器来的更加容易实现和可以得到更加完美的高信噪比的最终输出信号。

结论C:低通滤波器的截止频率也会影响信噪比。

越低的截止频率,最后得出的信号的信噪比越高,不过信号的延时也就越大。

反之亦然,高的截止频率的信噪比会差,不过延时就小。

所以最后的解调滤波器的设计,需要考虑到信噪比和延时时间的平衡。

仿真2:验证调制频率的影响
图8
为了验证仿真1的结论A,在仿真2中做了进一步对于调对调制频率的验证。

在相同的电路中使用不同的调制频率(2K~10K),对输出波形进行比较和评估。

绿色信号是解调滤波器的输出波形。

可以看到,在相同的滤波器设计的情况下,
更高调制频率,可以得到更高信噪比的信号。

原因是更高的调制频率,会使得量化噪声分布在更高的频率段上,对于相同截止带宽的滤波器来讲,更高频率的噪声被衰减的程度就越大。

结论A:调制频率的趋势必然是越高越好,这样可以降低对于滤波器的设计的难度和提高信噪比。

随着半导体技术的发展,几百兆甚至于GHz 的调制器已经不再是难点了。

而目前对于Shunt 电流采样采样这种高频Sigma Delta 调制技术的主要技术瓶颈在于高速数字隔离传输的传输速度。

一般来讲,高速光偶能传输几十M 速度的比特流,这个限制了进一步提高调制器的频率。

而基于电磁式或者电容式的隔离技术(几百兆的传输速率),可能是今后的技术趋势。

而对于这些隔离技术来讲,最主要需要去解决的问题是提高瞬态共模干扰能力,以使得Sigma Delta 调制解调技术在隔离式Shunt 电流采样这样的环境可以得到成熟可靠地应用。

【参考文献】
[1]Combining the ADS1202with an FPGA Digital Filter for Current Measurement in Motor Control Applications.-TI,Miroslav Oljaca,Tom Hendrick (Application Report SBAA094,June 2003).[2]Principles of Sigma -Delta Modulation for Analog -to -Digital Converter-Sangi.Park (Ph.D.).[3]孙璐,王家礼.Sigma Delta 调制噪声整形的研究[J].现代电子技术,
2003年第3期,总第146期.
[责任编辑:王洪泽
]
(上接第238页)进行分类,最后根据不同分类读者群提供不同的书目服务和管理策略,促进图书馆借阅量的提高。

(2)引导读者。

如何获得读者的满意度和信任度是图书
管理中面临的主要问题。

通过分析读者的阅读习惯,挖掘读者的爱好、兴趣、专业,更好的了解读者,准确的把握读者的需求,从而以最快的速度响应读者的需求,为读者提供最优质的图书服务。

(3)决策支持。

在大量的读者信息库中运用数据挖掘技术,使读者数据可视化,直观形象的展示读者信息,及时、全面和动态的反应采购质量,为管理人员的决策支持提供有效的支持手段。

(4)优化读者服务。

图书采购管理的主要方面是读者服务。

数据挖掘技术可以发现读者的阅读习惯以掌握读者的需求,适时的把握库存情况以调整图书结构。

因此,可以用来优化图书采购的服务功能,为读者服务提供准确的图书信息,以提高对图书采购事务处理的能力。

如基于完整的读者信息,图书管理者可以推出相应的服务措施和服务策略。

5)结束语
数据挖掘技术具有强大的信息分析能力和处理能力,为高校图书采购提供强有力的技术支持,同时也为高校图书馆的管理提供了决策依据。

在数据挖掘技术的指导下,图书采购管理方式成为一种更科学的管理理念。

新的图书采购方式对图书资源与读者之间的关系提供了新的解决模式。

在经济全球化的今天,图书馆应该顺应知识经济时代的潮流,在图书馆采购过程中,充分的利用数据挖掘等技术,可以保持先进的文化得以传承,社会和谐、健康的发展。

【参考文献】
[1]王振华,柴玉梅.基于决策树的分布式数据挖掘算法研究[J].河南科技,2005(2).
[2]张爱国.数据挖掘在超级市场中的运用[J].农业网络信息,2005(1).
[3]朱丽娟.数据仓库在决策支持系统中的应用[J].农村电气化,2007(2).
[责任编辑:王洪泽
]
机械与电子
197
. All Rights Reserved.。