基于LTC1068光纤电流互感器的二次侧信号处理

摘要 介绍了基于法拉第效应的光纤电流互感器的基本原理，并利用开关电容滤波器LTC1068进行光纤电流互感器二次侧信号处理的设计方法。给出的测试结果表明，利用LTC1068进行二次侧信号的处理方法实用有效，完全满足测量要求。
关键词 LTC1068；光纤电流互感器；法拉第效应；FilterCAD

电流互感器是电力系统不可缺少的部件，随着输电电压和电流等级的不断提高，对电力系统运行的可靠性和测量精确度要求越来越高，传统的电磁式电流互感器由于存在磁滞、磁饱和、绝缘性差、充油易爆炸、质量重等缺点已难以满足测量要求。光纤电流互感器(Fiber Opt ic Current Transducer，FOCT)因其不充油、绝缘性能好、精度高，将成为传统电磁式互感器的替代产品，受到广泛的重视。然而，光纤电流互感器具有光纤陀螺仪等光学传感器所共同面临的随机噪声问题，该问题成为限制光纤电流互感器在电能计量应用的主要要素之一。光纤电流互感器随机噪声来源于光源相干噪声、光源强度噪声、光电探测器散粒噪声、电子器件热噪声、环境噪声、器件老化等各种因素所导致的时变噪声。因此，噪声的抑制成为光纤电流互感器研究最大的问题。目前在光纤电流互感器中抑制噪声的方法主要有：(1)在光路上用退火光纤绕制传感头来降低线性双折射引起的噪声，这种方法的缺点是退火光纤使用寿命较短，不适合长期工作。(2)光电转换后使用传统的运放、电阻及电容搭建高阶滤波器，这种设计方法的缺陷是电路结构复杂，且截止频率的精度完全依赖运放外部的电容及电阻的精度。文中提出一种使用新型开关电容滤波器设计光纤电流互感器滤波电路，这种方法设计简单，且截至频率精度主要取决于外部时钟，容易设计高精度滤波器。

1 法拉第效应的光纤电流互感器原理
基于法拉第效应的光纤电流互感器原理图如图1所示。

法拉第旋光效应的实质是线性偏振光在介质中传播时，光的偏振面在外磁场作用下发生旋转，旋转的角度与磁场强度的大小和在介质中光与磁场发生作用的长度及材料的性质有关。
法拉第磁光效应可描述为

式中，θF为线偏振光的法拉第旋转角；V是费尔德常数；H为电流在光路方向上产生的磁场强度；L为磁光材料中通光路径；μ0为磁导率；N为绕载流导体的光纤圈数，当光路围绕导体一周的闭合路径时N=1。
图1是单光路检测法的原理图。在这种光的检测方案里，光源发出的单色光经起偏器变成线偏振光后进入磁光介质，再经过检偏器进入光电探测器。设检偏器的透光轴与起偏器的透光轴夹角为φ，法拉第旋转角为θF，则探测器接收到的光强J为

根据式(3)可以求得φ±45°。它表明检偏器的方位角为45°时，探测器θF对有最大灵敏度。所以式(2)变成

当转角θF较小时，sin2θF≈2θF。显然，通过探测器测出J即可由式(4)求出旋转角θF，进而得出被测电流的大小。[p]

2 开关电容滤波器LTC1068简介
凌力尔特公司的LTC1068系列是低噪声、高精度的通用滤波器组合模块，有4个相同的2阶开关电容滤波器节，其内部结构如图2所示。单块芯片可以被设计成4个2阶、2个4阶或一个8阶滤波器。其功能特性为：(1)2阶节中心频率误差±0．3％和±0．8％。(2)低噪声，对于单个二阶节，LTC1068-200为50μV(RMS)，LTC1068为50μV(RMS)，LTC1068-50为75μV(RMS)，LTC1068-25为90μV(RMS)。(3)低功耗4．5 mA。(4)工作电压可选择双电源±5V，单电源5 V或3．3V。

LTC1068系列芯片之间差别主要是时钟频率与中心频率之比不同，多数应用场合，设计滤波器要求不同的fclk／f0。可通过用外部电阻和不同的连接方式加以解决。
LTC1068的引脚SA～SD为求和端，其连接方式改变每2阶节的电路工作模式；INVA～INVD为反相信号输入端；HPA～HPD为高通信号输出端；BPA～BPD为带通信号输出端；LPA～LPD为低通信号输出端。在LTC1068应用设计过程中，注意以下使用要点：(1)正、负电源端应接0．1 μF旁路电容到模拟地。(2)模拟地与数字地应单点连接。(3)时钟源和滤波器不应使用同一个电源供电。(4)时钟端最好采用方波信号驱动，时钟线在印制板上的走线最好在芯片右边，减少时钟信号能量耦合到输入、输出模拟线上；时钟源与时钟输入引脚之间，串入200Ω电阻可进一步减少信号耦合。(5)反向输入端的布线至少要离开电源线和时钟线2．5mm距离。(6)末级输出端使用跟随器加以缓冲，可以减少耦合。(7)在滤波器最后一级输出端加简单RC低通网络可最大限度地降低时钟反馈。
[p]
3 滤波电路设计
LTC1068与其他型号开关电容滤波器相比具有极低的噪声，较高的阶数，且中心频率能够设置在较低的频率，其他大多数集成滤波器中心频率只能设置在100 Hz以上。设计所采用的滤波器型号是LTC1068-200，时钟与中心频率的比值为200，通过外部电阻的设置也可以适当改变这个比值。被测电流为工频电流50Hz，因此滤波器的中心频率应设置在50 Hz，另外，如果带宽设计的过窄会使Q值过大从而导致滤波器工作不稳定，设计中滤波器带宽选择3Hz。
LTC1068的工作模式较多，设计起来较为复杂。对此，凌力尔特提供了相应的设计软件FiherCAD，大大减少了设计人员的工作量。Filter CAD是一种计算机辅助设计程序，用于帮助那些没有滤波器设计专长的用户，采用凌力尔特公司的单片式滤波器IC来制作滤波器。借助Fiher CAD，您将能够设计具有各种响应的低通、高通、带通和陷波滤波器。
打开FilterCAD后，选择Enhanced Design，然后选择Bandpass，Center取50 Hz，Passband取3 Hz，Stopband取6 Hz，Response选择Butterworth，Order取8。
接下来进行电路设计，IC选择1068-200 200：1+／-5 V，Clock选择10 000 Hz，选择Standard Resistor Val，生成的电路如图3所示。

[p]
点击仿真按钮后，可以得到相频、幅频和群延迟曲线仿真曲线，幅频特性曲线如图4所示。

由以上设计可知，该电路的工作需要提供10 kHz的时钟，在本设计中使用10．24 MHz的有源晶振产生10．24 MHz的时钟信号，然后通过74HC4040进行1 024分频即可得到10 kHz的时钟信号。焊接电路时选用1％精度的金属膜电阻，由于电路暴露在外面很容易受到工频50 Hz电磁干扰，应将电路放在屏蔽罩中，并使屏蔽罩良好接地。

4 测试结果
测试结果在以下条件得出：光源选用1 mW，1 550 nm波长的激光光源，传感光纤为50 m，使用带尾纤的起偏器和检偏器，电流为10A。检偏后的光信号由探测器转换成电信号，再通过前置放大后接入如图4所示滤波电路的输入端Vir，Vou经后级跟随器输出，测试波形如图5所示。

5 结束语
介绍了单片有源开关电容滤波器LTC1068的特性和LTC1068应用电路的设计方法。实验表明，利用LTC1068进行光纤电流互感器二次侧信号的处理，在小电流下也能得到较稳定的信号，完全能够满足测量要求。