基于FPGA的全光纤电流互感器控制电路设计

A输出信号建立时间不仅对闭环控制带宽具有重要影响，而且当其建立时间较长时，会对输出阶梯波台阶的前、后沿影响很大，导致模数转换器前端输入信号的尖峰脉冲拉长，而有效采样时间窗口变短，因此建立时间越短越好。D/A的增益误差和输出线性度决定了输出模拟信号的误差和线性度，而模拟信号的误差和线性度施加在相位调制器上后或直接影响反馈相位的控制误差，因此需选择增益误差和输出线性度小的模数转换器。D/A的分辨率直接决定相位控制的最小分辨精度，其分辨率最好大于A/D的分辨率。设计中采用16位的高速D/A芯片AD9726实现该模数转换功能。由于该芯片为电流型输出，所以后端采用高速运放AD81l实现电流输出转电压输出和电压幅度放大功能。

　　3 实验验证及讨论

　　为验证上述控制电路性能，结合前端光纤电流传感头模块搭建了全光纤电流互感器装置。同时，采用大电流发生器（交流，有效值0 ~ 5 000A，50 Hz）作为测试电流源，并以0.0l级（误差低于0.0l%）的标准电流互感器为基准，按照国标要求，搭建了一套准确度校检系统，以之校检该全光纤电流互感器的测量准确度，从而验证上述控制电路的指标和功能。图3是上层控制界面通过串口获得的50 Hz交流电信号的截图，可见通过上述控制电路可以有效解调出50 Hz交流电信号的周期和幅度信息，从而实现对光纤传感头的闭环控制功能。

　　图3上层控制界面获得的50Hz交流电信号

　　在本控制电路基础上搭建的全光纤电流互感器装置样机额定一次电流值Ipr设定为100A-4000A，根据国标要求，在Ipr的l%-120%范围内，实测电流值i测的测量误差如表1所示，其中标准电流值i标指0.01级标准电流互感器对待测电流进行检测得到的电流值（有效值，与真实值之间的误差低于 0.0l%），单位为A；样机解调信号的数字输出指样机对待测电流进行解调后输出的数字量；样机解调出的电流值i解，指样机解调信号的数字输出乘以一个固定变比得到的数值，表征解调输出的电流值（有效值），单位为A；电流误差为i标和i解之间的误差。

　　图4全量程范围的实测误差曲线

　　根据表1的数据，可得到全量程范围内的误差曲线，如图4所示。可以直观看出全量程范围内的实测误差均满足0.2 S级测量准确度的要求。即设计的电路完成了对光纤传感头的闭环控制和测试数据解调。

　　本文初步研究了用于全光纤电流互感器的闭环检测控制电路，基于单片FPGA实现信号采集、数据输出以及与计算机通信等控制和数据解调、积分滤波、阶梯波产生等算法，完成了对光纤电流互感器传感头输出信号的检测以及闭环控制。该控制电路具有结构简单、集成度高、闭环控制速度快、控制精度高等特点，为研制满足电力电网测试需求的全光纤电流互感器奠定了基础。此外，基于该控制电路研制的全光纤电流互感器样机，经测试，其额定一次电流100 A~4000 A范围内均实现了0.2 S级测量准确度，初步满足电力电网对电流互感器测量准确度的要求。