電力線完整性已成為工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備設(shè)計的重要方面?，F(xiàn)在許多過程都依賴于對噪聲和干擾敏感的傳感器輸入的實時監(jiān)控。電瞬變很容易擾亂精密測量。如果這些條件沒有得到補償，不正確的讀數(shù)會導致閉環(huán)控制環(huán)路出現(xiàn)像差或系統(tǒng)缺少重要的安全相關(guān)信號。

因此，某種形式的交流線路監(jiān)控已成為一種形式。重要的附加傳感器輸入，以確保瞬態(tài)和其他電力線失真不會影響設(shè)備。電力線監(jiān)測可用于確保其他高功率設(shè)備使用的電力轉(zhuǎn)換器正常運行，不會向電網(wǎng)注入不需要的諧波或出現(xiàn)不平衡負載，從而可能中斷電力輸送。用戶還可以使用這些數(shù)據(jù)來確定流程是否需要優(yōu)化以通過跟蹤整個工廠的電源使用熱點來降低總體能耗。

大多數(shù)交流線路監(jiān)控設(shè)計使用一個或多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）將電力線信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，然后使用本地處理器應用數(shù)字信號處理，以獲得有用的操作參數(shù)，例如峰值和平均功率輸出，功率因數(shù)角度，諧波電壓幅度和線路頻率。

設(shè)計交流線路監(jiān)控子系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是確定哪種類型的測量很重要，因為這些將影響用于采樣輸入的ADC的選擇，以及輸入通道的數(shù)量。例如，用于確定諧波失真的三相監(jiān)視器需要對總共四個相位的電壓和電流進行采樣，因此需要8個ADC輸入通道。需要采樣的第四階段是中性線：如果主相不平衡，這將顯示電流流動。

主要用于瞬態(tài)檢測的AC線路監(jiān)控器可以使用相對簡單的ADC設(shè)計，并且連接到低端微控制器或硬件狀態(tài)機，對輸入信號中的尖峰作出反應。對于更高級的測量，例如諧波，ADC分辨率和精度更重要。

通常，用于電流測量的AC線路的連接是通過電流互感器或Rogowski線圈。電壓互感器或電阻分壓器網(wǎng)絡可用于電壓讀數(shù)。電流互感器是一種相對低成本的測量選項，盡管它們可以提供小的相位失真，需要校正諧波失真的精確測量。電流互感器也容易受到附近磁場的影響 - 強磁場會導致磁芯飽和并使其無法傳遞準確的信號。

Rogowski線圈通過去除鐵芯來避免鐵芯飽和的問題，而有利于空芯，在有強大的外部磁場的情況下空芯不會飽和。 Rogowski線圈的另一個優(yōu)點是它不需要直接接觸導體 - 線圈只需纏繞導體。

Rogowski線圈電流傳感器的輸出與一階導數(shù)成比例通過它的交流電流。結(jié)果，傳感器的輸出需要在它可以乘以初級電壓之前進行積分，以提供功率讀數(shù)。因此，Rogowski線圈不能直接替代電流互感器。信號調(diào)理電子設(shè)備需要提供集成功能。工程師可以選擇是否使用模擬集成，通?；?a target="_blank">運算放大器電路或數(shù)字集成。

Rogowski線圈更容易將AC線路監(jiān)控改裝為現(xiàn)有絕緣，因為它不需要斷開電氣連接。導體必須分開，以便電流傳感器可以滑到它上面。但是，如果交流線路監(jiān)控電路是正在安裝的工業(yè)系統(tǒng)的一部分，則不應出現(xiàn)問題。

某些設(shè)備可以實現(xiàn)更直接的連接。對于更簡單的交流線路監(jiān)控，主要用于檢測單相電源輸入的瞬態(tài)，Silicon Labs的Si8900提供ADC和控制的組合以及高達5 kV的電流隔離，將電源監(jiān)控電路與其余部分隔離開來系統(tǒng)。這種設(shè)計允許使用電阻將線電壓降低到ADC的范圍，運算放大器用作信號調(diào)理的差分放大器。由電源線供電的簡單LDO通過串聯(lián)電容連接，為器件供電。

圖1：單相電路圖使用Silicon Labs Si8900進行傳感。

Si8900的ADC子系統(tǒng)基于一個10位，500 ksample/s逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，前面是一個三通道模擬輸入多路復用器和一個帶用戶的串聯(lián)增益放大器 - 1x或0.5x增益的可編程設(shè)置。 ADC具有內(nèi)部參考，但如果設(shè)計人員更喜歡，它也可以使用外部參考。其他片上功能包括一個控制狀態(tài)機，它使用UART，I 2 C或SPI串行端口監(jiān)控主機控制器和前端之間的所有事務。

基于Si8900的前端可以在兩種用戶可選擇的操作模式之一下運行。在需求模式下，外部主機控制器根據(jù)需要觸發(fā)單個ADC轉(zhuǎn)換。該器件還可以在突發(fā)模式下工作，其中ADC轉(zhuǎn)換連續(xù)執(zhí)行。系統(tǒng)主機處理器可以根據(jù)需要從一種模式切換到另一種模式，從而減少主機的干預。

德州儀器的ADS131E08可以連接到電流互感器或Rogowski線圈進行電流測量，或者連接到電阻分壓器網(wǎng)絡或變壓器測量電壓。該器件提供8個ADC通道，支持電流和電壓的全四相測量。這些ADC基于sigma-delta設(shè)計，提供高達24位的分辨率，并且之前是可編程增益放大器和EMI濾波器。通過控制輸出采樣率，設(shè)計人員可以調(diào)整ADC的噪聲性能。隨著輸出數(shù)據(jù)速率的降低，噪聲也相應下降。例如，當使用器件的3 V電源和內(nèi)部2.4 V基準電壓時，將輸出數(shù)據(jù)速率從64 ksample/s降低到1 ksample/s會將有效位數(shù)從12.27位增加到18位。/p>

圖2：用于四相監(jiān)控的八通道TI ADS131E08的框圖。

通過SPI端口與信號處理主機微控制器或DSP進行通信?？梢允褂眉?a target="_blank">比較器和一組可編程觸發(fā)點設(shè)置來執(zhí)行輸入過量程或欠量程檢測。 ADS131E08具有靈活的每通道輸入多路復用器，可獨立連接到內(nèi)部生成的信號，以進行溫度和故障測試。利用集成比較器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制的觸發(fā)電平，可以在器件內(nèi)部實現(xiàn)故障檢測。

Maxim Integrated的MAX11046設(shè)計用于快速響應不斷變化的條件，還可以同時測量電流和電流。三相電壓加中性至16位精度，250 ksample/s。結(jié)果通過高速20 MHz并行數(shù)據(jù)總線提供。

Microchip Technology的MCP3911為單相安裝提供高精度選項，提供兩個16位或24位sigma -delta ADC。 MCP3911能夠連接各種電壓和電流傳感器，包括分流器，電流互感器，Rogowski線圈和霍爾效應傳感器。該器件由兩個可編程增益放大器，一個相位延遲補償模塊和數(shù)字偏移和增益誤差校準寄存器提供支持。主機通信采用20 MHz SPI接口。

提供多路輸入，在某些情況下還提供隔離功能，專為交流線路監(jiān)控而設(shè)計的ADC，可輕松構(gòu)建能夠檢查電源狀態(tài)的工業(yè)系統(tǒng)并有效地應對不斷變化的條件。