童相海

TONG Xiang-hai

（江苏海事职业技术学院 电气工程系，南京 211170）

0 引言

低漂移集成运放既能把小信号放大，也能将高电压衰减，在多路测量系统中，只要将被测信号调整到模数转换器（A/D）的输入范围，后续的处理电路就能把所有模拟量变成数字量，各种人工处理的事务就可以完全由机器替代，自动化程度和准确度明显提高[1]。

1 集成运放的电路分析

在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。如OP07CP，使用很方便，只要双电源供电，合理使用两个输入端和同相输出端即可。

1.1 集成运放的特性

集成运放具有高输入阻抗特性，两输入端的输入电流为零，i＋=i－=0，简述为“虚断”。在分析放大电路时，可以断开运放的输入端［2］。

集成运放具有高增益特性，运放两输入端的电位差近似为零，u＋=u－，简述为“虚短”。在分析放大电路时，可以将运放的输入端用虚线连接。

集成运放具有输出低阻抗特性，使得经过放大的信号负载能力强。

对集成运放来说，输入端电压差、输入电流构成的输入特性，即“虚短”和“虚断”，在伏安特性坐标系中，在第一象限，当Uid→0时，Iid→0就是指向坐标原点；在第三象限，当Uid→0时，Iid→0也是指向坐标原点，如图1所示。

图1 运放的输入特性

1.2 集成运放的基本应用电路

1.2.1 反相比例运算

图2 反相比例运算

集成运放可以实现反向比例运算，构成的电路如图2所示，途中R1=R2‖Rf，根据运放的虚短虚断特性简化，A点电位等于0，R2和Rf流过相同的电流，则Ku=－Rf/ R2。

实际应用时，如果Ui不超出VCC和VSS的范围，运放将工作在线性范围内。当Ui超出电源电压范围，该电路作为衰减器使用，在两个输入端间必须加二极管保护，使得电路仍具有运放的虚短虚断特性，维持线性放大。

1.2.2 同相比例运算

集成运放可以实现同相比例运算，构成的电路如图3所示，根据运放的虚短虚断特性简化，Ku=1＋Rf/ R2，不管Rf和 R2阻值如何，总有Ku≥1。

图3 同相比例运算

实际应用中，通常是放大小信号，当R2开路时，Ku=1，Uo=Ui，即同相跟随器。

1.3 集成运放输入端保护

当运放用于衰减高电压信号时，运放的两个输入端等电位就有可能瞬间遭到破坏，通常用两个二极管反向并联在输入端口上对交流限幅加以保护。

两个二极管反向并联及伏安特性曲线如图4，由于硅二极管处于死区电压时电流为0，对外仍然等效为高阻抗，分析电路时同样理解为虚断；两个二极管并到运放输入端不影响运放两输入端常处于虚短状态[3]。

2 集成运放在电功率测量中的应用

测量电功率时，主要是通过测电压电流值来计算的。

2.1 电流的测量

图4 两个二极管反向并联的特性

电流的测量可以采用测量电流互感器或钳形表来完成，电流互感器根据需要将被测大电流线性变换为小电流，后接精密电阻转换为小电压，用线性运放放大，供后续电路处理。需要说明的是：互感器输出与输入，幅值基本呈线性关系，但是相位滞后，相位差随电流大小而不同，只能补偿处理，这样测量很不方便。所以采用取样电阻直接测量电流的方法，测量电路如图5所示。

图5中，R0为取样电阻，其负端被选作参考地电位。假如取样电阻R0为5毫欧且最大允许通入20A电流，现通入5A电流，取样电阻两端电压为25毫伏，采用Ku＝－10的反相放大器，输出电压就被放大到250毫伏。目前的数字式单相电能表均如此，取样电阻电损耗很小，成本低廉，没有相位偏差，电能计量精确。

图5 交流电流取样反相放大电路

2.2 电压的测量

在测量电压时，根据电压等级不同采用的方法也不同。

2.2.1 高电压的测量

对于高电压的测量，通常采用降压互感器，降压互感器将大电压信号变换成小电压信号，这样输出小信号与高电压同步变化，一般电压变化动态范围小，在组合功率或电能测量时，相位偏差可以近似认为是定值，依照经验值处理即可。

将小电压信号线性放大后，可以作为电压测量处理电路使用，也可以同时作为功率或电能测量处理用信号。

2.2.2 0500 V交流电压的测量

1）参考电位选在火（相）线上的电压测量

参考电位选在火线上，电流按照参考方向流入，电压的参考方向指向Un，Un相对于参考点是反相。由于图5电流采样是反相放大，为使电压放大输出信号与之同相位，先将Un衰减，然后同相放大。电路如图6所示，图中R4是R5的1000倍，电压衰减1001倍，R3是R6的1000倍，电压同相放大1.001倍，整个放大电路衰减1000倍，这样输入500V时，输出500mV。

图6 交流电压衰减同相放大电路

R4是R5的1000倍，电压衰减1001倍，输入500V时，R5上电压约500mV。D5～D8四只二极管组成的过压保护电路能够限制R5上电压，使峰值1000mV以下的交流信号得以线性放大，也就是限制了外部输入电压。这样允许直接测量0～500V交流电压，有效防止高电压输入导致放大电路损坏或者后续电路过输入。

2）参考电位选在零线上的电压测量

图7 交流电压反相衰减电路

参考电位选在零线上，电流按照参考方向流入，电压的参考方向指向Un，Up相对于参考点是同相。由于图5电流采样是反相放大，为使电压放大输出信号与之同相位，将Up反相衰减1000倍。电路如图7所示，R3是R6的1000倍，电压反相衰减1000倍，整个放大电路衰减1000倍。

图5、图6和图7是针对单相交流电的测量电路，图5中I＋、I－是电流测量端，图6、图7中的Up、Un是电压测量端。单相交流电功率、电能测量方案中，将电压Up、Un和电流I＋、I－四端引出，接入要测量的电压电流信号即可。运放输出的小电压信号与电流和电压线性相关，便于后续电路处理。

由于参考地是随电流回路负端而确定的，运放电路的供电电源地只能是浮置的，这就决定了以上电路适用于单相交流电功率测量，对三相交流电功率测量只能分开进行，不能合并到一个地上[4]。

3 结论

电工仪表的模拟时代给人们留下深刻的印记，集成电路工艺的创新促使运放诞生、发展，采用运放使得信号采样简便易行，加上模数转换器的贡献，使得电功率测量已经逐渐步入数字化时代，测量数据更加准确。

[1] 陈键.电工仪表与测量[M].北京：北京理工大学出版社,2009.

[2] 蔡锦福.运算放大器原理与应用[M].北京：科学出版社,2005.

[3] 周志敏,周纪海,纪爱华.电工电子实用电路[M].北京：电子工业出版社,2005.

[4] 盛占石,江博,谭斐,孙俊.基于ADE7758的电网监测仪表设计[J].仪表技术与传感器,2008,12：38-40.