舒朝君， 吳天強， 羅春林， 羅 茜

（四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610065）

0 引 言

電子電路課程的實驗教學(xué)是工科類學(xué)生尤其是電類學(xué)生學(xué)習(xí)硬件設(shè)計的必備基礎(chǔ)，而如何豐富教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)質(zhì)量是每位老師應(yīng)當(dāng)思考的重要問題［1-3］。針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容單一、課程受實驗室場地限制和學(xué)生興趣不濃且受鍛煉不夠的缺陷，本文提出將實驗教學(xué)和科研項目相結(jié)合的思路，啟發(fā)學(xué)生運用電路仿真工具去分析復(fù)雜有趣的科研問題。為此，本文就科研問題的引出、解決思路、解決方案、仿真過程和驗證結(jié)果幾個環(huán)節(jié)進行展開，通過實驗和仿真相結(jié)合的方式鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際的科研思維，豐富了教學(xué)內(nèi)容，使得實驗教學(xué)更形象生動充滿趣味。

1 電力載波穿透實驗裝置

電力載波是指利用現(xiàn)有輸電線路，通過載波的方式將模擬或數(shù)字信號進行高頻傳輸?shù)囊环N通信方式，有低頻電力載波和高頻電力載波的區(qū)分［4］。實驗中使用的是低頻低壓電力載波模塊，其同時具備載波發(fā)送和接收的功能，能夠和單片機直接連接并以串口通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，模塊分全波傳輸型和過零傳輸型，其全波傳輸型載波模塊KQ-130E如圖1所示，主要參數(shù)見表1。

圖1 電力載波模塊KQ-130E

表1 KQ-130E主要參數(shù)

實驗過程中，載波模塊A與單片機a連接作為發(fā)送端，模塊B與單片機b組合作為接收端，按照圖2所示搭建實驗平臺，傳輸數(shù)據(jù)“HELLO TEMPEST！”通過紅黑隔離插座、電源濾波器以及整流橋等路徑以測試載波信號的穿透效果，得到實驗結(jié)果如圖3所示。

圖2 電力載波穿透實驗平臺示意圖

圖3 載波穿透實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，若電力載波的工作頻率控制在150 kHz以下時，其傳輸距離遠(yuǎn)，穿透能力強，基本上所有的傳統(tǒng)型紅黑隔離電源都無法阻擋如此低頻率的電力載波。因此，若電源控制器本身存在惡意植入的硬木馬，則當(dāng)控制器檢測到來自遠(yuǎn)方的電力載波觸發(fā)信號時，可使電源系統(tǒng)處于受控狀態(tài)，從而使系統(tǒng)面臨發(fā)生故障、崩潰甚至信息泄漏等安全隱患。

2 有源濾波器設(shè)計

增設(shè)濾波器是一種提高電源系統(tǒng)防觸發(fā)受控能力的有效思路，由于受電源體積和重量的限制，無源濾波器（Passive Filter，PF）在實現(xiàn)低頻信號的濾除上會顯得力不從心［5-6］。應(yīng)用于電源EMI濾波的有源濾波器（Active Filter，AF）具有卓越的低頻濾除能力，能夠彌補PF的不足，其濾波原理是采樣噪聲信號，通過處理、放大，動態(tài)輸出一個和噪聲信號近乎等值反相的補償信號，其實質(zhì)是為噪聲提供一個極低阻抗的內(nèi)部回路，理想狀態(tài)下能夠達到負(fù)載端的噪聲為零［7-8］。

圖4所示給出了AF電路的模型及具體實現(xiàn)，考慮到電源體積的限制和信號檢測過程的方便性，采用的是基本有源濾波結(jié)構(gòu)中的電流檢測電流補償型結(jié)構(gòu)［9-10］。

圖4 AF電路

圖4（a）中IN（s）為噪聲電流，ZN、ZL為噪聲源阻抗和負(fù)載阻抗，A（s）為濾波器增益，Zout為濾波器等效輸出阻抗，Zinj為電流注入網(wǎng)絡(luò)（對應(yīng)于圖4（b）中的Rinj和Cinj）的阻抗，注入網(wǎng)絡(luò)旨在將濾波器輸出電壓轉(zhuǎn)換成電流并反饋到主電路中［11-12］。實際應(yīng)用中，為確保插入損耗足夠大（對應(yīng)濾波能力足夠強），AF的設(shè)計需遵循阻抗極大不匹配原則［10］，即對于圖4（a）應(yīng)滿足ZN?ZL，故增加電感LDM和電容CR，其中Z′N＝ZN＋ sLDM、Z′L＝ ZL∥（1 ／sCR），且滿足Z′N?Z′L。

圖4（b）具體電路由3大部分組成，包括噪聲信號檢測用電流互感器（Current Transformer，CT）電路①、噪聲電平放大用電路②和電流注入網(wǎng)絡(luò)③。使用原邊匝數(shù)為1，副邊匝數(shù)為n的CT實現(xiàn)對噪聲電流的檢測。CT在低頻時具有高通特性，其增益隨頻率的降低而減小，其下限截止頻率為：

式中：l為磁路有效長度，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為相對磁導(dǎo)率，Ae為磁芯有效截面積，因此通過增加Nn和Ae可設(shè)計滿足下限截止頻率要求的CT［13-14］。綜上，CT電路的輸入輸出關(guān)系：

設(shè)計中使用由運放組成的差分放大電路實現(xiàn)對CT輸出電壓的放大，考慮到運放帶負(fù)載的能力較弱，增加了圖中所示的甲乙類互補對稱功率放大電路以增強驅(qū)動能力，此時uout和uin之間具有以下關(guān)系：

圖4（b）中Rinj和Cinj組成的電流注入網(wǎng)絡(luò)用于連接電路②的輸出端和電力線。作為耦合電容Cinj將輸出電流耦合到電力線中，同時也起到隔離濾波器和主電路的作用，并防止工頻電流的流失，因此，Cinj通常選用高頻性能較好的電容［15］。作為電路②負(fù)載的一部分，Rinj、Cinj與Z′N、Z′L共同組成負(fù)載阻抗。由于ZCR很小，故Zload主要取決于Rinj和Cinj，即

電路③輸出電流iinj與輸入電壓uout間的關(guān)系由下式給出：

式中：ωinj＝1／RinjCinj＝2πfinj，為下限截止角頻率（也稱3 dB截止角頻率），設(shè)計時應(yīng)確保其略低于式（1）中CT的下限頻率，即finj＜fL。

綜上，求得AF的輸入輸出應(yīng)滿足：

3 仿真電路的搭建

圖5給出了電力載波模塊KQ-130E的電路結(jié)構(gòu)，由二進制頻移鍵控（Binary Frequency Shift Keying，2FSK）調(diào)制解調(diào)器及其外圍電路組成。通過在PSIM

下搭建模塊的外圍電路，結(jié)合實驗條件下經(jīng)示波器測量的各輸出波形，擬搭建電力載波的仿真模型。

圖5 KQ-130E外圍電路

當(dāng)單片機與KQ-130E完成電路連接后持續(xù)向其發(fā)送數(shù)據(jù)，用示波器測得T1引腳的波形如圖6所示，其幅值為3.3V，兩種頻率的方波交替組成，而根據(jù)2FSK的定義可知這兩種頻率的方波分別代表單片機輸出的數(shù)字信號“0”和“1”。

圖6 載波波形T1

一方面，在PSIM中搭建圖5所示的電路?，使用輸出3.3 V，占空比為50%的方波電壓源作為輸入，測得L、N間的仿真電壓波形如圖7（a）所示。另一方面，在完成單片機和電力載波模塊的電路連接并上電運行后，用示波器測得KQ-130E的L、N間實驗波形如圖7（b）所示。圖7（a）、（b）的波形完全一致，表明圖5中電路?是作為載波發(fā)送用。

圖7 發(fā)送電路耦合波形（L、N線間）

對應(yīng)地，在PSIM中同時完成電路?和?搭建及相互間的連接，組成信號發(fā)送和接收電路，測得接收端電壓波形IRX如圖8（a）所示，圖8（b）是實驗測得波形，兩者完全一致，證明電路?是作為KQ-130E載波接收用。

圖8 接收電路解耦波形IRX

根據(jù)圖5～8的分析及驗證結(jié)果，結(jié)合圖4（b）AF電路，搭建出電力載波濾波仿真電路模型如圖9所示，其中AF被置于載波發(fā)送電路和載波接收電路之間，濾波器的輸入In和輸出Out被串接在L線之間，而參考接地點Gnd與N線相連，這樣才能確保濾波器輸出與電力載波等大反相的補償信號。

圖9 濾波仿真電路

4 濾波過程及分析

電力載波濾波電路按照表2所示進行各元件的取值，另外取電感LDM＝180 μH，電容CR＝0.47 μF。

表2 各元件參數(shù)

圖10給出了圖9所示電力載波濾波電路的仿真結(jié)果，其中紅色曲線代表的uo＿1表示未加AF時載波接收電路的輸出電壓波形，而uo＿2則對應(yīng)添加AF后的波形。圖10（a）-（c）對應(yīng)整體及局部放大后的時域波形，而圖10（d）代表頻域下的uo＿1和uo＿2對比結(jié)果。

圖10 濾波仿真結(jié)果

圖10的仿真結(jié)果表明，在AF的作用下，載波輸出幅值從0.75 V下降到0.02 V，濾波衰減比為97.33%，作用十分明顯。而欲實現(xiàn)更大程度的衰減，可通過增大R2／R1實現(xiàn)，但實際應(yīng)用中由于受運放增益帶寬的限制，其閉環(huán)放大倍數(shù)不能設(shè)置得過高，否則將導(dǎo)致失真現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，為進一步抑制電力載波，圖11給出了優(yōu)化設(shè)計方案，通過級聯(lián)相同結(jié)構(gòu)的AF，以串聯(lián)的方式實現(xiàn)濾波能力的增強。

圖11 濾波能力增強電路

圖11中以Up-p＝5 V的正弦交流電壓源作為噪聲源，50 Ω電阻作為噪聲源阻抗和負(fù)載阻抗，測試濾波頻率在10～200 kHz之間變化時無源濾波（即僅LDM和CR作用時）、單個AF加無源濾波及兩個AF加無源濾波的仿真對比，得到圖12所示結(jié)果。其中縱坐標(biāo)由濾波后電路的輸出電壓與濾波前求比值并取對數(shù)后乘以20得到，因此以分貝表示，代表濾波器的插入增益，對于同一頻率，幅值越低表示濾波能力越強。

圖12 不同信號頻率下的濾波對比結(jié)果

將圖11所示串聯(lián)結(jié)構(gòu)的AF用于實際中KQ-130E間通信信號的濾除，得到結(jié)果如圖13所示，其顯示為亂碼，表明在本文AF的作用下電力載波模塊間的通信受到了抑制，接收模塊獲得的信號電平過低，無法解耦出正常傳輸?shù)男盘柖@示出亂碼，從而有效解決了電源系統(tǒng)受觸發(fā)受控的安全威脅。

圖13 濾波后的KQ-130E間通信結(jié)果

5 結(jié) 語

教學(xué)和科研相結(jié)合是提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑，電路仿真軟件的熟練使用對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和增強對專業(yè)知識的掌握程度更是起到不可替代的重要作用。因此，在實際中鼓勵學(xué)生運用軟件工具去分析解決部分科研問題，再根據(jù)實驗測試進行驗證比較，對于提升本科教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生綜合素質(zhì)和培養(yǎng)其科研能力都將具有積極的作用。