電力數(shù)據(jù)采集A／D轉(zhuǎn)換器的選擇方案

　　2.2轉(zhuǎn)換精度

　　對(duì)于一個(gè)已經(jīng)給定轉(zhuǎn)換位數(shù)的ADC，它對(duì)信號(hào)所能離散的數(shù)據(jù)位的水平是固定的。一個(gè)14位的ADC提供16 384的離散水平。如果信號(hào)為雙極性的AC信號(hào)，則總的數(shù)據(jù)位通常在正極性和負(fù)極性之間平均分配。對(duì)于ADC，它們所能離散的數(shù)據(jù)水平必須足夠包括預(yù)期信號(hào)的最高幅度，同時(shí)，在大小次序上、無(wú)間斷的、相鄰的、數(shù)據(jù)位之間必須足夠的小，以保證所需要的精確度。 在諧波測(cè)量中，有代表性的基波的頻率成分是含量最大的成分。因此，ADC的動(dòng)態(tài)范圍要求設(shè)置在能容納100％的基本成分中間。然而，要求的精度取決于所要測(cè)量的最小幅度。對(duì)于諧波范圍的測(cè)量，它最小的幅度由最小的畸變率所決定。在國(guó)家諧波測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于規(guī)定的畸變率，諧波測(cè)量要求在±5％的準(zhǔn)確度。

　　2.3轉(zhuǎn)換速率

　　ADC的轉(zhuǎn)換速率越高，價(jià)格也越高，一般只有低頻的瞬時(shí)現(xiàn)象才通過(guò)通用的ADC來(lái)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于特高頻的瞬時(shí)現(xiàn)象，則只有特殊的設(shè)備才能進(jìn)行測(cè)量。而對(duì)于通常的低頻瞬時(shí)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)換速率在10 kHz到100 kHz之間的轉(zhuǎn)換器就已經(jīng)足夠了。

　　2.4采樣方法

　　諧波監(jiān)測(cè)時(shí)，常需要幾路信號(hào)同時(shí)采樣，筆者就做過(guò)8路信號(hào)的同步采樣。一般有以下3種方法：

　　(1)間隔掃描方法：它是一種模擬同時(shí)采樣的方法。圖2說(shuō)明了這種間隔掃描方法。

　　對(duì)于這種方法，在采樣2個(gè)通道之間，存在一個(gè)非常小的時(shí)間誤差ts。這個(gè)時(shí)間誤差ts實(shí)際上是ADC的采樣周期，它由ADC的最大轉(zhuǎn)換速率所決定。例如，當(dāng)使用一個(gè)采樣速度為200 kHz的ADC時(shí)，則采樣計(jì)時(shí)誤差為5μs。
T是掃描周期，它是一個(gè)可調(diào)整的值，它根據(jù)所測(cè)量的現(xiàn)象而進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于高達(dá)50次諧波的測(cè)量，最小的掃描速率為5 kHz或T≤200μs。如果是一個(gè)200 kHz的ADC，則每一個(gè)通道的時(shí)間誤差ts都應(yīng)保持在5μs內(nèi)，對(duì)于50次諧波(50 Hz×50=2.5 kHz即周期為400μs)來(lái)說(shuō)，它的相位誤差粗略為：(5μs／400μs)×360°=4.5°。諧波次數(shù)越高，則誤差的角度就越大。如果一個(gè)ADC被多個(gè)通道所分享，則計(jì)時(shí)誤差對(duì)于第一個(gè)通道和最后一個(gè)通道是不同的，它等于N×ts，，這里N等于ADC所供分享的總通道數(shù)。

　　(2)交替采樣法：所謂交替采樣法，就是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，比如要采樣256點(diǎn)，其中128個(gè)奇數(shù)點(diǎn)為電壓采樣點(diǎn)，128個(gè)偶數(shù)點(diǎn)為電流采樣點(diǎn)。采電壓和采電流的時(shí)差為△t=T／256(T是被測(cè)信號(hào)周期)，由此引起的同相電壓和電流的相位誤差為360°×f×n×△t，式中f為被測(cè)信號(hào)頻率，n為諧波次數(shù)。由此式可知相位誤差隨時(shí)差△t、諧波次數(shù)n增大而增大。

　　(3)同步采樣法：筆者采用過(guò)同相的4路電壓和4路電流的同步采樣，分時(shí)傳輸?shù)姆椒?。這種方法不存在時(shí)差問(wèn)題，相位差也就不存在，但要求每個(gè)通道都要有一個(gè)采樣保持電路。

　　3設(shè)計(jì)實(shí)例

　　這里是一個(gè)基于DSP(TMS320C545)的電力諧波監(jiān)測(cè)儀，根據(jù)以上分析，其數(shù)據(jù)采集的AD芯片對(duì)于德州儀器公司的ADS7864和MAXIM公司的MAX125都是不錯(cuò)的選擇，這里采用了后者。因?yàn)橐蓸覣，B，C三相電壓和電流，共6路模入通道，為了保證6路工頻信號(hào)之間保持正確的相位關(guān)系，應(yīng)該同步采樣數(shù)據(jù)，而一片MAX125最多只能轉(zhuǎn)換4通道差動(dòng)信號(hào)，所以用了兩片MAX125，其數(shù)據(jù)采集接口框圖如圖3所示。

　　兩片MAX125 a和b設(shè)置成3路差動(dòng)順序采樣模式。每片MAX125在模擬信號(hào)輸入前都接有信號(hào)調(diào)理電路，其作用是對(duì)電網(wǎng)高壓進(jìn)行隔離和抗混疊濾波，并將輸入電平轉(zhuǎn)換成芯片正常工作時(shí)的電壓，這部分在圖中沒(méi)有表示出來(lái)。本裝置在進(jìn)行諧波分析時(shí)，為了達(dá)到需要的測(cè)量精度，6路模人信號(hào)要求在每個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)不少于1 024個(gè)點(diǎn)，然后留下盡量均勻的512點(diǎn)，再進(jìn)行快速傅立葉變換，為了保證精度，只取前50次諧波。這就要求6路信號(hào)轉(zhuǎn)換的時(shí)間得小于20 ms／1 024≈19.5μs且要留足夠的余量。因?yàn)镸AX125每個(gè)通道的信號(hào)轉(zhuǎn)換需要3μs，則每片MAX125三個(gè)通道依次轉(zhuǎn)換需要3×3=9μs。所以這里兩片MAX125要并聯(lián)連接，同時(shí)啟動(dòng)它們，使得它們同時(shí)完成3路電壓和3路電流的采樣保持和轉(zhuǎn)換，只需要3×3=9μs的時(shí)間，再加上讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間，比起19.5μs來(lái)，還有很大的余量，當(dāng)然如果使兩片MAX125采用"串聯(lián)"工作方式，其A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間就是18μs也小于19.5μs，但余量不夠。

　　TMS320C545的I／O工作電壓是3.3 V，MAX125的數(shù)字端工作電壓是5 V，所以它們之間必須加由5 V轉(zhuǎn)換到3.3 V的電平轉(zhuǎn)換芯片，反過(guò)來(lái)，由TMS320C545送到MAX125的信號(hào)是在MAX125的允許范圍內(nèi)，不會(huì)造成損壞，所以就不必進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換了。

　　電網(wǎng)頻率為50.60 Hz時(shí)，利用本電力諧波監(jiān)測(cè)儀所測(cè)定的各次諧波波畸變率的測(cè)量誤差的方均根值見(jiàn)表1，其測(cè)量的效果是令人滿意的。

　　4結(jié) 論

　　測(cè)量電能質(zhì)量的ADC必須有足夠的動(dòng)態(tài)范圍去滿足信號(hào)的最高的幅度，同時(shí)又要保持足夠的位數(shù)去獲得必須的準(zhǔn)確度。而且，它的采樣速率必須足夠的高，以便于采樣信號(hào)中的最高頻率成分。