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

　　對于一個已經(jīng)給定轉(zhuǎn)換位數(shù)的ADC，它對信號所能離散的數(shù)據(jù)位的水平是固定的。一個14位的ADC提供16 384的離散水平。如果信號為雙極性的AC信號，則總的數(shù)據(jù)位通常在正極性和負極性之間平均分配。對于ADC，它們所能離散的數(shù)據(jù)水平必須足夠包括預(yù)期信號的最高幅度，同時，在大小次序上、無間斷的、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量的最小幅度。對于諧波范圍的測量，它最小的幅度由最小的畸變率所決定。在國家諧波測量的標準中，對于規(guī)定的畸變率，諧波測量要求在±5％的準確度。

　　2.3轉(zhuǎn)換速率

　　ADC的轉(zhuǎn)換速率越高，價格也越高，一般只有低頻的瞬時現(xiàn)象才通過通用的ADC來進行測量，對于特高頻的瞬時現(xiàn)象，則只有特殊的設(shè)備才能進行測量。而對于通常的低頻瞬時現(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)測時，常需要幾路信號同時采樣，筆者就做過8路信號的同步采樣。一般有以下3種方法：

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

　　對于這種方法，在采樣2個通道之間，存在一個非常小的時間誤差ts。這個時間誤差ts實際上是ADC的采樣周期，它由ADC的最大轉(zhuǎn)換速率所決定。例如，當(dāng)使用一個采樣速度為200 kHz的ADC時，則采樣計時誤差為5μs。
T是掃描周期，它是一個可調(diào)整的值，它根據(jù)所測量的現(xiàn)象而進行設(shè)置。對于高達50次諧波的測量，最小的掃描速率為5 kHz或T≤200μs。如果是一個200 kHz的ADC，則每一個通道的時間誤差ts都應(yīng)保持在5μs內(nèi)，對于50次諧波(50 Hz×50=2.5 kHz即周期為400μs)來說，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ADC被多個通道所分享，則計時誤差對于第一個通道和最后一個通道是不同的，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，就是進行數(shù)據(jù)采集時在被測信號的一個周期內(nèi)，比如要采樣256點，其中128個奇數(shù)點為電壓采樣點，128個偶數(shù)點為電流采樣點。采電壓和采電流的時差為△t=T／256(T是被測信號周期)，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為被測信號頻率，n為諧波次數(shù)。由此式可知相位誤差隨時差△t、諧波次數(shù)n增大而增大。

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

　　3設(shè)計實例

　　這里是一個基于DSP(TMS320C545)的電力諧波監(jiān)測儀，根據(jù)以上分析，其數(shù)據(jù)采集的AD芯片對于德州儀器公司的ADS7864和MAXIM公司的MAX125都是不錯的選擇，這里采用了后者。因為要采樣A，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通道差動信號，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路差動順序采樣模式。每片MAX125在模擬信號輸入前都接有信號調(diào)理電路，其作用是對電網(wǎng)高壓進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的電壓，這部分在圖中沒有表示出來。本裝置在進行諧波分析時，為了達到需要的測量精度，6路模人信號要求在每個工頻周期內(nèi)的采樣點不少于1 024個點，然后留下盡量均勻的512點，再進行快速傅立葉變換，為了保證精度，只取前50次諧波。這就要求6路信號轉(zhuǎn)換的時間得小于20 ms／1 024≈19.5μs且要留足夠的余量。因為MAX125每個通道的信號轉(zhuǎn)換需要3μs，則每片MAX125三個通道依次轉(zhuǎn)換需要3×3=9μs。所以這里兩片MAX125要并聯(lián)連接，同時啟動它們，使得它們同時完成3路電壓和3路電流的采樣保持和轉(zhuǎn)換，只需要3×3=9μs的時間，再加上讀取數(shù)據(jù)的時間，比起19.5μs來，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，反過來，由TMS320C545送到MAX125的信號是在MAX125的允許范圍內(nèi)，不會造成損壞，所以就不必進行電平轉(zhuǎn)換了。

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

　　4結(jié) 論

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