基于單片機控制的帶鎖相環(huán)三路智能同步采集卡設計

電力系統是數據采集系統的主要應用領(lǐng)域之一，隨著(zhù)電力系統進(jìn)一步朝著(zhù)“大電網(wǎng)、大容量、大機組”的方向發(fā)展，發(fā)、輸、配電過(guò)程要求高度自動(dòng)化已成為不可逆轉的趨勢。因此，其對應的“發(fā)、輸、配”環(huán)節對相應的自動(dòng)裝置、繼電保護裝置、故障檢測及診斷裝置等性能提出了更新更高的要求。而數據采集子(卡)系統作為這些裝置的“排頭兵”，其性能直接影響著(zhù)這些裝置的整體性能，同時(shí)也在一定程度上影響著(zhù)整個(gè)電力系統運行的“穩定性、安全性”。

電力系統中被測參數的特點(diǎn)：

1)大都是周期性電量;

2)實(shí)時(shí)性變量;3)同步性變量——主要指對稱(chēng)三相電壓、電流等;

4)變化快、隨機性強——主要是指一些干擾性及故障性信號(如：電力傳輸線(xiàn)上浪涌電流、尖峰電壓等)，同時(shí)現場(chǎng)干擾信號多而復雜。因此，對數據采集子系統不僅要求結構上應進(jìn)一步小型化、靈活化、專(zhuān)用和通用的有機結合以適應不同現場(chǎng)信號采集的需要，還要求其應逐步實(shí)現“數字化、智能化、自動(dòng)化”以滿(mǎn)足采集系統實(shí)現“高精度、高速度、高可靠性、多功能、多參數測量”等高性能采集和處理的要求。基于上述要求和目標，結合電力系統繼電保護裝置特點(diǎn)，作者在“三路同步采集卡”設計過(guò)程中，在系統結構和采集技術(shù)上作了大膽的探索和嘗試：在系統結構上采用了性?xún)r(jià)比較為合理的“串并行結構”充分利用單片機體積小、結構簡(jiǎn)單、現場(chǎng)適應能力強的優(yōu)點(diǎn)以及其豐富的硬、軟件資源及卓越的性能優(yōu)勢，使其實(shí)現了系統結構“微型、靈活”及測試過(guò)程自動(dòng)化的要求;而在采集技術(shù)上依據被采信號的特點(diǎn)(三路頻率相同)引入了鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現了對采集信號頻率的自動(dòng)跟蹤和系統采集速率的自動(dòng)變換等;同時(shí)采用了軟件實(shí)現抗干擾的方式——“數字濾波和設置陷阱技術(shù)”，從而提高了系統的抗干擾性能。通過(guò)測試表明：該“智能采集卡”滿(mǎn)足了設計指標的要求，性能穩定且可靠。

1 系統結構及原理

1.1 系統結構圖

根據系統設計指標及現場(chǎng)測試的需要，本系統采用串并行結構(見(jiàn)圖1)，同時(shí)考慮到遠程傳輸和數據處理的需要，本采集卡利用單片機的串行通訊口并配以相應接口可直接掛接到系統總線(xiàn)上以實(shí)現與上位機的實(shí)時(shí)通訊。

1.2 系統基本原理

與通常的數據采集系統相比，該系統中引入了鎖相環(huán)技術(shù)以實(shí)現三路信號的同步采集和采集速率的自動(dòng)調節;另通過(guò)多路開(kāi)關(guān)的有機組合在實(shí)現三路分時(shí)轉換的同時(shí)也實(shí)現了雙極性A/D轉換器量程的自動(dòng)轉換，從而提高了系統的靈活性和適應能力。

1.2.1 鎖相環(huán)技術(shù)

鎖相環(huán)技術(shù)也稱(chēng)自動(dòng)相位控制技術(shù)，于20世紀30年代發(fā)展起來(lái)，現已廣泛應用于通信、電子、測控等領(lǐng)域，其結構組成見(jiàn)圖2,主要由相位比較器(PD亦稱(chēng)鑒相器)，低通濾波器(LPF)，壓控振蕩器(VCO)組成。

其基本原理如下：PD將Vi(t)與Vo(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)與二者相位差成正比的誤差電壓VΦ(t)，VΦ(t)再經(jīng)由LPF濾波(濾除高頻分量)，得到控制電壓Vd(t)，并加到VCO的控制端使VCO振蕩器輸出頻率f2向f1靠攏，直至Δf=0，即f2=f1，從而實(shí)現Vi(t)、Vo(t)兩信號的頻率相同而相位差保持恒定(同步)，即實(shí)現頻率自動(dòng)跟蹤和相位鎖定。

1.2.2 集成鎖相環(huán)CD4046

鎖相環(huán)技術(shù)盡管出現于20世紀30年代，但由于組成鎖相環(huán)的是一些分離元件，因此使其成本高且性能低;同時(shí)由于其它一些技術(shù)等因素的影響，極大地限制了其大范圍的應用(早期主要應用于電視接收機的行掃描電路和供色度信號解調的副載波振蕩電路等)，直到20世紀70年代初期，隨著(zhù)微電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使得制作低成本、高性能集成鎖相環(huán)電路/芯片得以實(shí)現?，F在，鎖相環(huán)技術(shù)得到了快速發(fā)展，如今已廣泛應用于工業(yè)、通信等領(lǐng)域。作為目前國內外最具代表性也是最常見(jiàn)的集成鎖相環(huán)芯片CD4046，由于其集成度高、性?xún)r(jià)比高、多功能、易組合等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛使用，其管角排列及邏輯圖見(jiàn)圖3。