電力數據采集A/D轉換器的選擇方案

　0 引 言

　　當今社會(huì )對電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，國家還專(zhuān)門(mén)制定了電能質(zhì)量的國家標準。因此，電能質(zhì)量的測量越來(lái)越得到電力用戶(hù)的重視。電能測量時(shí)，從電網(wǎng)的數據采集結果對其精度的影響起著(zhù)致關(guān)重要的作用，而這其中影響最大的是把模擬信號轉換為數字信號的模數轉換器(ADC)，往往A／D芯片的技術(shù)參數和指標就決定了整個(gè)數據采集系統的性能指標。本文就電能測量ADC的選擇作了綜述。

　　1 A／D轉換器的技術(shù)參數

　　A／D轉換器的技術(shù)參數反映了其性能特點(diǎn)，其主要的指標有以下幾個(gè)：

　　(1)分辨率：分辨率反映A／D轉換器對輸入微小變化響應的能力，通常用數字輸出最低位(LSB)所對應的模擬輸入的電平值表示。

　　(2)精度：精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。絕對誤差：是指對應于一個(gè)數字量的實(shí)際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差的最大值，通常以數字量的最小有效位(LSB)的分數值來(lái)表示。相對誤差：是指整個(gè)轉換范圍內，任一數字量所對應的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之差，用模擬電壓滿(mǎn)量程的百分比表示。

　　(3)轉換時(shí)間：轉換時(shí)間是指完成一次A／D轉換所需的時(shí)間，即由發(fā)出啟動(dòng)轉換命令信號到轉換結束信號開(kāi)始有效的時(shí)間間隔，其倒數稱(chēng)為轉換速率。例如MAX125的轉換時(shí)間為3μs，其轉換速率約為330多kHz。

　　(4)電源靈敏度：電源靈敏度是指A／D轉換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的轉換誤差。一般用電源電壓變化1％時(shí)相應的模擬量變化的百分數來(lái)表示。

　　(5)量程：量程是指所能轉換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性?xún)煞N類(lèi)型。

　　A／D轉換器實(shí)際工作時(shí)，都會(huì )引入一些誤差，主要包括：靜態(tài)誤差、孔徑誤差和量化誤差。各種誤差都是以最低有效位(LSB)作為計算單位。1 LSB定義為VREF／2n，定義中的VREF是指參考電壓，而n則是模擬／數字轉換器的分辨率。例如，14位模擬／數字轉換器的1 LSB是VREF／16 384。

　　(1)靜態(tài)誤差：當轉換一個(gè)直流信號時(shí)，靜態(tài)誤差可由失調誤差、增益誤差、非線(xiàn)性誤差和微分非線(xiàn)性誤差表示。

　　失調誤差：失調誤差就是實(shí)際ADC轉換函數曲線(xiàn)與理想轉換曲線(xiàn)間得偏移，即實(shí)際曲線(xiàn)發(fā)生了平移現象。

　　增益誤差：增益誤差就是滿(mǎn)量程誤差與失調誤差之差。

　　非線(xiàn)性誤差：非線(xiàn)性誤差就是指轉換器的實(shí)際傳輸特性曲線(xiàn)與它的平均傳輸特性曲線(xiàn)之間的最大偏差。

　　微分非線(xiàn)性誤差；它表示了輸出碼與其相鄰代碼的間隔，是通過(guò)測量輸入電壓的變化，并轉換到以L(fǎng)SB為單位，也就是我們通常所說(shuō)的的±1LSB，±0.5LSB等指標。

　　(2)孔徑誤差：由于采樣時(shí)鐘或輸入信號的噪聲，使得采樣和保持之問(wèn)延遲引起的誤差。 (3)量化誤差：A／D變換器的量化誤差決定于A(yíng)／D變換器的轉換特性，這種誤差是由轉換特性造成的，是一種原理性誤差，無(wú)法消除。A／D變換器選定以后，其量化誤差也隨之確定了。量化誤差和分辨率是統一的，量化誤差是由于有限數字對模擬數字進(jìn)行離散取值(量化)而引起的誤差。因此，量化誤差理論上為一個(gè)單位分辨率，即1LSB，提高分辨率可減少量化誤差。

　　上述這些誤差構成了A／D變換器的總誤差。在考慮上述各種誤差的綜合影響時(shí)，A／D變換器的總誤差應該用各種誤差的均方根來(lái)表示。

　　2 A／D轉換器選擇的理論分析

　　2.1概 述

　　采樣處理過(guò)程受ADC轉換精度和轉換速率的限制。一方面，對于具體的模數轉換器，它的數據位所能代表的精度是由ADC的轉換位數來(lái)決定的。另一方面，每一個(gè)模數轉換器的轉換數據在被讀取之前都要有轉換時(shí)間。數據位越多，則轉換時(shí)間越長(cháng)，相應的轉換速率也就越慢。這就要求ADC的轉換精度和轉換速率之間做出一個(gè)折衷的解決辦法。對轉換精度和轉換速率要求越高，模數轉換越困難，根據現在的市場(chǎng)上可提供的和價(jià)格合理的模數轉換器，文獻[3]作了一個(gè)大概的估計。如圖1所示，它描述了ADC的轉換精度與轉換速率之問(wèn)的一種關(guān)系。

　　圖1的左邊上方的區域代表的是容易獲得的，到右邊的底部區域則幾乎是不可能實(shí)現的。中間的那條實(shí)線(xiàn)表示的是當前市場(chǎng)上，在合理的價(jià)格基礎上，可以提供的典型的ADC的性能。它們做為現在已有的ADC性能的代表，可以在電能質(zhì)量測量中選用，例如MAX125。

　
　2.2轉換精度

　　對于一個(gè)已經(jīng)給定轉換位數的ADC，它對信號所能離散的數據位的水平是固定的。一個(gè)14位的ADC提供16 384的離散水平。如果信號為雙極性的AC信號，則總的數據位通常在正極性和負極性之間平均分配。對于A(yíng)DC，它們所能離散的數據水平必須足夠包括預期信號的最高幅度，同時(shí)，在大小次序上、無(wú)間斷的、相鄰的、數據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(dòng)態(tài)范圍要求設置在能容納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。存國家諧波測量的標準中，對于規定的畸變率，諧波測量要求在±5％的準確度。

　　2.3轉換速率

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

　
　2.4采樣方法

　　諧波監測時(shí)，常需要幾路信號同時(shí)采樣，筆者就做過(guò)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(shí)采樣的方法。圖2說(shuō)明了這種間隔掃描方法。

　

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/347260.htm
對于這種方法，在采樣兩個(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的最大轉換速率所決定。例如，當使用一個(gè)采樣速度為200 kHz的ADC時(shí)，則采樣計時(shí)誤差為5 μs。

　　T是掃描周期，它是一個(gè)可調整的值，它根據所測量的現象而進(jìn)行設置。對于高達50次諧波的測量，最小的掃描速率為5 kHz或T≤200 μs。如果是一個(gè)200 kHz的ADC，則每一個(gè)通道的時(shí)間誤差ts都應保持在5μs內，對于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°=45°。諧波次數越高，則誤差的角度就越大。如果一個(gè)ADC被多個(gè)通道所分享，則計時(shí)誤差對于第一個(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A(yíng)DC所供分享的總通道數。

　　(2)交替采樣法：所謂交替采樣法．就是進(jìn)行數據采集時(shí)在被測信號的一個(gè)周期內，比如要采樣256點(diǎn)，其中128個(gè)奇數點(diǎn)為電壓采樣點(diǎn)，128個(gè)偶數點(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。由此式可知相位誤差隨時(shí)差△t、諧波次數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)傳輸的方法。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設計實(shí)例

　　這里是一個(gè)基于DSP(TMS320C545)的電力諧波監測儀，根據以上分析，其數據采集的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，應該同步采樣數據，而一片MAX125最多只能轉換4通道差動(dòng)信號，所以用了兩片MAX125，其數據采集接口框圖如圖3所示。


兩片MAX125 a和b設置成3路差動(dòng)順序采樣模式。每片MAX125在模擬信號輸入前都接有信號調理電路，其作用是對電網(wǎng)高壓進(jìn)行隔離和抗混疊濾波，并將輸入電平轉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)，為了達到需要的測量精度，6路模入信號要求在每個(gè)工頻周期內的采樣點(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路信號轉換的時(shí)間得小于20 ms／1 024≈19.5 μs且要留足夠的余量。因為MAX125每個(gè)通道的信號轉換需要3μs，則每片MAX125三個(gè)通道依次轉換需要3×3 μs=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換，只需要3×3μs=9 μs的時(shí)間，再加上讀取數據的時(shí)間，比起19.5μs來(lái)，還有很大的余量，當然如果使兩片MAX125采用串聯(lián)工作方式，其A／D轉換時(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的數字端工作電壓是5 V，所以它們之間必須加由5 V轉換到3.3 V的電平轉換芯片，反過(guò)來(lái)，由TMS320C545送到MAX125的信號是在MAX125的允許范圍內，不會(huì )造成損壞，所以就不必進(jìn)行電平轉換了。

　　電網(wǎng)頻率為50.60 Hz時(shí)，利用本電力諧波監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(jiàn)表1，其測量的效果是令人滿(mǎn)意的。

　4結 論

　　電能測量時(shí)，AD芯片對其精度的影響起著(zhù)致關(guān)重要的作用。測量電能質(zhì)量的ADC必須有足夠的動(dòng)態(tài)范圍去滿(mǎn)足信號的最高的幅度，同時(shí)又要保持足夠的位數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。