鎖相環(huán)+雙AD7865實(shí)現交流采樣

介紹了電力系統參數交流采樣的設計思想，對頻率跟蹤電路進(jìn)行了分析，提出了由鎖相環(huán)CD4046和AD7865構成的硬件解決方法，并給出了由CD4046構成的頻率跟蹤電路、信號調理電路以及AD7865與TMS320LF2407的接口設計電路，解決了電力系統中多路電壓、多路電流的交流采樣問(wèn)題，保證電網(wǎng)頻率變化時(shí)采樣數據的精度和穩定性。該采樣算法可以應用于多種場(chǎng)合，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。

　　1 交流采樣的設計思想

　　若將電壓有效值公式：

　　離散化，以一個(gè)周期內有限個(gè)采樣電壓數字量來(lái)代替一個(gè)周期內連續變化的電壓函數值，則式(1)變?yōu)椋?/P>

　　式中：△Tm為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔;um為第m-1個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值;N為一個(gè)周期內的采樣點(diǎn)數。若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等，即△Tm為常數△T，考慮到N=T/△T，則有：

　　這就是根據一個(gè)周期內各采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數計算電壓信號有效值的公式。同樣，電流有效值計算公式：

　　計算一相有功功率的公式：

　　式中：im和um為同一時(shí)刻的電流和電壓采樣值。

　　功率因數為：

　　2 工頻信號鎖相倍頻原理及頻率跟蹤電路的實(shí)現

　　交流采樣法包括同步采樣法、準同步采樣法、非整周期采樣法、非同步采樣法等幾種，系統采用同步采樣法。同步采樣法就是整周期等間隔均勻采樣，要求被測信號周期T與采樣時(shí)間間隔△t及一周內采樣點(diǎn)數N之間滿(mǎn)足關(guān)系式T=N△t，即采樣頻率為被測信號頻率的N倍。根據提供采樣信號方式不同，同步采樣法又分為軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。本系統采用硬件同步采樣。

　　硬件同步采樣法是由專(zhuān)門(mén)的硬件電路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。一種利用鎖相環(huán)頻率跟蹤原理實(shí)現同步等間隔采樣的電路如圖1所示。

　　在相位比較器PD、低通濾波器LP、壓控振蕩器VCO構成的鎖相環(huán)內加入N分頻器，輸入fi為被測信號的頻率，作為鎖相環(huán)的基準頻率，輸出fo為采樣頻率。fo經(jīng)N分頻后與fi相比較，根據鎖相環(huán)工作原理，鎖定時(shí)fo/N=fi，即fo=Nfi。由于鎖相環(huán)的實(shí)時(shí)跟蹤性，當被測信號頻率fi變化時(shí)，電路能自動(dòng)快速跟蹤并鎖定，始終滿(mǎn)足fo=Nfi的關(guān)系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(N)倍。用該輸出去控制采樣/保持器，并啟動(dòng)A/D轉換，這樣就可以使N個(gè)采樣點(diǎn)均勻分布在被測電網(wǎng)信號的一個(gè)整周波內，消除了同步誤差，實(shí)現了無(wú)相位差的同步采樣。鎖相環(huán)相位鎖定時(shí)，壓控振蕩器VCO能在一定范圍內自動(dòng)跟蹤輸入信號的頻率變化，在頻率有畸變的情況下也能確保數據的同步采樣，保證測量精度。

　　系統中的頻率跟蹤電路由專(zhuān)用鎖相芯片CD4046和分頻芯片CD4040組成，以實(shí)現工頻信號的鎖相倍頻，分頻比為1/64。在工頻信號恰好為50 Hz的情況下，該電路的鎖相倍頻頻率為50×64=3 200 Hz，相當于一個(gè)工頻周期內有64個(gè)采樣脈沖，頻率跟蹤鎖相電路接線(xiàn)圖如圖2所示。

　　由圖2可看出，工頻方波信號由AIN輸入，經(jīng)過(guò)倍頻的方波信號由VCOUT輸出去觸發(fā)A/D芯片。

3 電壓電流調理電路設計

　　根據原理設計的電壓調理電路如圖3所示。

　　設計中采用2 mA/2 mA電流型互感器TV1013-1，采樣電阻為220 kΩ，最大可測電壓有效值為440 V;調節滑動(dòng)變阻器大小，通過(guò)信號濾波、電壓抬升、功率放大將待測信號轉化為0～5 V的電壓信號Uout，作為A/D芯片的輸入信號;同時(shí)采用過(guò)零比較法使Uout與抬升零點(diǎn)比較產(chǎn)生工頻方波信號，作為鎖相環(huán)電路的輸入信號。

　　電流采集電路與電壓采集電路相似，只是電流信號衰減部分使用了sensor系列精密電流互感器CHG-200E與TA1905-4組成的兩級電流互感器，轉化比例為20 A/1.25 mA，并且去掉了采樣電阻。具體電路如圖4所示，電壓抬升電路省略;Iout為0～5 V的電壓信號，輸入A/D芯片。

　　4 TMS320LF2407與雙AD7865的接口設計

　　4.1 接口電路設計

　　在交流采樣系統設計中，要求精度為0.2%～0.5%，但TMS320LF2407的10位A/D轉換芯片的采樣精度為1/1 024，近乎0.1%，但考慮到電路中的其他環(huán)節的誤差，已很難做到0.2%。為了適應采樣法電力參數測量中同時(shí)采樣多路輸入信號及對電壓需較寬的測量范圍的要求，為此，本系統采用外接A/D的方法，通過(guò)TMS320LF2407控制外部AD7865轉換器對三相交流電壓、電流等電力參數進(jìn)行交流采樣。

　　TMS320LF2407是TI公司推出的一種面向數字控制系統開(kāi)發(fā)的新型可編程DSP控制器。它將一個(gè)高性能的16位、定點(diǎn)、低功耗DSP核和許多功能外設集成在單芯片上，提供了較高的集成度和較強的運算能力，采用先進(jìn)的哈佛結構和多總線(xiàn)形式，外加4級流水線(xiàn)操作，使大多數匯編指令能在一個(gè)機器周期內完成。AD7865是美國AD公司推出的14位4通道高速A/D轉換器。其最快采樣速度為每通道2.4 μs;具有4路同步采樣輸入及4個(gè)跟隨/保持放大器;可單電源(+5 V)工作;具有寬輸入范圍(最大為±10 V)，低功耗和輸入過(guò)壓保護等功能。根據調理電路設計的具體要求，這里選擇AD7865-2型A/D芯片，其輸入的模擬電壓范圍為0～5 V。

　　對于功率的計算，由式(5)可知，im和um必須為同一時(shí)刻的電流、電壓采樣值。為了簡(jiǎn)化軟件算法，消除電壓、電流依次采樣的時(shí)間差，采用適當的硬件連接，用一條操作指令同時(shí)啟動(dòng)兩片AD7865，同時(shí)采樣對應的三相電壓和電流，使得im，um為同一時(shí)刻的采樣值。

　　如圖5所示為T(mén)MS320LF2407與雙AD7865的接口電路原理圖，沒(méi)有涉及到的管腳未畫(huà)出。

　　兩片AD7865的14位數據總線(xiàn)D0～D13均可直接連接到DSP的數據總線(xiàn)上;由鎖相環(huán)電路產(chǎn)生的采樣脈沖連接兩個(gè)AD7865的引腳，采樣脈沖的上升沿將啟動(dòng)A/D轉換;兩片AD7865的寫(xiě)控制線(xiàn)直接連接到DSP的線(xiàn)上;而DSP的與D15相或連接到AD7865(1)的、與相或連接到AD7865(2)的。為了方便讀出A/D轉換數據，兩片ADC的片選套用常規方法，由連續地址線(xiàn)譯碼所得，若在地址0xA 000H～0xA007H范圍內AD7865(1)有效，而AD7865(2)的片選則在0xA008H～0xA00FH地址范圍內有效。兩片AD7865的BUSY信號相或后連接到DSP的端，XINT1為低電平時(shí)，表明兩片AD7865的A/D轉換都已完成，輸出數據已準備好，系統可采用查詢(xún)方式依次讀取兩片AD7865中的A/D轉換結果。

　　4.2 軟件設計

　　工頻交流電標準頻率為50 Hz，周期為20 ms。根據TMS320LF2407的主頻和AD7865的A/D轉換速度和電力參數實(shí)用精度要求，一個(gè)工頻周期內采樣64個(gè)點(diǎn)，即采樣周期定為312.5μs。

　　系統上電運行后，由鎖相環(huán)電路產(chǎn)生的采樣脈沖同時(shí)觸發(fā)兩個(gè)AD7865運行;每次轉換完成后，DSP按照I/O空間譯碼地址同時(shí)讀取兩個(gè)AD7865芯片數據，并根據交流采樣的計算公式即可得出電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數。圖6為所設計程序的流程圖。

　　5 實(shí)驗結果

　　圖7為電壓調理電路輸出的工頻方波信號和鎖相環(huán)電路產(chǎn)生的采樣脈沖信號。

　　圖8為220 V交流信號經(jīng)過(guò)調理電路后的輸出波形，從波形可以看出電壓值均在0～5 V之間，達到了AD7865的采集范圍。

　　6 結語(yǔ)

　　基于鎖相環(huán)和雙A/D的交流采樣技術(shù)解決了直流采樣硬件復雜、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。在電力參數的測量過(guò)程中，簡(jiǎn)化了外圍電路硬件，電參數精確穩定，進(jìn)一步提高了系統的可靠性和精度。具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。