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。1LSB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±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，使得采樣和保持之間延遲引起的誤差。

　　(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間的一種關(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。