微機(jī)保護(hù)的硬件原理

1、微機(jī)保護(hù)的硬件原理微機(jī)保護(hù)的硬件原理第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 1.1.微機(jī)保護(hù)的硬件系統(tǒng)包括以下三部分：微機(jī)保護(hù)的硬件系統(tǒng)包括以下三部分：n數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或稱模擬量輸入系統(tǒng)）：包括電壓形成、采樣保持、多路開關(guān)及數(shù)模轉(zhuǎn)換。n微型機(jī)（或微處理器）主系統(tǒng)：包括微處理器、程序存儲(chǔ)器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、定時(shí)器、并串接口等。n開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)：由微型機(jī)的并行接口、光電隔離器件及有觸點(diǎn)的中間繼電器等組成。完成保護(hù)需要的外部觸點(diǎn)接入、出口跳閘、人機(jī)對(duì)話等功能。圖11 示出了微機(jī)保護(hù)硬件構(gòu)成框圖第一節(jié)第一節(jié) 概述概述圖11 微機(jī)保護(hù)硬件構(gòu)成框圖第一節(jié)第一節(jié) 概述概述2. 微機(jī)保護(hù)用硬件特點(diǎn)微機(jī)保護(hù)

2、用硬件特點(diǎn)n集成微處理器（MPU）、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨即存取存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)、并行接口(PIO)、閃存單元(FLASH)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、通信接口等多種功能集成在一個(gè)芯片內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)。n把所有總線連同單片機(jī)都集成在一個(gè)芯片內(nèi)的總線不出片技術(shù)。n不區(qū)分微機(jī)、單片機(jī)、微處理器第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n為模數(shù)轉(zhuǎn)換（為模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADAD）做準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字）做準(zhǔn)備、轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量量n適應(yīng)電力系統(tǒng)故障信號(hào)特點(diǎn)適應(yīng)電力系統(tǒng)故障信號(hào)特點(diǎn)w頻譜分布寬廣：從直流、衰減直流、工頻基波分量到各頻譜分布寬廣：從直流、衰減直流、工頻基波分量到各次諧波

3、（最高到數(shù)百千赫茲）在內(nèi)的暫態(tài)信號(hào)次諧波（最高到數(shù)百千赫茲）在內(nèi)的暫態(tài)信號(hào)w動(dòng)態(tài)范圍寬廣：從正常運(yùn)行的幾十安培到短路狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)范圍寬廣：從正常運(yùn)行的幾十安培到短路狀態(tài)下的幾萬安培甚至幾十萬安培幾萬安培甚至幾十萬安培微機(jī)保護(hù)的硬件原理微機(jī)保護(hù)的硬件原理n適應(yīng)繼電保護(hù)特點(diǎn)要求適應(yīng)繼電保護(hù)特點(diǎn)要求w模擬量設(shè)置應(yīng)滿足繼電保護(hù)功能要求為準(zhǔn)則模擬量設(shè)置應(yīng)滿足繼電保護(hù)功能要求為準(zhǔn)則w典型的高壓線路保護(hù)需要：三相電流、零序電流；三相典型的高壓線路保護(hù)需要：三相電流、零序電流；三相電壓、線路側(cè)線間電壓；電壓、線路側(cè)線間電壓；w典型的三繞組變壓器差動(dòng)保護(hù)需要：每一繞組側(cè)的三相典型的三繞組變壓器差動(dòng)保護(hù)需要：每一

4、繞組側(cè)的三相電流電流 因此，微機(jī)保護(hù)是一個(gè)多模擬量輸入系統(tǒng)因此，微機(jī)保護(hù)是一個(gè)多模擬量輸入系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)的硬件原理微機(jī)保護(hù)的硬件原理2 21 1 電壓形成回路電壓形成回路要求要求n繼電保護(hù)所使用的電壓、電流都是來自于電壓互繼電保護(hù)所使用的電壓、電流都是來自于電壓互感器（感器（100100伏、線間電壓）和電流互感器（額定電伏、線間電壓）和電流互感器（額定電流流5 5安或安或1 1安，短路電流安，短路電流100100安）安）n把把100100伏左右的電壓變換為適合伏左右的電壓變換為適合ADAD轉(zhuǎn)換需要的正負(fù)轉(zhuǎn)換需要的正負(fù)2.52.5伏、正負(fù)伏、正負(fù)5 5伏、正負(fù)伏、正負(fù)1010伏的電壓；伏的電壓；n

5、把小于把小于1 1安安100100安的電流變換為適合安的電流變換為適合ADAD轉(zhuǎn)換需要轉(zhuǎn)換需要的正負(fù)的正負(fù)2.52.5伏、正負(fù)伏、正負(fù)5 5伏、正負(fù)伏、正負(fù)1010伏的電壓伏的電壓第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變換器變換器n電壓變換器電壓變換器 用于將一次電壓變換成微機(jī)保護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換（用于將一次電壓變換成微機(jī)保護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADAD）用的電）用的電壓，普通變壓器原理。壓，普通變壓器原理。n電流變換器：電流變換器：用于電流電流電壓用于電流電流電壓 用于將一次電流變換成微機(jī)保護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換（用于將一次電流變換成微機(jī)保護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADAD）用的電）用的電壓。普通變壓器原理，把電流變換成電流，再把一個(gè)

6、小電阻壓。普通變壓器原理，把電流變換成電流，再把一個(gè)小電阻并聯(lián)在該變壓器的二次側(cè)，形成電壓。并聯(lián)在該變壓器的二次側(cè)，形成電壓。 要求該變壓器的鐵心不飽和。要求該變壓器的鐵心不飽和。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n電抗變壓器：電抗變壓器：用于直接獲取電壓用于直接獲取電壓 它的原理結(jié)構(gòu)、原理圖及等值電路如圖它的原理結(jié)構(gòu)、原理圖及等值電路如圖1 12 2所示所示 圖圖1 12 2 電抗變壓器的原理結(jié)構(gòu)與等值電路圖電抗變壓器的原理結(jié)構(gòu)與等值電路圖第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 它的鐵心帶有氣隙、具有三個(gè)繞組的變壓器。由于它的鐵心帶有氣隙、具有三個(gè)繞

7、組的變壓器。由于存在氣隙，勵(lì)磁電抗數(shù)值很小，相對(duì)而言很大的二次存在氣隙，勵(lì)磁電抗數(shù)值很小，相對(duì)而言很大的二次負(fù)載阻抗可忽略不及，故一次電流全部作為勵(lì)磁電負(fù)載阻抗可忽略不及，故一次電流全部作為勵(lì)磁電流。此時(shí)有以下關(guān)系：流。此時(shí)有以下關(guān)系： 總體效果相當(dāng)于總體效果相當(dāng)于.13()/( )ocmUIRjXZR3()/( )brmZRjXZR.1ocUI jX 因此電抗變能夠?qū)⒁淮坞娏鞯幕ǚ至砍杀壤剞D(zhuǎn)因此電抗變能夠?qū)⒁淮坞娏鞯幕ǚ至砍杀壤剞D(zhuǎn)換成二次側(cè)電壓。但放大了諧波分量，阻止了直流和換成二次側(cè)電壓。但放大了諧波分量，阻止了直流和低頻分量。嚴(yán)格講是失真變換。低頻分量。嚴(yán)格講是失真變換。n電流變

8、換器和電抗變壓器的比較電流變換器和電抗變壓器的比較w電流變換器能夠不失真地變換電流成為電壓，但是在出電流變換器能夠不失真地變換電流成為電壓，但是在出現(xiàn)非周期分量、衰減直流分量時(shí)，容易飽和，線性度差，現(xiàn)非周期分量、衰減直流分量時(shí)，容易飽和，線性度差，動(dòng)態(tài)范圍小動(dòng)態(tài)范圍小w電抗變壓器具有阻止直流、放大諧波的作用，因此當(dāng)一電抗變壓器具有阻止直流、放大諧波的作用，因此當(dāng)一次波形為非正弦時(shí)，二次將發(fā)生嚴(yán)重畸變。但是它的動(dòng)次波形為非正弦時(shí)，二次將發(fā)生嚴(yán)重畸變。但是它的動(dòng)態(tài)范圍寬廣、鐵心不易飽和、具有移相作用。在某些場態(tài)范圍寬廣、鐵心不易飽和、具有移相作用。在某些場合下還是有用的。合下還是有用的。第二節(jié)第二

9、節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2 22 2 采樣保持電路和模擬低通濾波采樣保持電路和模擬低通濾波器器采樣保持電路的作用及原理采樣保持電路的作用及原理n定義：定義：采樣保持電路（采樣保持電路（S/H,Sampling and S/H,Sampling and HoldingHolding）是在極短時(shí)間內(nèi)測量模擬量在該時(shí)刻的）是在極短時(shí)間內(nèi)測量模擬量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間瞬時(shí)值，并在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間保持輸出不變的一個(gè)電路保持輸出不變的一個(gè)電路第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n組成：組成：它由電子模擬開關(guān)它由電子模擬開關(guān)ASAS、保持電容器及兩個(gè)、保持電容

10、器及兩個(gè)阻抗變換器組成。阻抗變換器組成。ChCh的作用是記憶的作用是記憶ASAS閉合時(shí)刻的閉合時(shí)刻的電壓，并在電壓，并在ASAS打開后保持該電壓。阻抗變換器打開后保持該電壓。阻抗變換器I I在在ChCh端提供低阻抗，使得端提供低阻抗，使得ChCh電壓建立迅速，而在輸電壓建立迅速，而在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，以盡量減少對(duì)輸入回路的影響；入端呈現(xiàn)高阻抗，以盡量減少對(duì)輸入回路的影響；阻抗變換器阻抗變換器1111在在ChCh端提供高阻抗，使得端提供高阻抗，使得ChCh衰減緩衰減緩慢，而在后邊呈現(xiàn)低阻抗以提高帶負(fù)載的能力。慢，而在后邊呈現(xiàn)低阻抗以提高帶負(fù)載的能力。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第二節(jié)第

11、二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖13 采樣保持電路及工作過程第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n工作過程：工作過程：微機(jī)采樣定時(shí)器等間隔地產(chǎn)生采樣脈沖微機(jī)采樣定時(shí)器等間隔地產(chǎn)生采樣脈沖進(jìn)行采樣，得到采樣信號(hào)，采樣后信號(hào)在下次采樣進(jìn)行采樣，得到采樣信號(hào)，采樣后信號(hào)在下次采樣脈沖到來之前應(yīng)保持不變，形成穩(wěn)定的階梯狀采樣脈沖到來之前應(yīng)保持不變，形成穩(wěn)定的階梯狀采樣保持信號(hào)，等待保持信號(hào)，等待A/DA/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)采樣保持電路的要求對(duì)采樣保持電路的要求nChCh上的電壓按照一定的精度跟蹤上的電壓按照一定的精度跟蹤UsrUsr，跟蹤時(shí)間盡，跟蹤時(shí)間盡量短，以

12、適應(yīng)最小采樣寬度要求量短，以適應(yīng)最小采樣寬度要求TcTcn保持時(shí)間要長，通常用下降率來表示保持能力保持時(shí)間要長，通常用下降率來表示保持能力n模擬開關(guān)的動(dòng)作延時(shí)、閉合電阻和開斷時(shí)的漏電流模擬開關(guān)的動(dòng)作延時(shí)、閉合電阻和開斷時(shí)的漏電流要小要小 前兩個(gè)指標(biāo)取決于阻抗變換器和保持電容的性能，前兩個(gè)指標(biāo)取決于阻抗變換器和保持電容的性能，就捕獲而言，越小越好；就保持而言越大越好。就捕獲而言，越小越好；就保持而言越大越好。 一般來講，要求快速捕獲，采樣周期短，電容要小一般來講，要求快速捕獲，采樣周期短，電容要小一些；一些； 慢速捕獲，采樣周期長，電容大一些，穩(wěn)定性好，慢速捕獲，采樣周期長，電容大一些，穩(wěn)定性好

13、，抗雜散電容影響能力強(qiáng)?？闺s散電容影響能力強(qiáng)。uTsTc第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖14采樣保持電路的性能與電容Ch的關(guān)系曲線1保持下降率2保持跳變誤差30.1誤差的截獲時(shí)間4充電速率5頻帶例子：若取Ch為0.01uf，則保持下降率為2mV/S，微機(jī)保護(hù)采樣速率高于2mS，沒問題；而截獲時(shí)間為20微妙，誤差相當(dāng)于工頻0.36度，也沒有問題。但是對(duì)于高頻采集行波采集就不行了！需要提醒的是：Ch經(jīng)常需要外接第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用n等步長采樣和變步長采樣等步長采樣和變步長采樣 對(duì)于電網(wǎng)頻率波動(dòng)小，采樣

14、精度要求不是很高的場合，常采用等對(duì)于電網(wǎng)頻率波動(dòng)小，采樣精度要求不是很高的場合，常采用等步長采樣步長采樣 對(duì)于電網(wǎng)頻率波動(dòng)大，采樣精度要求高的場合，需要變步長采對(duì)于電網(wǎng)頻率波動(dòng)大，采樣精度要求高的場合，需要變步長采樣，變步長的采樣間隔時(shí)間（采樣脈沖發(fā)出時(shí)間）要隨時(shí)調(diào)整樣，變步長的采樣間隔時(shí)間（采樣脈沖發(fā)出時(shí)間）要隨時(shí)調(diào)整n采樣定理采樣定理 被采樣信號(hào)的頻率最高不超過被采樣信號(hào)的頻率最高不超過1/21/2采樣頻率，否則會(huì)造成頻譜混采樣頻率，否則會(huì)造成頻譜混疊。疊。n合適的保護(hù)采樣頻率選擇合適的保護(hù)采樣頻率選擇 高采樣頻率要求高采樣頻率要求CPUCPU的處理和運(yùn)算速度快；低采樣頻率可能會(huì)造的處理和

15、運(yùn)算速度快；低采樣頻率可能會(huì)造成頻率混疊，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障后的電壓電流是一個(gè)寬頻譜信號(hào)。成頻率混疊，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障后的電壓電流是一個(gè)寬頻譜信號(hào)。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n合適的保護(hù)采樣頻率選擇合適的保護(hù)采樣頻率選擇 如果考慮目前的繼電保護(hù)主要是基于工頻故障信息構(gòu)成的，那如果考慮目前的繼電保護(hù)主要是基于工頻故障信息構(gòu)成的，那么，高頻故障信息應(yīng)該么，高頻故障信息應(yīng)該/ /可以濾除，這樣將降低對(duì)可以濾除，這樣將降低對(duì)CPUCPU和采樣速率的和采樣速率的要求。目前微機(jī)保護(hù)普遍采用要求。目前微機(jī)保護(hù)普遍采用600Hz600Hz（1.6671.667毫秒）、毫秒）、1kHz1kHz（1 1

16、毫毫秒）、秒）、1.8kHz1.8kHz（0.550.55毫秒）的采樣頻率，它們都能夠滿足工頻故障毫秒）的采樣頻率，它們都能夠滿足工頻故障信息和信息和3 3次、次、5 5次諧波的采樣和分辨要求。但是高于次諧波的采樣和分辨要求。但是高于300Hz300Hz、500Hz500Hz、900Hz900Hz的故障信號(hào)怎么辦呢？的故障信號(hào)怎么辦呢？第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n前置低通濾波器的設(shè)置前置低通濾波器的設(shè)置 濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過，同時(shí)擬制無用頻率信號(hào)濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過，同時(shí)擬制無用頻率信號(hào)的電路。低通濾波器是只讓低于截至頻率通過的濾波器。的電路。低通濾波器是只

17、讓低于截至頻率通過的濾波器。 前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)、前置低通濾波器又稱為抗混疊濾波器，廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)、控制電路中的采樣電路前，濾除高于控制電路中的采樣電路前，濾除高于2 2倍采樣頻率的信號(hào)，因此截倍采樣頻率的信號(hào)，因此截至頻率被設(shè)置為至頻率被設(shè)置為1/2fs1/2fs。 低通濾波器可以采用有源的、也可以采用無源的。無源濾波器低通濾波器可以采用有源的、也可以采用無源的。無源濾波器構(gòu)成簡單，但電阻和電容回路對(duì)信號(hào)有衰減作用，并會(huì)帶來時(shí)間延構(gòu)成簡單，但電阻和電容回路對(duì)信號(hào)有衰減作用，并會(huì)帶來時(shí)間延遲，僅適用于對(duì)速度和性能要求不高的微機(jī)保護(hù)遲，僅適用于對(duì)速度和性能要

18、求不高的微機(jī)保護(hù) 有源濾波器抗沖擊干擾能力差，但濾波性能好。有源濾波器抗沖擊干擾能力差，但濾波性能好。 性能越好的濾波器延時(shí)越長，造成信號(hào)不同步的可能性越大。性能越好的濾波器延時(shí)越長，造成信號(hào)不同步的可能性越大。 繼電保護(hù)常常采用普通的一階（最高二階的有源或無源）濾波繼電保護(hù)常常采用普通的一階（最高二階的有源或無源）濾波器來限制接近工頻分量的諧波信息混進(jìn)來！器來限制接近工頻分量的諧波信息混進(jìn)來！第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖15 二階無源低通濾波器第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖16 二階無源低通濾波器2 23 3 模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)n繼電保護(hù)需要多的模擬量

19、繼電保護(hù)需要多的模擬量n數(shù)模轉(zhuǎn)換器是貴重的元器件數(shù)模轉(zhuǎn)換器是貴重的元器件n電路布板希望少的芯片電路布板希望少的芯片n多路轉(zhuǎn)換器是一個(gè)理想的、經(jīng)常采用的芯片多路轉(zhuǎn)換器是一個(gè)理想的、經(jīng)常采用的芯片定義：定義：是一個(gè)開關(guān)電路；接入很多模擬量；僅僅把是一個(gè)開關(guān)電路；接入很多模擬量；僅僅把其中的一路送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換。其中的一路送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換。 不同的模擬量通過不同的模擬量通過“分時(shí)分時(shí)”方式完成模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。方式完成模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成：包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和多路組成：包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和多路電

20、子開關(guān)。電子開關(guān)。n二進(jìn)制譯碼電路決定哪個(gè)電子開關(guān)接通二進(jìn)制譯碼電路決定哪個(gè)電子開關(guān)接通接入相應(yīng)的待接入相應(yīng)的待轉(zhuǎn)換模擬量轉(zhuǎn)換模擬量n多路電子開關(guān)起分?jǐn)嗥渌芈范鴥H僅接通待轉(zhuǎn)換的哪一路多路電子開關(guān)起分?jǐn)嗥渌芈范鴥H僅接通待轉(zhuǎn)換的哪一路模擬量作用模擬量作用1616路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)例路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)例A0A0A3A3是路數(shù)選擇線是路數(shù)選擇線接接CPUCPU，控制哪一路選通，控制哪一路選通A1A1A16A16是模擬量入是模擬量入AS1AS1AS16AS16是電子開關(guān)是電子開關(guān)EnEn是始能端是始能端圖17 16路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)2 24 4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器定義：是一個(gè)硬件電路，用于實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量定

21、義：是一個(gè)硬件電路，用于實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，也稱為的轉(zhuǎn)換，也稱為A/DA/D轉(zhuǎn)換器。它是把模擬量變成能讓轉(zhuǎn)換器。它是把模擬量變成能讓計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字量的橋梁。計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字量的橋梁。n應(yīng)用范圍及其寬廣：隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量、需要計(jì)算應(yīng)用范圍及其寬廣：隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量、需要計(jì)算機(jī)來處理的都必須經(jīng)過這個(gè)環(huán)節(jié)。像電壓、電流、溫度、機(jī)來處理的都必須經(jīng)過這個(gè)環(huán)節(jié)。像電壓、電流、溫度、壓力速度等壓力速度等分類：分類：n直接型：直接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼直接型：直接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼n間接型：首先把模擬量轉(zhuǎn)換成某種變量（比如頻率），再間接型：首先把模擬量轉(zhuǎn)換成某種變量（比如頻率），再轉(zhuǎn)換

22、成數(shù)字代碼輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼輸出第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一般原理模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一般原理 將輸入的模擬量將輸入的模擬量UsrUsr相對(duì)于模擬參考量相對(duì)于模擬參考量U UR R經(jīng)編碼電經(jīng)編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D D輸出輸出 D D可以表示為可以表示為 B1B1BnBn均為二進(jìn)制碼。均為二進(jìn)制碼。srRUDU123123222.2nnDBBBB123123(222.2 )nsrRnUUBBBB第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量經(jīng)解碼電路變成模擬數(shù)模

23、轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量經(jīng)解碼電路變成模擬電壓或電流輸出。每位數(shù)字量都有一定的權(quán)，不同的權(quán)電壓或電流輸出。每位數(shù)字量都有一定的權(quán)，不同的權(quán)就代表一個(gè)具體的數(shù)值。就代表一個(gè)具體的數(shù)值。 圖圖18 4位數(shù)模轉(zhuǎn)換器說明圖位數(shù)模轉(zhuǎn)換器說明圖第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 電子開關(guān)電子開關(guān)K0K0K3K3分別受分別受4 4位輸入數(shù)字量位輸入數(shù)字量B1B1B4B4的控制。的控制。在某位為零時(shí)，開關(guān)合向左側(cè)，即接地；為在某位為零時(shí)，開關(guān)合向左側(cè)，即接地；為1 1時(shí)，合向右時(shí)，合向右側(cè)，即接運(yùn)放反相輸入端。側(cè)，即接運(yùn)放反相輸入端。 流向運(yùn)算放大器反相輸入端的總電流反映了流向運(yùn)算放大器反相輸入端的總電流反

24、映了4 4位輸入位輸入數(shù)字量的大小，經(jīng)帶有負(fù)反饋電阻的放大器放大后變換數(shù)字量的大小，經(jīng)帶有負(fù)反饋電阻的放大器放大后變換成電壓輸出。成電壓輸出。 圖中的特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇使得各個(gè)電子開關(guān)所圖中的特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇使得各個(gè)電子開關(guān)所接通的回路具有不同的接通的回路具有不同的“權(quán)權(quán)”值。值。 所以，運(yùn)放輸入電流為所以，運(yùn)放輸入電流為1213141/2 ;1/2 ;1/4 ;1/8RIUR II II II1 12 23 34 4scFIB IB IB IB IuI R第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理 將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)將一待轉(zhuǎn)換的模擬

25、輸入信號(hào)UinUin與一推測信號(hào)與一推測信號(hào)UiUi相比相比較，根據(jù)推測信號(hào)大于還是小于輸入信號(hào)來決定是增大還較，根據(jù)推測信號(hào)大于還是小于輸入信號(hào)來決定是增大還是減小該推測信號(hào)，直至逼近輸入信號(hào)為止。推測信號(hào)由是減小該推測信號(hào)，直至逼近輸入信號(hào)為止。推測信號(hào)由D/AD/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。 圖圖19 模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理說明圖模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理說明圖微機(jī)保護(hù)硬件原理微機(jī)保護(hù)硬件原理小結(jié)小結(jié)n簡介了微機(jī)保護(hù)基本硬件組成簡介了微機(jī)保護(hù)基本硬件組成n介紹了電壓形成回路介紹了電壓形成回路n介紹了采樣保持電路介紹了采樣保持電路n介紹了多路轉(zhuǎn)換開關(guān)介紹了多路轉(zhuǎn)換開關(guān)n介紹了逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理

26、介紹了逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理習(xí)題習(xí)題寫出逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理和過程寫出逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理和過程 第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理 將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)UinUin與一推測信號(hào)與一推測信號(hào)UiUi相比相比較，根據(jù)推測信號(hào)大于還是小于輸入信號(hào)來決定是增大還較，根據(jù)推測信號(hào)大于還是小于輸入信號(hào)來決定是增大還是減小該推測信號(hào)，直至逼近輸入信號(hào)為止。推測信號(hào)由是減小該推測信號(hào)，直至逼近輸入信號(hào)為止。推測信號(hào)由D/AD/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。轉(zhuǎn)換器的輸出獲得。 圖圖19 模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理說明圖說明圖模數(shù)轉(zhuǎn)換器

27、原理說明圖說明圖第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二分法：測試最大可能值，為二分法：測試最大可能值，為1 1，DADA偏小，有偏小，有效；為效；為0 0，偏大，置，偏大，置0 0。繼續(xù)。繼續(xù)ADAD的雙極性連接抬起來，加偏置的雙極性連接抬起來，加偏置第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)偏置結(jié)果變成單極性偏置結(jié)果變成單極性第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)波形溢出波形溢出第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求微機(jī)保護(hù)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求n轉(zhuǎn)換時(shí)間n精度要求n微機(jī)保護(hù)要承受100A電流，還要正確分辨10額定電流（精工電流）0.5安培。n12位AD可以滿足要求。如采

28、用16位更好()ADRYTsn ttt第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2 25 VFC5 VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)nVFC-Voltage Frequency Converter,VFC-Voltage Frequency Converter,電壓頻率轉(zhuǎn)換器電壓頻率轉(zhuǎn)換器n經(jīng)電壓形成回路后，經(jīng)過經(jīng)電壓形成回路后，經(jīng)過VFCVFC，將模擬電壓變換為脈沖信號(hào)，將模擬電壓變換為脈沖信號(hào)，由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。這樣在采樣間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值就與采樣對(duì)象由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。這樣在采樣間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值就與采樣對(duì)象的積分值成比例。實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換。的積分值成比例。實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)

29、據(jù)采集系統(tǒng)nVFCVFC工作原理工作原理n它是一個(gè)電路，由一個(gè)運(yùn)放、一個(gè)零電壓比較器、一個(gè)單它是一個(gè)電路，由一個(gè)運(yùn)放、一個(gè)零電壓比較器、一個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器、一個(gè)電子開關(guān)及電阻電容組成。穩(wěn)觸發(fā)器、一個(gè)電子開關(guān)及電阻電容組成。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前提前提maxmaxsrRsrRsrRRRREIIUERR直流輸入信號(hào)工作原理直流輸入信號(hào)工作原理n輸入為輸入為0 0，電容器電壓為，電容器電壓為0 0，單穩(wěn)為，單穩(wěn)為0 0，電，電子開關(guān)接地子開關(guān)接地n正直流信號(hào)時(shí)，正直流信號(hào)時(shí)，I IR R0 0，IcIc-Isr-Isr，UcUc有變有變負(fù)的趨勢，這個(gè)變化被檢測，單穩(wěn)輸出正負(fù)的趨勢，這個(gè)

30、變化被檢測，單穩(wěn)輸出正跳變并保持跳變并保持T T0 0. .電子開關(guān)切換到電子開關(guān)切換到-E-ER Rn在在T T0 0期間，期間，R RR R上有電流，電容電流發(fā)生了上有電流，電容電流發(fā)生了變化變化 IcIc I IR R -Isr -Isr第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在在ToTo消失時(shí)刻消失時(shí)刻 Uc Uc達(dá)最大值達(dá)最大值To To 消失后，電子開關(guān)接回地。電容放電，放電電壓為消失后，電子開關(guān)接回地。電容放電，放電電壓為n到到0 0時(shí)，再次被零電壓監(jiān)測器發(fā)現(xiàn)，單穩(wěn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，再次被零電壓監(jiān)測器發(fā)現(xiàn)，單穩(wěn)狀

31、態(tài)翻轉(zhuǎn)過零時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是過零時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是t2 t2 周而復(fù)始，周而復(fù)始， Uc Uc 呈周期性變化，周期呈周期性變化，周期T T是是t2t2。0001( )()()1()tcRsrcTRsru tIIdtU TCII tC第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 因此，因此，電壓和電壓和頻率成頻率成正比，正比，對(duì)脈沖對(duì)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)得到數(shù)得到電壓求電壓求和（積和（積分）分）第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)交流輸入信號(hào)工作原理交流輸入信號(hào)工作原理首先增加一個(gè)正偏置，把信號(hào)變?yōu)閱螛O性。正偏置首先增加一個(gè)正偏置，把信號(hào)變?yōu)閱螛O性。正偏置電流取為電流取

32、為I I偏偏I(xiàn) IR R/2/2E ER R/2R/2RR,R,這時(shí)最大交流輸入變?yōu)檫@時(shí)最大交流輸入變?yōu)閙ax2sRRRsruUER偏第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)綜合輸入信號(hào)為max ( )sin()srsutUUt偏（1）在0To期間是一上升的曲線第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（2）當(dāng)To消失后，電子開關(guān)接回地第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)VFCVFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特點(diǎn)n低通濾波低通濾波n抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)n位數(shù)可調(diào)位數(shù)可調(diào)n與微機(jī)接口簡單與微機(jī)接口簡單n多微機(jī)共享多微機(jī)

33、共享n不適于高速采樣不適于高速采樣第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 開關(guān)量輸入及輸出回路開關(guān)量輸入及輸出回路光電耦合器光電耦合器 把發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和光敏器件（受光導(dǎo)通）組合，把發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和光敏器件（受光導(dǎo)通）組合，可以實(shí)現(xiàn)光媒介的電信號(hào)傳變，這種器件被稱為光電耦合器可以實(shí)現(xiàn)光媒介的電信號(hào)傳變，這種器件被稱為光電耦合器 光隔離器光隔離器 光傳感器光傳感器 光敏集成塊光敏集成塊 常見光隔離器，二極管型、三極管型、達(dá)林頓型晶閘管型，常見光隔離器，二極管型、三極管型、達(dá)林頓型晶閘管型，驅(qū)動(dòng)功率大小區(qū)分驅(qū)動(dòng)功率大小區(qū)分第三節(jié)第三節(jié) 開關(guān)量輸入及輸出回路開關(guān)量輸入及輸

34、出回路開關(guān)量輸入回路開關(guān)量輸入回路n裝在面板上的接點(diǎn)裝在面板上的接點(diǎn)5 5伏系統(tǒng)伏系統(tǒng)n裝在端子排上的接點(diǎn)裝在端子排上的接點(diǎn)2424伏、伏、4848伏、伏、220220伏等，需要光電伏等，需要光電隔離隔離第三節(jié)第三節(jié) 開關(guān)量輸入及輸出回路開關(guān)量輸入及輸出回路開關(guān)量輸出回路開關(guān)量輸出回路n保護(hù)的跳閘出口、本地信號(hào)和中央信號(hào)保護(hù)的跳閘出口、本地信號(hào)和中央信號(hào) 一般由并行輸出口、邏輯與非門、光電隔離器、有一般由并行輸出口、邏輯與非門、光電隔離器、有接點(diǎn)的繼電器組成接點(diǎn)的繼電器組成典典型型微微機(jī)機(jī)保保護(hù)護(hù)出出口口控控制制回回路路第三節(jié)第三節(jié) 開關(guān)量輸入及輸出回路開關(guān)量輸入及輸出回路nK1K1為常閉接點(diǎn)

35、（線圈不帶電狀況下閉合），是一個(gè)為常閉接點(diǎn)（線圈不帶電狀況下閉合），是一個(gè)閉鎖告警信號(hào)閉鎖告警信號(hào)nK2K2、K3K3、K4K4、KNKN為常開接點(diǎn)（線圈不帶電狀況下打?yàn)槌ｉ_接點(diǎn)（線圈不帶電狀況下打開）開）nK2K2是故障啟動(dòng)信號(hào)是故障啟動(dòng)信號(hào)nK3K3、K4K4是跳閘出口接點(diǎn)是跳閘出口接點(diǎn)nV1V1V5V5是光隔是光隔n出口接點(diǎn)出口條件出口接點(diǎn)出口條件1 1）無告警信號(hào)）無告警信號(hào)2 2）啟動(dòng)繼電器動(dòng)作）啟動(dòng)繼電器動(dòng)作n出口繼電器所在光隔導(dǎo)通計(jì)算機(jī)輸出跳閘信號(hào)出口繼電器所在光隔導(dǎo)通計(jì)算機(jī)輸出跳閘信號(hào)小結(jié)小結(jié)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換VFCVFC開關(guān)量輸入輸出開關(guān)量輸入輸出作業(yè) 1 圖137中K1的作用是什么？2 VFC電路中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是什么？第四節(jié)第四節(jié) DSPDSP技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用DSPDSP數(shù)字信號(hào)處理器（數(shù)字信號(hào)處理器（Digital signal processorDigit