AD7865的交流采樣技術(shù)及其應(yīng)用

1、基于鎖相環(huán)與雙 AD7865的交流采樣技術(shù)及其應(yīng)用收藏| |分類:|:|查看：417417 | |評論(0)隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴(kuò)大使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，實時監(jiān)控、調(diào)度的自動化顯得尤為重要；而在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中，對電力參數(shù)的測量是最基本的功能。如何快速、準(zhǔn)確地采集各種電力參數(shù)則顯得更加重要。在微型機(jī)應(yīng)用的初期，電力系統(tǒng)的參數(shù)普遍采用直流采樣的技術(shù)。直流采樣，即采樣經(jīng)過整流后的直流量，此方法軟件設(shè)計簡單，計算方便，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值。但是直流采樣方法存在一些問題，如：測量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性的影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難，而且受波形因素的影響較

2、大等。而采用交流采樣方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過算法運(yùn)算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的精確度和穩(wěn)定度。該系統(tǒng)采用高速DSP芯片 TMS320LF2407 作為處理器，通過鎖相環(huán)和 AD7865對電力參數(shù)進(jìn)行交流采樣。1 交流采樣的設(shè)計思想若將電壓有效值公式：I=r()o /(!/( IJKJ1J,- a離散化，以一個周期內(nèi)有限個采樣電壓數(shù)字量來代替一個周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù) 值，則式(1)變?yōu)椋菏街校?Tm 為相鄰兩次采樣的時間間隔；um為第 m - 1 個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N為一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。 若相鄰兩次采樣的時間間隔相等，即T m為常數(shù) T ,考慮到

3、N = T/ ,則有：這就是根據(jù)一個周期內(nèi)各采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號有效值的公式。樣，電流有效值計算公式：/ 二E LlmA7 mN7T，(3)Lf 1rar計算一相有功功率的公式:式中:im和 u m為同一時刻的電流和電壓采樣值。功率因數(shù)為：(ts(1 = P/ ( 11 /f6)2工頻信號鎖相倍頻原理及頻率跟蹤電路的實現(xiàn)交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、非整周期采樣法、非同步采樣法等幾種，系統(tǒng)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 與采樣時間間隔 t及一周內(nèi)采樣點數(shù) N之間滿足關(guān)系式 T = N t,即采樣頻率為被測信號頻 率的 N倍。根

4、據(jù)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(tǒng)采用硬件同步采樣。硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。一種利用鎖相環(huán)頻率跟蹤原理實現(xiàn)同步等間隔采樣的電路如圖1 所示。圖 1鎖相環(huán)原理圖在相位比較器 PD、低通濾波器 LP、壓控振蕩器 VCO 構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)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(zhǔn)頻率，輸出f o 為采樣頻率。f。經(jīng) N 分頻后與 f i 相比較，根據(jù)鎖相環(huán)工作原理 ，鎖定時 f o / N = f i ，即 f o = Nf i 。由于鎖相環(huán)的實 時跟蹤性，當(dāng)被測信號頻率 f i 變化時，電路

5、能自動快速跟蹤并鎖定，始終滿足f o = Nf i的關(guān)系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(shù)(N )倍。用該輸出去控制采樣/保持器,并啟動A/ D轉(zhuǎn)換，這樣就可以使 N個采樣點均勻分布在被測電網(wǎng)信號的一個整周波內(nèi)，消除了同步誤差，實現(xiàn)了無相位差的同步采樣。鎖相環(huán)相位鎖定時，壓控振蕩器 VCO能在一定范圍內(nèi)自動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(shù)據(jù)的同步采樣，保證測量精度。系統(tǒng)中的頻率跟蹤電路由專用鎖相芯片CD4046和分頻芯片 CD4040組成，以實現(xiàn)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

6、Hz，相當(dāng)于一個工頻周期內(nèi)有 64個采樣脈沖，頻率跟蹤鎖相電路接 線圖如圖 2所示。由圖 2 可看出，工頻方波信號由圖 2鎖相環(huán)電路AIN輸入，經(jīng)過倍頻的方波信號由VCOU T輸出去觸發(fā) A/ D芯片。3 電壓電流調(diào)理電路設(shè)計根據(jù)原理設(shè)計的電壓調(diào)理電路如圖3 所示。COUT 1】RST JOuflCLKRST Q9QIOQ11Q12CD4040c c9 9 7-65-3247-65-324+5 V14信號輸入阪10 kQ圖 3 電壓調(diào)理電路設(shè)計中采用 2 mA/ 2 mA 電流型互感器 TV1013-1,采樣電阻為 220 k Q,最大可測電壓有 效值為 440V ;調(diào)節(jié)滑動變阻器大小，通過信

7、號濾波、電壓抬升、功率放大將待測信號轉(zhuǎn) 化為 0- 5 V的電壓信號Uout，作為 A/ D芯片的輸入信號；同時采用過零比較法使 Uout與抬升零點比較產(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 CHG200E 與 TA1905 4 組成的兩級電流互感器，轉(zhuǎn)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；I out 為 0- 5 V的電壓信號，輸入 A/ D芯片。100 kQU1ALM324220 kQTRIlOkQtOkQUICLMI24_Jfa

8、4H_H111IM- -0.22 pF+5 VITV 1013-1 ttOO kl)20 kQ200 kQ_ _1 1_ _ T651U1B ZJ.M124io gUID 9LM324IkQ匚頻方波信X HZZ20 kQ15 pF圖 4 電流調(diào)理電路4 TMS320LF2407 與雙 AD7865 的接口設(shè)計4. 1接口電路設(shè)計在交流采樣系統(tǒng)設(shè)計中，要求精度為0 2% 0 5% ，但 T MS320LF2407 的 10位 A/D轉(zhuǎn)換芯片的采樣精度為 1/ 1024，近乎 0.1%,但考慮到電路中的其他環(huán)節(jié)的誤差，已很 難做到 0.2%。為了適應(yīng)采樣法電力參數(shù)測量中同時采樣多路輸入信號及對電壓

9、需較寬的 測量范圍的要求，為此，本系統(tǒng)采用外接A/ D的方法，通過 T MS320LF2407 控制外部AD7865轉(zhuǎn)換器對三相交流電壓、電流等電力參數(shù)進(jìn)行交流采樣。TMS320LF2407 是 T I 公司推出的一種面向數(shù)字控制系統(tǒng)開發(fā)的新型可編程DSP控制器。它將一個高性能的 16位、定點、低功耗 DSP核和許多功能外設(shè)集成在單芯片上， 提供了較高的集成度和較強(qiáng)的運(yùn)算能力，采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和多總線形式，外加4級流水線操作，使大多數(shù)匯編指令能在一個機(jī)器周期內(nèi)完成。AD7865是美國 AD 公司推出的 14位 4 通道高速 A/ D 轉(zhuǎn)換器。其最快采樣速度為每 通道 2. 4 us ;具有

10、4 路同步采樣輸入及 4個跟隨/保持放大器；可單電源（+ 5 V）工作；具有寬輸入范圍（最大為土 10 V ），低功耗和輸入過壓保護(hù)等功能。根據(jù)調(diào)理電路設(shè)計的具 體要求，這里選擇 AD78652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必須為同一時刻的電流、電壓采樣值。為 了簡化軟件算法，消除電壓、電流依次采樣的時間差，采用適當(dāng)?shù)挠布B接，用一條操作指 令同時啟動兩片AD7865，同時采樣對應(yīng)的三相電壓和電流，使得 im , um為同一時刻的 采樣值。如圖 5所示為 TMS320LF2407與雙 AD7865的接口電路原理圖， 沒有涉及到的

11、管腳未 畫出。圖 5 TMS320LF2407 與雙 AD7865 的接口電路兩片 AD7865的 14位數(shù)據(jù)總線 D0 D13均可直接連接到 DSP的數(shù)據(jù)總線上；由鎖相環(huán)電路產(chǎn)生的采樣脈沖連接兩個AD7865的 HL 1引腳，采樣脈沖的上升沿皿八皿，十將啟動 A/ D轉(zhuǎn)換；兩片 AD7865 的寫控制線直接連接到 DSP的 線上；而DSP的 RDRD 與 D15相或連接到 AD7865 ( 1)的 R R I)I), , R R I)I)與 D D 1 1 5 5 相或連接到AD7865( 2)的 RDRD。為了方便讀出 A/ D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，兩片 ADC 的片選套用常規(guī)方法， 由連續(xù)地址線譯碼

12、所得，若在地址0 xA000H 0XA007H 范圍內(nèi) AD7865( 1)有效，而AD7865 ( 2) 的片選則在 0 xA008H 0XA00FH 地址范圍內(nèi)有效。兩片 AD7865 的 BUSY 信號相或后連接到DSP的 IXINT1IXINT1 端，XINT1 為低電平時，表明兩片 AD7865的 A/ D轉(zhuǎn)換都已完成，輸出數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好， 系統(tǒng)可采用查詢方式依次讀取兩片AD7865中的 A/ D轉(zhuǎn)換結(jié)果。4. 2軟件設(shè)計工頻交流電標(biāo)準(zhǔn)頻率為 50 Hz ,周期為 20 ms。根據(jù) T MS320LF2407 的主頻和 AD7865 的 A/ D轉(zhuǎn)換速度和電力參數(shù)實用精度要求，一個工頻

13、周期內(nèi)采樣64個點，即采樣周期定A相電壓B川電出CHIADBOCH2ADB1CH3ADB2DB3DB4DBSDB6DB7DB8AD7865(2) DB9DBIO DRI DB】2DB】3CSCONVSTRDWRBUSY ADSI“采樣膩沖-DSP24O7DODID2D3D4D5D6D7D8D9DIODI ID12D13ISRDDISWRX1NT采樣藤沖. CH1ACH2ACH3AI)BO DB【DB2DR3DB4l)B5DBd DB7 DBSDBgA 07865( I)DBIODB】IDB12 DR； 3csCONVSTRD WRBUSYA相K為 312. 5 !s。系統(tǒng)上電運(yùn)行后，由鎖相環(huán)電路產(chǎn)生的采樣脈沖同時觸發(fā)兩個AD7865運(yùn)行；每次轉(zhuǎn)換完成后，DSP按照 I/ O空間譯碼地址同時讀取兩個AD7865芯片數(shù)據(jù)，并根據(jù)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(shù)等電力參數(shù)。圖 的流程圖。中斷程序入口 )(b)中斷子程盾圖 6 程序流程圖5實驗結(jié)果圖 7 為電壓調(diào)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 7 鎖相環(huán)輸入、輸出波形6為所設(shè)計程序同時讀1R兩個A D7865轉(zhuǎn)換敬據(jù)(a)工頻方波信號(b)采樣脈沖信圖 8