MAXl25型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹將MAXl25型14位A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集模塊的硬件及軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)提高了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理效率，增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：MAXl25；數(shù)字信號(hào)處理器；信號(hào)采集；模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

1 引言
    電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求較高，不僅含有頻率、電壓、電流、有功、無(wú)功、諧波分量、序分量等，而且有些采集的特征量頻率變化快而且復(fù)雜，如暫態(tài)突變量、高頻的故障行波等，普通的采集處理方法對(duì)多路進(jìn)行采樣計(jì)算顯得困難甚至難以實(shí)現(xiàn)。為了克服以上不足，滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求，將先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中充分發(fā)揮其快速?gòu)?qiáng)大的運(yùn)算及并行運(yùn)行處理能力，滿足電力系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)時(shí)性和處理算法的復(fù)雜性等要求，并為不斷發(fā)展的新理論和新算法應(yīng)用于電力系統(tǒng)的實(shí)踐奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
    筆者以TMS320LF2407A型DSP為控制核心，設(shè)計(jì)了響應(yīng)快、延時(shí)小和沒(méi)有相位偏移的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，信號(hào)采集單元的轉(zhuǎn)換精度決定整個(gè)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。TMS320-LF2407帶有內(nèi)置采樣和保持電路的10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，但只能接收O V～3.3 V的單極性信號(hào)，對(duì)于交流信號(hào)需要另外設(shè)計(jì)限幅升壓電路，同一排序器內(nèi)各通道的串?dāng)_嚴(yán)重，所以lO位的轉(zhuǎn)換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求。由于本應(yīng)用對(duì)采集精度要求高，要求采用14位A/D轉(zhuǎn)換器，所以采用Maxim公司的MAXl25型轉(zhuǎn)換器作為信號(hào)采集單元的核心。

2 MAXl25的特性和工作原理
    MAXl25是8通道高速14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)設(shè)采樣/保持器(T/H)，單次轉(zhuǎn)換時(shí)間為3 μs，通過(guò)對(duì)MAXl25寫(xiě)控制字，可以使之工作于單通道轉(zhuǎn)換，也可以使之工作于多通道的連續(xù)轉(zhuǎn)換，且其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)具有緩沖功能，DSP可以方便地讀取。MAXl25采用雙極性供電，輸入電壓范圍為±5 V，轉(zhuǎn)換器的最高輸入過(guò)電壓高達(dá)±17 V，而且某個(gè)通道的損壞不會(huì)影響整個(gè)電路的正常工作。表1給出MAXl25的工作模式。MAX125較好地滿足了精度要求，通過(guò)合理的控制電路設(shè)計(jì)，該數(shù)據(jù)采集通道能較好地滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。圖1示出MAXl25的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

    圖2為MAXl25的工作時(shí)序，每個(gè)CONVST脈沖啟動(dòng)1~4個(gè)T/H轉(zhuǎn)換，MAXl25初始化后，設(shè)置工作模式為0X0002，系統(tǒng)利用2個(gè)MAXl25的CHlA、CH2A、CH3A通道分別對(duì)三相電壓和三相電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即每個(gè)MAXl25只有3個(gè)通道需要轉(zhuǎn)換，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，轉(zhuǎn)換三個(gè)通道需要9μs，采樣速率最高為100 kS/s。

    通過(guò)CONVST脈沖啟動(dòng)MAXl25的轉(zhuǎn)換，大約9μs后，3個(gè)通道轉(zhuǎn)換完畢，產(chǎn)生1個(gè)中斷信號(hào)，中斷信號(hào)傳送到可編程邏輯控制器(GAL)中，由GAL通知DSP讀取采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)GAL給MAXl25的RD引腳施加讀脈沖，3個(gè)連續(xù)的讀操作可以讀取3個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)。圖3示出采集通道的原理框圖。

3 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    MAXl25擁有A、B 2組信號(hào)輸入端，每組4個(gè)輸入通道，內(nèi)置4路采樣保持器，在實(shí)際應(yīng)用中分別采集負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、電源電流和逆變器直流側(cè)的電容器電壓。MAXl25可以和DSP并行工作以減輕DSP的工作負(fù)擔(dān)。MAXl25的輸出數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后才能送到TMS320LF2407的數(shù)據(jù)線上。如果直接將MAXl25的輸出直接送到TMS320LF2407的數(shù)據(jù)輸入引腳上，則有可能超過(guò)TMS320LF2407引腳的耐壓值(3.6V)。本系統(tǒng)使用74AHCT245作為電平轉(zhuǎn)換器，MAXl25的輸出DO-D13接入74AHCT245鎖存后進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，再進(jìn)入TMS320LF2407的數(shù)據(jù)總線。74AHCT245的工作電壓為3.3 V，輸出信號(hào)電平為3.3 V，可以接受5.5 V的輸入信號(hào)。本設(shè)計(jì)中使用了2個(gè)74AHCT245作為電平轉(zhuǎn)換單元，輸入數(shù)據(jù)來(lái)自MAXl25的14位數(shù)據(jù)，多余的2路輸入引腳接地，輸出信號(hào)接入TMS320LF2407的DO-D15引腳。2個(gè)74AHCT245控制信號(hào)由GAL發(fā)出。電路原理如圖4所示。

    控制系統(tǒng)的主要指令都在定時(shí)器中完成。圖5示出定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序的流程。當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值與定時(shí)器周期寄存器的值相等時(shí)，產(chǎn)生周期中斷請(qǐng)求。中斷被響應(yīng)后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，確認(rèn)中斷源正確后，首先啟動(dòng)外部A/D轉(zhuǎn)換器，采集負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、電容器電壓，再對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行移位、求補(bǔ)碼等必要的處理。

4 結(jié)束語(yǔ)
    此電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以TSM320LF2407A型DSP為核心，功能強(qiáng)大，可拓展性強(qiáng)。A/D轉(zhuǎn)換選用14位MAXl25型轉(zhuǎn)換器，可以多個(gè)通道同時(shí)采集，轉(zhuǎn)換精度高。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該信號(hào)采集模塊的工作穩(wěn)定可靠，已經(jīng)批量投產(chǎn)。