基于鎖相環(huán)與雙AD7865的交流采樣技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：為了保證對電力系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控、調(diào)度，需要對電力參數(shù)進(jìn)行交流采樣。介紹了電力系統(tǒng)參數(shù)交流采樣的設(shè)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(gòu)成的硬件解決方法，并給出了由CD4046構(gòu)成的頻率跟蹤電路、信號調(diào)理電路以及AD7865與TMS320LF2407的接口設(shè)計電路，解決了電力系統(tǒng)中多路電壓、多路電流的交流采樣問題，保證電網(wǎng)頻率變化時采樣數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。該采樣算法可以應(yīng)用于多種場合，具有一定的實(shí)用和推廣價值。
關(guān)鍵詞：交流采樣；鎖相環(huán)；AD7865；倍頻

0 引言
    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(shí)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：
    
    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?br />     
    式中：△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(diǎn)數(shù)。若相鄰兩次采樣的時間間隔相等，即△Tm為常數(shù)△T，考慮到N=T／△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(diǎn)數(shù)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為同一時刻的電流和電壓采樣值。
    功率因數(shù)為：
   

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2 工頻信號鎖相倍頻原理及頻率跟蹤電路的實(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(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fo為采樣頻率。fo經(jīng)N分頻后與fi相比較，根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，鎖定時fo／N=fi，即fo=Nfi。由于鎖相環(huán)的實(shí)時跟蹤性，當(dāng)被測信號頻率fi變化時，電路能自動快速跟蹤并鎖定，始終滿足fo=Nfi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(diǎn)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(shí)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(shí)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 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AIN輸入，經(jīng)過倍頻的方波信號由VCOUT輸出去觸發(fā)A／D芯片。

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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。
    設(shè)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(diào)節(jié)滑動變阻器大小，通過信號濾波、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(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(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；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(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TMS320LF2407的10位A／D轉(zhuǎn)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(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TMS320LF2407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TI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(diǎn)、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 μs；具有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±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，沒有涉及到的管腳未畫出。

    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的引腳，采樣脈沖的上升沿將啟動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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，兩片ADC的片選套用常規(guī)方法，由連續(xù)地址線譯碼所得，若在地址0xA 000H～0xA007H范圍內(nèi)AD7865(1)有效，而AD7865(2)的片選則在0xA008H～0xA00FH地址范圍內(nèi)有效。兩片AD7865的BUSY信號相或后連接到DSP的端，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。[!--empirenews.page--]
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)TMS320LF2407的主頻和AD7865的A／D轉(zhuǎn)換速度和電力參數(shù)實(shí)用精度要求，一個工頻周期內(nèi)采樣64個點(diǎn)，即采樣周期定為312．5μs。
    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6為所設(shè)計程序的流程圖。

5 實(shí)驗(yàn)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8為220 V交流信號經(jīng)過調(diào)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(dá)到了AD7865的采集范圍。

6 結(jié)語
    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(fù)雜、實(shí)時性差等問題。在電力參數(shù)的測量過程中，簡化了外圍電路硬件，電參數(shù)精確穩(wěn)定，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性和精度。另外，這種交流采樣算法還可以應(yīng)用于變電站的參數(shù)測量、微機(jī)繼電保護(hù)、故障錄波等場合，具有一定的實(shí)用和推廣價值。