三相電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

引言

　　當(dāng)前，電力電子裝置和非線性設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)中的電壓、電流波形發(fā)生畸變，電能質(zhì)量受到嚴(yán)重影響和威脅;同時(shí)，各種高性能家用電器、辦公設(shè)備、精密試驗(yàn)儀器、精密生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制設(shè)備等對(duì)供電質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷普及對(duì)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的要求越來越高，電能質(zhì)量問題成為近年來各個(gè)方面關(guān)注的焦點(diǎn)，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是當(dāng)前國際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)［1］，有必要對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行高精度采集，便于進(jìn)一步分析控制，提高電能質(zhì)量。對(duì)電力參數(shù)的采樣方法主要有兩種，即直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法采樣的是整流變換后的直流量，軟件設(shè)計(jì)簡單，計(jì)算方便，但測(cè)量精度受整流電路的影響，調(diào)整困難。交流采樣法則是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再按一定算法進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測(cè)量，因而較之直流采樣法更易獲得高精度、高穩(wěn)定性的測(cè)量結(jié)果［2］。

　　三相電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

　　三相電信號(hào)采集電路框架

　　三相電信號(hào)采集電路的框架如圖1所示。三相電壓電流信號(hào)經(jīng)過電壓電流互感器轉(zhuǎn)換為較低的電壓信號(hào)。其中A相的電壓信號(hào)經(jīng)過波形調(diào)整成為頻率與A相電壓信號(hào)相同的方波信號(hào)，用于測(cè)量頻率。同時(shí)將轉(zhuǎn)換后方波頻率信號(hào)進(jìn)行頻率的整數(shù)倍放大作為A/D轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)。經(jīng)過六路互感器降壓后，將信號(hào)送入AD7656進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號(hào)就可以供于DSP/MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

　　電壓電流互感器的選用

　　電壓/電流互感器均采用湖北天瑞電子有限公司TR系列檢測(cè)用電壓輸出型變換器。電壓互感器采用檢測(cè)用電壓輸出型電壓變換器TR1102-1C，如圖2為其結(jié)構(gòu)圖，規(guī)格為300V/7.07V，非線性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。電流互感器采用檢測(cè)用電壓輸出型電流變換器TR0102-2C，規(guī)格為5A/7.07V，非線性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。

　　電源電路

　　AD7656共有兩種模擬信號(hào)輸入模式，一是模擬輸入信號(hào)為二倍的參考電壓（2.5V）即+/-5V之間，另一種是四倍的參考電壓即+/-10V之間。為提高采樣的精度，本電路采用輸入信號(hào)為+/-10V之間，因此需要+/-10V~+/-16.5V之間電源供電。AD7656同時(shí)需要5V的AVCC和DVCC電源及3.3V的接口電壓電源VDRIVE（也可以是5V，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整）。因此，該電路共需要+/-10V~+/-16.5V，5V，3.3V三種電壓。電源電路共采用三種電源芯片7805，REG1117-3.3V，和MAX865。外用直流變壓器產(chǎn)生約15V的直流電源，接入7805經(jīng)電容濾波調(diào)理，輸出5V電壓。AD7656的AVCC和DVCC可接受電源極限為7V。7805產(chǎn)生的電壓作為施密特觸發(fā)器的電源，故接入的頻率信號(hào)經(jīng)處理后為0到3.3V之間的方波信號(hào)。7805產(chǎn)生的電壓接入REG1117-3.3V，REG1117-3.3V產(chǎn)生的電壓直接接入AD7656的VDRIVE。MAX865是一種高效電荷泵，能夠用一種直流電壓輸入，產(chǎn)生2倍的正負(fù)兩種電壓。輸入電壓的范圍為1.5~6V之間，7856產(chǎn)生的5V電壓接入MAX865產(chǎn)生+/-10V。

　　頻率調(diào)整電路

　　交流電力參數(shù)的頻率并不是固定不變的，電力系統(tǒng)的頻率有一定的波動(dòng)范圍，特別對(duì)小功率供電系統(tǒng)，其供電電網(wǎng)的信號(hào)頻率將隨負(fù)載有較大范圍內(nèi)的波動(dòng)［3］。頻率波形調(diào)理電路如圖4，A相電壓信號(hào)經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換成+/-7.07V左右的正弦電壓信號(hào)V1。為了不影響輸入信號(hào)V1的波形，先使用電壓跟隨器將V1引入調(diào)理電路。因電壓跟隨器的輸入信號(hào)為+/-7.07V之間，故需要采用+/-10V為供電電源的運(yùn)算放大器。D1對(duì)采入的信號(hào)進(jìn)行整流，使輸入信號(hào)只有正半波，負(fù)半波為0。D2為5.01V穩(wěn)壓管，限制輸入到施密特觸發(fā)器7414，如果需要接口電壓為+5V，也可采用施密特觸發(fā)器HCC40106BF。

　　引言

　　當(dāng)前，電力電子裝置和非線性設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)中的電壓、電流波形發(fā)生畸變，電能質(zhì)量受到嚴(yán)重影響和威脅;同時(shí)，各種高性能家用電器、辦公設(shè)備、精密試驗(yàn)儀器、精密生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制設(shè)備等對(duì)供電質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷普及對(duì)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的要求越來越高，電能質(zhì)量問題成為近年來各個(gè)方面關(guān)注的焦點(diǎn)，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是當(dāng)前國際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)［1］，有必要對(duì)三相電信號(hào)進(jìn)行高精度采集，便于進(jìn)一步分析控制，提高電能質(zhì)量。對(duì)電力參數(shù)的采樣方法主要有兩種，即直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法采樣的是整流變換后的直流量，軟件設(shè)計(jì)簡單，計(jì)算方便，但測(cè)量精度受整流電路的影響，調(diào)整困難。交流采樣法則是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再按一定算法進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測(cè)量，因而較之直流采樣法更易獲得高精度、高穩(wěn)定性的測(cè)量結(jié)果［2］。

　　三相電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

　　三相電信號(hào)采集電路框架

　　三相電信號(hào)采集電路的框架如圖1所示。三相電壓電流信號(hào)經(jīng)過電壓電流互感器轉(zhuǎn)換為較低的電壓信號(hào)。其中A相的電壓信號(hào)經(jīng)過波形調(diào)整成為頻率與A相電壓信號(hào)相同的方波信號(hào)，用于測(cè)量頻率。同時(shí)將轉(zhuǎn)換后方波頻率信號(hào)進(jìn)行頻率的整數(shù)倍放大作為A/D轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)。經(jīng)過六路互感器降壓后，將信號(hào)送入AD7656進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號(hào)就可以供于DSP/MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

　　電壓電流互感器的選用

　　電壓/電流互感器均采用湖北天瑞電子有限公司TR系列檢測(cè)用電壓輸出型變換器。電壓互感器采用檢測(cè)用電壓輸出型電壓變換器TR1102-1C，如圖2為其結(jié)構(gòu)圖，規(guī)格為300V/7.07V，非線性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。電流互感器采用檢測(cè)用電壓輸出型電流變換器TR0102-2C，規(guī)格為5A/7.07V，非線性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。

　　電源電路

　　AD7656共有兩種模擬信號(hào)輸入模式，一是模擬輸入信號(hào)為二倍的參考電壓（2.5V）即+/-5V之間，另一種是四倍的參考電壓即+/-10V之間。為提高采樣的精度，本電路采用輸入信號(hào)為+/-10V之間，因此需要+/-10V~+/-16.5V之間電源供電。AD7656同時(shí)需要5V的AVCC和DVCC電源及3.3V的接口電壓電源VDRIVE（也可以是5V，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整）。因此，該電路共需要+/-10V~+/-16.5V，5V，3.3V三種電壓。電源電路共采用三種電源芯片7805，REG1117-3.3V，和MAX865。外用直流變壓器產(chǎn)生約15V的直流電源，接入7805經(jīng)電容濾波調(diào)理，輸出5V電壓。AD7656的AVCC和DVCC可接受電源極限為7V。7805產(chǎn)生的電壓作為施密特觸發(fā)器的電源，故接入的頻率信號(hào)經(jīng)處理后為0到3.3V之間的方波信號(hào)。7805產(chǎn)生的電壓接入REG1117-3.3V，REG1117-3.3V產(chǎn)生的電壓直接接入AD7656的VDRIVE。MAX865是一種高效電荷泵，能夠用一種直流電壓輸入，產(chǎn)生2倍的正負(fù)兩種電壓。輸入電壓的范圍為1.5~6V之間，7856產(chǎn)生的5V電壓接入MAX865產(chǎn)生+/-10V。[!--empirenews.page--]

　　頻率調(diào)整電路

　　交流電力參數(shù)的頻率并不是固定不變的，電力系統(tǒng)的頻率有一定的波動(dòng)范圍，特別對(duì)小功率供電系統(tǒng)，其供電電網(wǎng)的信號(hào)頻率將隨負(fù)載有較大范圍內(nèi)的波動(dòng)［3］。頻率波形調(diào)理電路如圖4，A相電壓信號(hào)經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換成+/-7.07V左右的正弦電壓信號(hào)V1。為了不影響輸入信號(hào)V1的波形，先使用電壓跟隨器將V1引入調(diào)理電路。因電壓跟隨器的輸入信號(hào)為+/-7.07V之間，故需要采用+/-10V為供電電源的運(yùn)算放大器。D1對(duì)采入的信號(hào)進(jìn)行整流，使輸入信號(hào)只有正半波，負(fù)半波為0。D2為5.01V穩(wěn)壓管，限制輸入到施密特觸發(fā)器7414，如果需要接口電壓為+5V，也可采用施密特觸發(fā)器HCC40106BF。

　　鎖相倍頻電路

　　電網(wǎng)的頻率在正常情況下是在一定范圍內(nèi)變化，采取硬件鎖相倍頻的方法能夠?qū)崿F(xiàn)每周期內(nèi)采樣的等間隔，提高采樣的準(zhǔn)確性，電路原理圖如圖5。鎖相環(huán)HEF4046的6、7管腳必須外接振蕩電容;11、12管腳必須外接振蕩電阻。這是因?yàn)樵阪i相環(huán)HEF4046的內(nèi)部采用RC型壓控振蕩器，必須外接電阻和電容作為充放電元件。其內(nèi)部的VCO是一個(gè)電流控制振蕩器，對(duì)定時(shí)電容的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使得VCO的振蕩頻率也正比于該控制電壓。13腳接電容和電阻起濾波作用。R1和C1決定了VCO的頻率范圍［4］ ， 再結(jié)合CD4060電路一起實(shí)現(xiàn)鎖相倍頻的功能，頻率的放大倍數(shù)可以接在CD4060的Q4~Q14不同管角上加以選擇.VCO OUT 接入A/D轉(zhuǎn)換CONVST口控制采樣。

　　A/D轉(zhuǎn)換電路

　　AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近（SAR）型ADC，它具有每通道達(dá)250kSPS的采樣率，并且在片內(nèi)包含一個(gè)2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器。AD7656的電源包括AVCC、DVCC、VDD、VSS和VDRIVE。AVCC和DVCC分別為模擬電源和數(shù)字電源，范圍為4.75~5.25 V。VDD/VSS為采集到的模擬信號(hào)部分的供電電源，范圍為+/-5V到+/-16.5V之間。AD7656允許的模擬輸入信號(hào)有兩種量程，一種是輸入信號(hào)為+/-5V之間，另外一種為+/-10V之間。為提高采樣的精度，采用輸入信號(hào)范圍為+/-10V之間的電路接法。因此VDD/VSS至少為+/-10V。RANGE口決定的模擬信號(hào)輸入的范圍，當(dāng)RANGE接地時(shí)，輸入范圍為4倍的參考電壓（2.5V），當(dāng)RANGE接VDRIVE時(shí)，模擬輸入范圍為2倍的參考電壓，因此RANGE信號(hào)端接地。參考電壓采用的是內(nèi)部參考電壓。AD7656和DSP之間的通信采用并口方式。片選信號(hào)CS接地，始終保持接通。始終保持AD7656運(yùn)行，STBY直接接VDRIVE。AD與DSP之間采用的是16位并口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以SER/PAR，H/S，W/B均接地。為完成六路信號(hào)同步采樣，故A/D轉(zhuǎn)換通道控制開關(guān)CONVSTA，B，C連接到一起。所有的數(shù)字電源，模擬電源，接口驅(qū)動(dòng)電壓等電源，均通過兩個(gè)電容（100nF//10mF）并聯(lián)后與就近的地連接去耦［5］。

　　總結(jié)

　　該電路采樣精度高，可根據(jù)電網(wǎng)頻率變化，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)每一周波的等間隔采樣。通過同時(shí)控制A/D7656的CONVST轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)三相電壓電流六路信號(hào)的同步采樣，輸出為16位數(shù)字信號(hào)。可根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境采用不同的接口電壓，另外在DSP/MCU數(shù)字接口有限的情況下，A/D7656也可以采用SPI通訊，或僅用8位數(shù)字并口，傳輸16位的數(shù)字信號(hào)［4］。