鎖相環(huán)+雙AD7865實(shí)現(xiàn)交流采樣

介紹了電力系統(tǒng)參數(shù)交流采樣的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jià)值。

　　1 交流采樣的設(shè)計(jì)思想

　　若將電壓有效值公式：

　　離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則式(1)變?yōu)椋?/P>

　　式中：△Tm為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔;um為第m-1個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值;N為一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。若相鄰兩次采樣的時(shí)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(gè)周期內(nèi)各采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號有效值的公式。同樣，電流有效值計(jì)算公式：

　　計(jì)算一相有功功率的公式：

　　式中：im和um為同一時(shí)刻的電流和電壓采樣值。

　　功率因數(shù)為：

　　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(shí)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(shí)fo/N=fi，即fo=Nfi。由于鎖相環(huán)的實(shí)時(shí)跟蹤性，當(dāng)被測信號頻率fi變化時(shí)，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(gè)采樣點(diǎn)均勻分布在被測電網(wǎng)信號的一個(gè)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(shí)，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(gè)工頻周期內(nèi)有64個(gè)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。

3 電壓電流調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)原理設(shè)計(jì)的電壓調(diào)理電路如圖3所示。

　　設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)

　　4.1 接口電路設(shè)計(jì)

　　在交流采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(jì)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(jì)算，由式(5)可知，im和um必須為同一時(shí)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(shí)間差，采用適當(dāng)?shù)挠布B接，用一條操作指令同時(shí)啟動兩片AD7865，同時(shí)采樣對應(yīng)的三相電壓和電流，使得im，um為同一時(shí)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(gè)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(shí)，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(jì)

　　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(gè)工頻周期內(nèi)采樣64個(gè)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(shí)觸發(fā)兩個(gè)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(shí)讀取兩個(gè)AD7865芯片數(shù)據(jù)，并根據(jù)交流采樣的計(jì)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(jì)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(shí)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。具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。