電力數(shù)據(jù)采集A／D轉(zhuǎn)換器的選擇方案

　　0 引 言

　　當(dāng)今社會對電能質(zhì)量的要求越來越高，國家還專門制定了電能質(zhì)量的國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，電能質(zhì)量的測量越來越得到電力用戶的重視。電能測量時(shí)，從電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果對其精度的影響起著致關(guān)重要的作用，而這其中影響最大的是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，往往A／D芯片的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)就決定了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文就電能測量ADC的選擇作了綜述。

　　1 A／D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)

　　A／D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)反映了其性能特點(diǎn)，其主要的指標(biāo)有以下幾個(gè)：

　　(1)分辨率：分辨率反映A／D轉(zhuǎn)換器對輸入微小變化響應(yīng)的能力，通常用數(shù)字輸出最低位(LSB)所對應(yīng)的模擬輸入的電平值表示。
　　(2)精度：精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。絕對誤差：是指對應(yīng)于一個(gè)數(shù)字量的實(shí)際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差的最大值，通常以數(shù)字量的最小有效位(LSB)的分?jǐn)?shù)值來表示。相對誤差：是指整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。
　　(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次A／D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，即由發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號開始有效的時(shí)間間隔，其倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。例如MAX125的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，其轉(zhuǎn)換速率約為330多kHz。
　　(4)電源靈敏度：電源靈敏度是指A／D轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。一般用電源電壓變化1％時(shí)相應(yīng)的模擬量變化的百分?jǐn)?shù)來表示。
　　(5)量程：量程是指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。

　　A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)際工作時(shí)，都會引入一些誤差，主要包括：靜態(tài)誤差、孔徑誤差和量化誤差。各種誤差都是以最低有效位(LSB)作為計(jì)算單位。1LSB定義為VREF／2n，定義中的VREF是指參考電壓，而n則是模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率。例如，14位模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器的1 LSB是VREF／16 384。

　　(1)靜態(tài)誤差：當(dāng)轉(zhuǎn)換一個(gè)直流信號時(shí)，靜態(tài)誤差可由失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差表示。 失調(diào)誤差：失調(diào)誤差就是實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線間得偏移，即實(shí)際曲線發(fā)生了平移現(xiàn)象。

　　增益誤差：增益誤差就是滿量程誤差與失調(diào)誤差之差。

　　非線性誤差：非線性誤差就是指轉(zhuǎn)換器的實(shí)際傳輸特性曲線與它的平均傳輸特性曲線之間的最大偏差。

　　微分非線性誤差：它表示了輸出碼與其相鄰代碼的間隔，是通過測量輸入電壓的變化，并轉(zhuǎn)換到以LSB為單位，也就是我們通常所說的±1LSB，±0.5LSB等指標(biāo)。

　　(2)孔徑誤差：由于采樣時(shí)鐘或輸入信號的噪聲，使得采樣和保持之間延遲引起的誤差。

　　(3)量化誤差：A／D變換器的量化誤差決定于A／D變換器的轉(zhuǎn)換特性，這種誤差是由轉(zhuǎn)換特性造成的，是一種原理性誤差，無法消除。A／D變換器選定以后，其量化誤差也隨之確定了。量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，量化誤差是由于有限數(shù)字對模擬數(shù)字進(jìn)行離散取值(量化)而引起的誤差。因此，量化誤差理論上為一個(gè)單位分辨率，即1LSB，提高分辨率可減少量化誤差。

　　上述這些誤差構(gòu)成了A／D變換器的總誤差。在考慮上述各種誤差的綜合影響時(shí)，A／D變換器的總誤差應(yīng)該用各種誤差的均方根來表示。

　　2 A／D轉(zhuǎn)換器選擇的理論分析

　　2.1概述

　　采樣處理過程受ADC轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率的限制。一方面，對于具體的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的數(shù)據(jù)位所能代表的精度是由ADC的轉(zhuǎn)換位數(shù)來決定的。另一方面，每一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在被讀取之前都要有轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)據(jù)位越多，則轉(zhuǎn)換時(shí)間越長，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率也就越慢。這就要求ADC的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率之間做出一個(gè)折衷的解決辦法。對轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率要求越高，模數(shù)轉(zhuǎn)換越困難，根據(jù)現(xiàn)在的市場上可提供的和價(jià)格合理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，文獻(xiàn)[3]作了一個(gè)大概的估計(jì)。如圖1所示，它描述了ADC的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速率之間的一種關(guān)系。

　　圖1的左邊上方的區(qū)域代表的是容易獲得的，到右邊的底部區(qū)域則幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。中間的那條實(shí)線表示的是當(dāng)前市場上，在合理的價(jià)格基礎(chǔ)上，可以提供的典型的ADC的性能。它們做為現(xiàn)在已有的ADC性能的代表，可以在電能質(zhì)量測量中選用，例如MAX125。