2.4采樣方法

諧波監(jiān)測(cè)時(shí)，常需要幾路信號(hào)同時(shí)采樣，筆者就做過8路信號(hào)的同步采樣。一般有以下3種方法：

(1)間隔掃描方法：它是一種模擬同時(shí)采樣的方法。圖2說明了這種間隔掃描方法。

對(duì)于這種方法，在采樣兩個(gè)通道之間，存在一個(gè)非常小的時(shí)間誤差ts。這個(gè)時(shí)間誤差ts實(shí)際上是ADC的采樣周期，它由ADC的最大轉(zhuǎn)換速率所決定。例如，當(dāng)使用一個(gè)采樣速度為200 kHz的ADC時(shí)，則采樣計(jì)時(shí)誤差為5 μs。

T是掃描周期，它是一個(gè)可調(diào)整的值，它根據(jù)所測(cè)量的現(xiàn)象而進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于高達(dá)50次諧波的測(cè)量，最小的掃描速率為5 kHz或T≤200 μs。如果是一個(gè)200 kHz的ADC，則每一個(gè)通道的時(shí)間誤差ts都應(yīng)保持在5μs內(nèi)，對(duì)于50次諧波(50 Hz×50=2.5 kHz即周期為400μs)來說，它的相位誤差粗略為：(5μs／400μs)×360°=45°。諧波次數(shù)越高，則誤差的角度就越大。如果一個(gè)ADC被多個(gè)通道所分享，則計(jì)時(shí)誤差對(duì)于第一個(gè)通道和最后一個(gè)通道是不同的，它等于N×ts，，這里N等于ADC所供分享的總通道數(shù)。

(2)交替采樣法：所謂交替采樣法．就是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，比如要采樣256點(diǎn)，其中128個(gè)奇數(shù)點(diǎn)為電壓采樣點(diǎn)，128個(gè)偶數(shù)點(diǎn)為電流采樣點(diǎn)。采電壓和采電流的時(shí)差為△t=T／256(T是被測(cè)信號(hào)周期)，由此引起的同相電壓和電流的相位誤差為360°×f×n×△t，式中f為被測(cè)信號(hào)頻率，n為諧波次數(shù)。由此式可知相位誤差隨時(shí)差△t、諧波次數(shù)n增大而增大。

(3)同步采樣法：筆者采用過同相的4路電壓和4路電流的同步采樣，分時(shí)傳輸?shù)姆椒?。這種方法不存在時(shí)差問題，相位差也就不存在，但要求每個(gè)通道都要有一個(gè)采樣保持電路。

3設(shè)計(jì)實(shí)例

這里是一個(gè)基于DSP(TMS320C545)的電力諧波監(jiān)測(cè)儀，根據(jù)以上分析，其數(shù)據(jù)采集的AD芯片對(duì)于德州儀器公司的ADS7864和MAXIM公司的MAX125都是不錯(cuò)的選擇，這里采用了后者。因?yàn)橐蓸覣，B，C三相電壓和電流，共6路模入通道，為了保證6路工頻信號(hào)之間保持正確的相位關(guān)系，應(yīng)該同步采樣數(shù)據(jù)，而一片MAX125最多只能轉(zhuǎn)換4通道差動(dòng)信號(hào)，所以用了兩片MAX125，其數(shù)據(jù)采集接口框圖如圖3所示。

兩片MAX125 a和b設(shè)置成3路差動(dòng)順序采樣模式。每片MAX125在模擬信號(hào)輸入前都接有信號(hào)調(diào)理電路，其作用是對(duì)電網(wǎng)高壓進(jìn)行隔離和抗混疊濾波，并將輸入電平轉(zhuǎn)換成芯片正常工作時(shí)的電壓，這部分在圖中沒有表示出來。本裝置在進(jìn)行諧波分析時(shí)，為了達(dá)到需要的測(cè)量精度，6路模入信號(hào)要求在每個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)不少于1 024個(gè)點(diǎn)，然后留下盡量均勻的512點(diǎn)，再進(jìn)行快速傅立葉變換，為了保證精度，只取前50次諧波。這就要求6路信號(hào)轉(zhuǎn)換的時(shí)間得小于20 ms／1 024≈19.5 μs且要留足夠的余量。因?yàn)镸AX125每個(gè)通道的信號(hào)轉(zhuǎn)換需要3μs，則每片MAX125三個(gè)通道依次轉(zhuǎn)換需要3×3 μs=9μs。所以這里兩片MAX125要并聯(lián)連接，同時(shí)啟動(dòng)它們，使得它們同時(shí)完成3路電壓和3路電流的采樣保持和轉(zhuǎn)換，只需要3×3μs=9 μs的時(shí)間，再加上讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間，比起19.5μs來，還有很大的余量，當(dāng)然如果使兩片MAX125采用"串聯(lián)"工作方式，其A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間就是18μs也小于19.5μs，但余量不夠。

TMS320C545的I／O工作電壓是3.3 V，MAX125的數(shù)字端工作電壓是5 V，所以它們之間必須加由5 V轉(zhuǎn)換到3.3 V的電平轉(zhuǎn)換芯片，反過來，由TMS320C545送到MAX125的信號(hào)是在MAX125的允許范圍內(nèi)，不會(huì)造成損壞，所以就不必進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換了。

電網(wǎng)頻率為50.60 Hz時(shí)，利用本電力諧波監(jiān)測(cè)儀所測(cè)定的各次諧波波畸變率的測(cè)量誤差的方均根值見表1，其測(cè)量的效果是令人滿意的。

4結(jié) 論

電能測(cè)量時(shí)，AD芯片對(duì)其精度的影響起著致關(guān)重要的作用。測(cè)量電能質(zhì)量的ADC必須有足夠的動(dòng)態(tài)范圍去滿足信號(hào)的最高的幅度，同時(shí)又要保持足夠的位數(shù)去獲得必須的準(zhǔn)確度。而且，它的采樣速率必須足夠的高，以便于采樣信號(hào)中的最高頻率成分。