电力数据采集AD转换器的选择方案

2.4采样方法

谐波监测时，常需要几路信号同时采样，笔者就做过8路信号的同步采样。一般有以下3种方法：

(1)间隔扫描方法：它是一种模拟同时采样的方法。图2说明了这种间隔扫描方法。

对于这种方法，在采样两个通道之间，存在一个非常小的时间误差ts。这个时间误差ts实际上是ADC的采样周期，它由ADC的最大转换速率所决定。例如，当使用一个采样速度为200 kHz的ADC时，则采样计时误差为5 μs。

T是扫描周期，它是一个可调整的值，它根据所测量的现象而进行设置。对于高达50次谐波的测量，最小的扫描速率为5 kHz或T≤200 μs。如果是一个200 kHz的ADC，则每一个通道的时间误差ts都应保持在5μs内，对于50次谐波(50 Hz×50=2.5 kHz即周期为400μs)来说，它的相位误差粗略为：(5μs／400μs)×360°=45°。谐波次数越高，则误差的角度就越大。如果一个ADC被多个通道所分享，则计时误差对于第一个通道和最后一个通道是不同的，它等于N×ts，，这里N等于ADC所供分享的总通道数。

(2)交替采样法：所谓交替采样法．就是进行数据采集时在被测信号的一个周期内，比如要采样256点，其中128个奇数点为电压采样点，128个偶数点为电流采样点。采电压和采电流的时差为△t=T／256(T是被测信号周期)，由此引起的同相电压和电流的相位误差为360°×f×n×△t，式中f为被测信号频率，n为谐波次数。由此式可知相位误差随时差△t、谐波次数n增大而增大。

(3)同步采样法：笔者采用过同相的4路电压和4路电流的同步采样，分时传输的方法。这种方法不存在时差问题，相位差也就不存在，但要求每个通道都要有一个采样保持电路。

3设计实例

这里是一个基于DSP(TMS320C545)的电力谐波监测仪，根据以上分析，其数据采集的AD芯片对于德州仪器公司的ADS7864和MAXIM公司的MAX125都是不错的选择，这里采用了后者。因为要采样A，B，C三相电压和电流，共6路模入通道，为了保证6路工频信号之间保持正确的相位关系，应该同步采样数据，而一片MAX125最多只能转换4通道差动信号，所以用了两片MAX125，其数据采集接口框图如图3所示。

两片MAX125 a和b设置成3路差动顺序采样模式。每片MAX125在模拟信号输入前都接有信号调理电路，其作用是对电网高压进行隔离和抗混叠滤波，并将输入电平转换成芯片正常工作时的电压，这部分在图中没有表示出来。本装置在进行谐波分析时，为了达到需要的测量精度，6路模入信号要求在每个工频周期内的采样点不少于1 024个点，然后留下尽量均匀的512点，再进行快速傅立叶变换，为了保证精度，只取前50次谐波。这就要求6路信号转换的时间得小于20 ms／1 024≈19.5 μs且要留足够的余量。因为MAX125每个通道的信号转换需要3μs，则每片MAX125三个通道依次转换需要3×3 μs=9μs。所以这里两片MAX125要并联连接，同时启动它们，使得它们同时完成3路电压和3路电流的采样保持和转换，只需要3×3μs=9 μs的时间，再加上读取数据的时间，比起19.5μs来，还有很大的余量，当然如果使两片MAX125采用"串联"工作方式，其A／D转换时间就是18μs也小于19.5μs，但余量不够。

TMS320C545的I／O工作电压是3.3 V，MAX125的数字端工作电压是5 V，所以它们之间必须加由5 V转换到3.3 V的电平转换芯片，反过来，由TMS320C545送到MAX125的信号是在MAX125的允许范围内，不会造成损坏，所以就不必进行电平转换了。

电网频率为50.60 Hz时，利用本电力谐波监测仪所测定的各次谐波波畸变率的测量误差的方均根值见表1，其测量的效果是令人满意的。

4结 论

电能测量时，AD芯片对其精度的影响起着致关重要的作用。测量电能质量的ADC必须有足够的动态范围去满足信号的最高的幅度，同时又要保持足够的位数去获得必须的准确度。而且，它的采样速率必须足够的高，以便于采样信号中的最高频率成分。