三相電信號采集電路設計

摘要：本文設計了一種三相電信號采集電路，可以實現(xiàn)三相電壓／電流的六路同步采樣。A／D轉(zhuǎn)換芯片采用的是ADI公司產(chǎn)的A／D7656芯片。以鎖相環(huán)HEF4046和CD4060構(gòu)成采樣的倍頻信號作為A／D轉(zhuǎn)換的控制信號，可以實現(xiàn)每周波動態(tài)等間距信號采集。本電路的輸出接口電壓可以根據(jù)需要調(diào)整為3.3v或者5v，直接與DSP或MCU相連。

關(guān)鍵詞：三相電；A／D7656；硬件同步采樣；HEF4046

引言

當前，電力電子裝置和非線性設備的廣泛應用，使得電網(wǎng)中的電壓、電流波形發(fā)生畸變、電能質(zhì)量受到嚴重影響和威脅；同時，各種高性能家用電器、辦公設備、精密試驗儀器、精密生產(chǎn)過程的自動控制設備等對供電質(zhì)量敏感的用電設備不斷普及對電力系統(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方面關(guān)注的焦點：電能質(zhì)量監(jiān)測是當前國際上的一個研究熱點，有必要對三相電信號進行高精度采集，便于進一步分析控制，提高電能質(zhì)量。對電力參數(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，軟件設計簡單、計算方便，但測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)律對被測信號的瞬時值進行采樣，再按一定算法進行數(shù)值處理，從而獲得被測量，因而較之直流采樣法更易獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果。

三相電信號采集電路設計

三相電信號采集電路框架

三相電信號采集電路的框架如圖1所示。三相電壓電流信號經(jīng)過電壓電流互感器轉(zhuǎn)換為較低的電壓信號。其中A相的電壓信號經(jīng)過波形調(diào)整成為頻率與A相電壓信號相同的方波信號，用于測量頻率。同時將轉(zhuǎn)換后方波頻率信號進行頻率的整數(shù)倍放大作為A／D轉(zhuǎn)換的控制信號。經(jīng)過六路互感器降壓后，將信號送入AD7656進行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號就可以供于DSP／MCU進行數(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系列檢測用電壓輸出型變換器。電壓互感器采用檢測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共有兩種模擬信號輸入模式、一是模擬輸入信號為二倍的參考電壓(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為+／-10V之間，因此需要+／-10V～+／-16.5V之間電源供電。AD7656同時需要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，故接入的頻率信號經(jīng)處理后為0到3.3V之間的方波信號。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范圍，特別對小功率供電系統(tǒng)，其供電電網(wǎng)的信號頻率將隨負載有較大范圍內(nèi)的波動。頻率波形調(diào)理電路如圖4，A相電壓信號經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換成+／-7.07V左右的正弦電壓信號V1。為了不影響輸入信號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為+／-7.07V之間，故需要采用+／-10V為供電電源的運算放大器。D1對采入的信號進行整流，使輸入信號只有正半波，負半波為0。D2為5.01V穩(wěn)壓管，限制輸入到施密特觸友器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。這是因為在鎖相環(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是一個電流控制振蕩器，對定時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，再結(jié)合CD4060電路一起實現(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250kSPS的采樣率，并且在片內(nèi)包合一個2.5V內(nèi)部基準電壓源和基準緩沖器。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4.75～5.25V。VDD／VSS為采集到的模擬信號部分的供電電源，范圍為+／-5V到+／-16.5V之間。AD7656允許的模擬輸入信號有兩種量程，一種是輸入信號為+／-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口決定的模擬信號輸入的范圍，當RANGE接地時，輸入范圍為4倍的參考電壓(2.5V)，當RANGE接VDRIVE時，模擬輸入范圍為2倍的參考電壓，因此RANGE信號端接地。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CS接地，始終保持接通。始終保持AD7656運行，STBY直接接VDRIVE。AD與DSP之間采用的是16位并口進行數(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)動電壓等電源，均通過兩個電容(100nF／／10μF)并聯(lián)后與就近的地連接去耦。

總結(jié)

該電路采樣精度高，可根據(jù)電網(wǎng)頻率變化，實時實現(xiàn)對每一周波的等間隔采樣。通過同時控制A／D7656的CONVST轉(zhuǎn)換開關(guān)，實現(xiàn)三相電壓電流六路信號的同步采樣，輸出為16位數(shù)字信號。可根據(jù)不同的應用環(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。