1、一種實時性較強的采樣頻率同步實現方法        摘 要： 分析了工頻頻率變化對計算電量有效值的數字化測量精度的影響及產生采樣頻率誤差的原因，給出用單片機Intel80C196的高速輸入接口及軟件定時器實現采樣頻率跟蹤的方法，并給出硬件電路結構及軟件框圖。  隨著計算機技術的發展，電力計量表計繼電保護等電力自動裝置也越來越智能化。而這些裝置中，大多都用的是交流采樣。交流采樣的過程多數是：由系統二次回路來的電壓（或電流），經過二次PT（或CT）等變送到AD適合的電壓后，由CPU控制AD以一定的采樣頻率進行

2、模數轉換，獲得離散的采樣數據，經過離散傅立葉變換（DFT)，計算出基波有效值及各次諧波值，進而實現其它功能。進行DFT計算過程如下：     若每周期采樣的離散采樣系統，則其基波電壓（或電流）的有效值、實部有效值、虛部有效值分別為：其中 N每周波的采樣點數；     Xn第n個采樣數值。    上述計算能準確表達有效值的條件是：每周波的個采樣點是均勻分布在每個工頻周期內。但在電力自動裝置中，采樣頻率多是由通過設置CPU定時器分頻系數來完成，該定時器的時鐘源是cpu系統的晶振決定，采樣頻率是固定的

3、。但是，即使已經按照準確的工頻頻率（50Hz）計算出符合上述計算要求的采樣頻率，由于電力系統的頻率是有變化的，而且在故障錄波裝置，繼電保護裝置產品的檢測中，也要考核在頻率變化情況下裝置的反應情況，如：有關國家檢測標準中，要檢查錄波裝置在低頻條件下的反映情況。因此，按照固定的采樣頻率采集的數據，計算結果也就難免出現誤差，因此就有可能引起測量精度的下降，或自動裝置的誤動作。    頻率變化對計算值的影響     此處的頻率既是指采樣頻率，又指電力系統的工頻，因為二者之一發生變化，都會影響采樣后有效值的計算。假定采樣頻率固定為1k

4、Hz（即對應于50Hz信號為每周波20點采樣），信號的有效值為60V，對應于有4654Hz頻率的等幅值輸入量，引用公式（）、（）、（）進行全周波付氏濾波進行計算，產生結果的相對誤差如表1所示。    顯然，頻率的變化對計算有效值的影響較大。產生這一問題的原因就在于每周波的個采樣點不是均勻分布在每個工頻周期內。要解決這一問題，文獻1中給出了“參數自尋優等間隔同步采樣法”。應該說，對于慢速的儀表檢測裝置來說該方法是很合適的。但由于其計算過程比較復雜，且每周波的采樣點數及頻率都在變化，對于適時性要求高，離散采樣數據在后臺處理裝置（如：電力系統動態記錄裝置），就不能滿足要

5、求。因此，在精度滿足要求的情況下，可只采用其中的一種方法：固定采樣點數，根據單片機測量適時的工頻周期，適時調整采樣間隔。目前，有相當部分電力自動裝置中采用Intel80C196單片機作為CPU，本文就以Intel80C196為例介紹實現采樣頻率跟蹤的方法。    硬件電路構成及實現原理    考慮到系統的頻率不是變化很快，要實現采樣頻率隨系統工頻的變化而適時調整，可先測得系統的頻率前一周期對應的計數值Tc（以單片機系統的定時器時鐘周期為單位，以下同），然后根據每周波采樣點數（N），適時計算出每一采樣間隔計數值Tsj：  間隔

6、計數值：    則以Tsj為周期進行采樣，即可實現采樣頻率的適時跟蹤。為實現這一過程，擬采用如圖1所示的電路結構：來自母線電壓互感器的相電壓經過小PT降壓隔離、低通濾波，經過零比較器整形成方波，經光耦送到Intel80C196的高速輸入接口HSI.0，利用方波的上升沿觸發高速輸入中斷，測得每個工頻周期計數值Tc。經過單片機的分析計算，經式（4）得到采樣間隔時間Tsj。以Tsj為時間間隔，設置軟件定時器中斷。在軟件定時器中斷中進行數據采集控制等，完成采樣頻率的適時跟蹤。          軟件流程

7、    在進行軟件設計時，應當充分利用80C196單片機的特點：高速輸入（HSI）接口及軟件定時器。前者用于整形后的方波上升沿檢測，用高速輸入中斷進行系統周期的測量。后者用于產生以計算出的適時采樣間隔Ts為周期的軟件定時器中斷，以進行AD采集控制。    軟件由兩部分組成：主程序、高速輸入（HSI）中斷程序及HS0軟件定時器中斷，流程圖見圖2圖4。    主程序主要完成初始化及其它應用功能。在初始化時，應當設置采樣時間間隔的缺省計數值Td。主要用于因測頻用的電量不正常，不能正確測量電力系統的頻率時，使用該

8、缺省值作為采樣間隔計數Tsc，即TsjTd 。該缺省值的計算方法可以參考下例：    假定系統頻率為50Hz（即周期為20000)；    每周波的采樣點數為20點；    80C196的系統晶振為16MHz，以定時器1作為時間基準，則計數周期為1，參見文獻2。    則采樣點間隔的時間為：20000201000    采樣時間間隔的缺省計數值為：Td100011000    高速輸入中斷程序首先讀出當前的高速輸入計

9、數值Tnew，計算與上次計數值Told之差，獲得適時工頻周期Tc，再對Tc的數值范圍進行判斷，以確認該值的有效性。在判斷Tc的有效性，可參考如下方法：考慮一般系統的頻率波動范圍，如4555Hz對應Tc范圍及兩次測量值之差來確定（因為正常系統頻率不可能突變）。最后用（4）式并考慮進入中斷程序所需要的20個狀態周期，計算出適時采樣間隔時間Tsj。    進入HS0軟件定時器中斷后，首先要做的是預置下次進入中斷的時間Tsj。然后進行AD轉換的控制及其它需要每個采樣間隔所做的處理。應當指出的是，由于軟件定時器中斷優先級高于高速輸入中斷，因此，采樣控制不會受到高速輸入中斷的影響。另外，此處AD控制可以是80C196內部的片內AD，也可以控制擴展AD。視實際的需要而定。    本文所提出的采樣頻率同步方法，已成功用于我們所開發的微機電力故障錄波器及RTU自動裝置中。錄波器中使用采樣頻率跟蹤的使用實