1、第三章第三章 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ) 第一節(jié)第一節(jié) 微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)的構(gòu)成原理微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)的構(gòu)成原理 第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)字濾波的基本概念數(shù)字濾波的基本概念 第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)電流保護(hù)算法微機(jī)電流保護(hù)算法 第四節(jié)第四節(jié) 微機(jī)電流保護(hù)程序流程微機(jī)電流保護(hù)程序流程 微機(jī)保護(hù)微機(jī)保護(hù)是指將微型機(jī)、微控制器作為核心是指將微型機(jī)、微控制器作為核心部件構(gòu)成的繼電保護(hù)。部件構(gòu)成的繼電保護(hù)。 1984年國內(nèi)第一套微機(jī)距離保護(hù)樣機(jī)經(jīng)過試年國內(nèi)第一套微機(jī)距離保護(hù)樣機(jī)經(jīng)過試運(yùn)行并通過鑒定后，經(jīng)過運(yùn)行并通過鑒定后，經(jīng)過20多年的研究、應(yīng)用、多年的研究、應(yīng)用、推廣與實(shí)踐，現(xiàn)在新投入使用的高中壓等級

2、繼電推廣與實(shí)踐，現(xiàn)在新投入使用的高中壓等級繼電保護(hù)設(shè)備幾乎均為微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品。微機(jī)保護(hù)在動保護(hù)設(shè)備幾乎均為微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品。微機(jī)保護(hù)在動作速度、動作性能及可靠性方面優(yōu)于傳統(tǒng)保護(hù)，作速度、動作性能及可靠性方面優(yōu)于傳統(tǒng)保護(hù)，已在電力系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，代表了現(xiàn)代繼電已在電力系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，代表了現(xiàn)代繼電保護(hù)發(fā)展的方向。保護(hù)發(fā)展的方向。第一節(jié)第一節(jié) 微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)的構(gòu)成原理的構(gòu)成原理一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二、數(shù)據(jù)處理單元二、數(shù)據(jù)處理單元 三、開關(guān)量輸入及輸出接口電路三、開關(guān)量輸入及輸出接口電路四、通信接口四、通信接口五、電源五、電源 微機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)按功能可分為如下

3、五個(gè)部分微機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)按功能可分為如下五個(gè)部分: （1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或稱模擬量輸入系統(tǒng)）包括。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或稱模擬量輸入系統(tǒng)）包括電壓形成、低通濾波器、采樣保持（電壓形成、低通濾波器、采樣保持（S/H）、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（）、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX）以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（）以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）等功能塊，完成將模擬輸入量轉(zhuǎn)換）等功能塊，完成將模擬輸入量轉(zhuǎn)換為微型機(jī)能夠識別的數(shù)字量。為微型機(jī)能夠識別的數(shù)字量。 （2）微型機(jī)主系統(tǒng)微型機(jī)主系統(tǒng)。微型機(jī)主系統(tǒng)包括微處理器。微型機(jī)主系統(tǒng)包括微處理器(MPU)、只讀存、只讀存儲器儲器(ROM)或閃存內(nèi)存單元或閃存內(nèi)存單元(FLASH)、

4、隨機(jī)存取存儲器、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、定時(shí)器、并行接口以及串行接口等。微型機(jī)執(zhí)行編制好的程序，定時(shí)器、并行接口以及串行接口等。微型機(jī)執(zhí)行編制好的程序，對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至RAM區(qū)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，完區(qū)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，完成各種繼電保護(hù)的測量、邏輯和控制功能。成各種繼電保護(hù)的測量、邏輯和控制功能。 （3）開關(guān)量輸入開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)。開關(guān)量輸入。開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)由微型機(jī)的并輸出系統(tǒng)由微型機(jī)的并行接口（行接口（PIA或或PIO）、光電隔離器件及有觸點(diǎn)的中間繼電器等組）、光電隔離器件及有觸點(diǎn)的中間繼電器等組成，以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號、

5、外部觸點(diǎn)輸入、人機(jī)對成，以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號、外部觸點(diǎn)輸入、人機(jī)對話及通信等功能。話及通信等功能。 （4）通信接口通信接口。通信接口包括多種通信接口電路以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通。通信接口包括多種通信接口電路以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信或聯(lián)網(wǎng)。信或聯(lián)網(wǎng)。 （5）電源電源。電源供給微處理器、數(shù)字電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及繼。電源供給微處理器、數(shù)字電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及繼電器所需的電力。電器所需的電力。 圖圖3-1為一種典型的微機(jī)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)示意圖。為一種典型的微機(jī)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)示意圖。 圖圖3-1 典型的微機(jī)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)示意圖典型的微機(jī)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)示意圖 目前，隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，已有許多單一芯目前

6、，隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，已有許多單一芯片將微處理器（片將微處理器（MPU）、只讀存儲器（）、只讀存儲器（ROM）、隨機(jī)存取存）、隨機(jī)存取存儲器（儲器（RAM）、定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（）、定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、并行接口（）、并行接口（PIO）、閃存單元（）、閃存單元（FLASH）、數(shù)字信號處理單元（）、數(shù)字信號處理單元（Digital Signal Processor ，DSP ）、通信接口等多種功能集成于一）、通信接口等多種功能集成于一個(gè)芯片內(nèi)，構(gòu)成了功能齊全的個(gè)芯片內(nèi)，構(gòu)成了功能齊全的單片微型機(jī)系統(tǒng)單片微型機(jī)系統(tǒng)，為微機(jī)保護(hù)，為微機(jī)保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)提供了更多的選擇。由于芯片內(nèi)部資源

7、豐富，因的硬件設(shè)計(jì)提供了更多的選擇。由于芯片內(nèi)部資源豐富，因此無需通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，在外部擴(kuò)展存此無需通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，在外部擴(kuò)展存儲器，實(shí)現(xiàn)了儲器，實(shí)現(xiàn)了“總線不出芯片總線不出芯片”的設(shè)計(jì)，這種芯片的應(yīng)用將的設(shè)計(jì)，這種芯片的應(yīng)用將有利于提高微機(jī)保護(hù)設(shè)備的可靠性和抗干擾性能。有利于提高微機(jī)保護(hù)設(shè)備的可靠性和抗干擾性能。 一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （一）電壓形成回路（一）電壓形成回路 微機(jī)保護(hù)模擬量的設(shè)置應(yīng)以滿足保護(hù)功微機(jī)保護(hù)模擬量的設(shè)置應(yīng)以滿足保護(hù)功能為基本準(zhǔn)則，輸入的模擬量與計(jì)算方法能為基本準(zhǔn)則，輸入的模擬量與計(jì)算方法結(jié)合后結(jié)合后,應(yīng)能夠反應(yīng)被保護(hù)對象

8、的所有故障應(yīng)能夠反應(yīng)被保護(hù)對象的所有故障特征。以高壓線路保護(hù)和三繞組變壓器差特征。以高壓線路保護(hù)和三繞組變壓器差動保護(hù)為例動保護(hù)為例, 由于高壓線路保護(hù)一般具備了全線速動保護(hù)由于高壓線路保護(hù)一般具備了全線速動保護(hù)（如高頻保護(hù)或光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)）、距離（如高頻保護(hù)或光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)）、距離保護(hù)、零序保護(hù)和重合閘功能，所以模擬量一般保護(hù)、零序保護(hù)和重合閘功能，所以模擬量一般設(shè)置為設(shè)置為 共共8個(gè)模擬量個(gè)模擬量,其中其中 用于構(gòu)成保護(hù)的功用于構(gòu)成保護(hù)的功能能, 為斷路器的另一側(cè)電壓，用于實(shí)現(xiàn)重合閘功為斷路器的另一側(cè)電壓，用于實(shí)現(xiàn)重合閘功能；對于三繞組變壓器的差動保護(hù)，至少應(yīng)該接能；對于三繞組

9、變壓器的差動保護(hù)，至少應(yīng)該接入三側(cè)的三相電流，共入三側(cè)的三相電流，共9個(gè)模擬量。個(gè)模擬量。0abcabcIIIIUUU、 、 、3 、0abcabcxIIIIUUUU、 、 、3 、 在微機(jī)保護(hù)中，通常根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范在微機(jī)保護(hù)中，通常根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍的要求，將輸入信號變換為圍的要求，將輸入信號變換為5V或或10V范范圍內(nèi)的電壓信號。圍內(nèi)的電壓信號。中間變換器中間變換器1.電壓變換器電壓變換器:交流電壓信號變換為成比例的電壓交流電壓信號變換為成比例的電壓信號信號;2.電流變換器電流變換器:交流電流信號變換為成比例的電壓交流電流信號變換為成比例的電壓信號信號;優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):是只要鐵芯不飽和

10、，它的傳變可使原是只要鐵芯不飽和，它的傳變可使原信息不失真。至于移相、提取某一分量信息不失真。至于移相、提取某一分量或抑制某些分量等，在微機(jī)保護(hù)中，根或抑制某些分量等，在微機(jī)保護(hù)中，根據(jù)需要可以容易地通過軟件實(shí)現(xiàn)。據(jù)需要可以容易地通過軟件實(shí)現(xiàn)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn):是在非周期分量的作用下容易飽和，是在非周期分量的作用下容易飽和，線性度較差，動態(tài)范圍也較小。線性度較差，動態(tài)范圍也較小。 圖圖3-2 電流變換器的連接方式電流變換器的連接方式 （3-1） 于是在設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)參數(shù)應(yīng)滿足下列條件于是在設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)參數(shù)應(yīng)滿足下列條件 （3-2） 122TAMTAMTAMiuRiRn1maxmaxTAMTAMiRUn

11、 通常，在中間變換器的一次和二次之間，通常，在中間變換器的一次和二次之間，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)屏蔽層，并將屏蔽層可靠地與地網(wǎng)應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)屏蔽層，并將屏蔽層可靠地與地網(wǎng)連接，以便提高交流回路抗連接，以便提高交流回路抗共模干擾共模干擾（作用在（作用在裝置對引線端子和機(jī)殼之間的干擾）的能力。裝置對引線端子和機(jī)殼之間的干擾）的能力。在存在共模干擾情況下的等效電路如圖在存在共模干擾情況下的等效電路如圖3-3(b)所示所示,其中其中 、 為變換器兩側(cè)與屏蔽層之間的為變換器兩側(cè)與屏蔽層之間的等效電容；等效電容； 為交流輸入傳輸導(dǎo)線的等效阻抗為交流輸入傳輸導(dǎo)線的等效阻抗; 為設(shè)備對地的等效阻抗；為設(shè)備對地的等效阻抗； 為

12、接地阻抗（為接地阻抗（一般要求一般要求 小于小于 ）。）。1C2CLZfZgZgZ5 . 0 由于由于 很小，所以共模干擾信號對變很小，所以共模干擾信號對變換器二次側(cè)的影響得到了極大的抑制。這換器二次側(cè)的影響得到了極大的抑制。這樣樣中間變換器還起到屏蔽和隔離共模干擾中間變換器還起到屏蔽和隔離共模干擾信號的作用，可提高交流回路的可靠性。信號的作用，可提高交流回路的可靠性。 gZ 圖圖3-3 屏蔽層作用的等效電路屏蔽層作用的等效電路（a）共模干擾及屏蔽層示意圖；）共模干擾及屏蔽層示意圖； （b）屏蔽層作用的等效電路圖）屏蔽層作用的等效電路圖（二）采樣保持電路和模擬低通濾波器（二）采樣保持電路和模擬

13、低通濾波器 1、采樣保持電路的作用及原理、采樣保持電路的作用及原理 圖圖3-4 采樣保持電路工作原理圖及其采樣保持過程示意圖采樣保持電路工作原理圖及其采樣保持過程示意圖 （a）采樣保持電路工作原理圖）采樣保持電路工作原理圖 （b）采樣保持過程示意圖）采樣保持過程示意圖 采樣保持電路采樣保持電路又稱又稱S/H（Sample/Hold）電路，其作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測量模電路，其作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模擬數(shù)字?jǐn)M輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間內(nèi)保持其輸出不變。轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間內(nèi)保持其輸出不變。利用采樣保持電路后，可以方便地對多個(gè)模

14、利用采樣保持電路后，可以方便地對多個(gè)模擬量實(shí)現(xiàn)同時(shí)采樣。擬量實(shí)現(xiàn)同時(shí)采樣。 采樣脈沖寬度采樣脈沖寬度; 采樣間隔（或稱采樣周期）采樣間隔（或稱采樣周期）.CTST 在邏輯輸入為高電平時(shí)在邏輯輸入為高電平時(shí)AS閉合，此時(shí)電路處閉合，此時(shí)電路處于采樣狀態(tài)。于采樣狀態(tài)。 迅速充電到迅速充電到 在采樣時(shí)刻的電在采樣時(shí)刻的電壓值。壓值。AS的閉合時(shí)間應(yīng)滿足使的閉合時(shí)間應(yīng)滿足使 有足夠的充電有足夠的充電時(shí)間即采樣時(shí)間，顯然希望采樣時(shí)間越短越好。時(shí)間即采樣時(shí)間，顯然希望采樣時(shí)間越短越好。這里，應(yīng)用這里，應(yīng)用 阻抗變換器阻抗變換器的目的的目的是它在輸入端呈是它在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，對輸入回路的影響很小；而輸出阻

15、抗現(xiàn)高阻抗，對輸入回路的影響很小；而輸出阻抗很低，使充放電回路的時(shí)間常數(shù)很小，保證很低，使充放電回路的時(shí)間常數(shù)很小，保證 上上的電壓能迅速跟蹤到在采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值的電壓能迅速跟蹤到在采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值 。hCsruhCsruhC AS打開時(shí)，電容器打開時(shí)，電容器 上保持住上保持住AS閉合時(shí)刻的閉合時(shí)刻的電壓，電路處于保持狀態(tài)。為了提高保持能力，電電壓，電路處于保持狀態(tài)。為了提高保持能力，電路中應(yīng)用了另一個(gè)路中應(yīng)用了另一個(gè)阻抗變換器阻抗變換器，它在，它在 側(cè)呈現(xiàn)高側(cè)呈現(xiàn)高阻抗，使阻抗，使 對應(yīng)充電回路的時(shí)間常數(shù)很大，而輸出對應(yīng)充電回路的時(shí)間常數(shù)很大，而輸出阻抗（阻抗（ 側(cè)）很低，以側(cè)）很低，以增強(qiáng)

16、帶負(fù)載能力增強(qiáng)帶負(fù)載能力。阻抗變。阻抗變換器換器和和可由運(yùn)算放大器構(gòu)成。可由運(yùn)算放大器構(gòu)成。 hChChCscu 采樣保持過程采樣保持過程: 由微型機(jī)控制內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)等間隔由微型機(jī)控制內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)等間隔的采樣脈沖，用于對的采樣脈沖，用于對“信號信號”（模擬量）進(jìn)行定（模擬量）進(jìn)行定時(shí)采樣時(shí)采樣,從而得到反映輸入信號在采樣時(shí)刻的信息從而得到反映輸入信號在采樣時(shí)刻的信息，即圖，即圖3-4（b）中的）中的“采樣信號采樣信號”；隨后，在一；隨后，在一定時(shí)間內(nèi)保持采樣信號處于不變的狀態(tài)，如圖定時(shí)間內(nèi)保持采樣信號處于不變的狀態(tài)，如圖3-4(b)中中“采樣和保持信號采樣和保持信號”，這樣，在

17、保持階段，這樣，在保持階段，無論何時(shí)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的結(jié)果都反映，無論何時(shí)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的結(jié)果都反映了采樣時(shí)刻的信息。了采樣時(shí)刻的信息。2、對采樣保持電路的要求、對采樣保持電路的要求 高質(zhì)量的采樣保持電路應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：高質(zhì)量的采樣保持電路應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：（1） 上的電壓按一定的精度（如誤差小于上的電壓按一定的精度（如誤差小于0.1）跟蹤上跟蹤上 所需要的最小采樣寬度所需要的最小采樣寬度 （或稱為截獲（或稱為截獲時(shí)間），對快速變化的信號采樣時(shí)，要求時(shí)間），對快速變化的信號采樣時(shí)，要求 盡量盡量短，以便可用很窄的采樣脈沖，這樣才能更準(zhǔn)確短，以便可用很窄的采樣脈沖，這樣才能更準(zhǔn)確地反映某

18、一時(shí)刻的地反映某一時(shí)刻的 值。值。hCsruCTCTsru（2）保持時(shí)間要長。通常用下降率）保持時(shí)間要長。通常用下降率 來表示保來表示保持能力。持能力。（3）模擬開關(guān)的動作延時(shí)、閉合電阻和開斷時(shí)的漏）模擬開關(guān)的動作延時(shí)、閉合電阻和開斷時(shí)的漏電流要小電流要小 。CSTTu圖圖3-5 LF398采樣保持電路芯片原理圖及實(shí)用接線圖采樣保持電路芯片原理圖及實(shí)用接線圖 （a）原理圖）原理圖 ； （b）實(shí)用接線圖）實(shí)用接線圖 圖圖3-53-5（a a）就是）就是LFLF398398型采樣保持電路芯片（采樣型采樣保持電路芯片（采樣保持器）的原理圖，其他型號采樣保持器的工作原理大保持器）的原理圖，其他型號采樣

19、保持器的工作原理大同小異。電路主要由兩只高性能的運(yùn)算放大器同小異。電路主要由兩只高性能的運(yùn)算放大器A1A1、A2A2構(gòu)構(gòu)成的跟隨器組成，其中成的跟隨器組成，其中A2A2是典型的跟隨器接法，其反相是典型的跟隨器接法，其反相端直接與輸出端相連。由于運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)端直接與輸出端相連。由于運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)極高，極高，A2A2的的“”、“”輸入端之間的電位差實(shí)際上輸入端之間的電位差實(shí)際上為零，所以輸出端對地電壓能跟蹤上輸入端對地電壓，為零，所以輸出端對地電壓能跟蹤上輸入端對地電壓，也就是保持電容器兩端的電壓。也就是保持電容器兩端的電壓。 A1 A1和和A2A2的接法實(shí)質(zhì)相同，在采樣狀態(tài)

20、（的接法實(shí)質(zhì)相同，在采樣狀態(tài)（SASA接通時(shí)），接通時(shí)），A1A1的反相輸入端從的反相輸入端從A2A2輸出端經(jīng)電阻器輸出端經(jīng)電阻器R R獲得負(fù)反饋，使輸出跟獲得負(fù)反饋，使輸出跟蹤輸入電壓。在蹤輸入電壓。在SASA斷開后的保持階段，雖然模擬量輸入仍斷開后的保持階段，雖然模擬量輸入仍在變化，但在變化，但A2A2的輸出電壓卻不再變化，這樣的輸出電壓卻不再變化，這樣A1A1不再從不再從A2A2的的輸出端獲得負(fù)反饋輸出端獲得負(fù)反饋, ,為此在為此在A1A1的輸出端和反相輸入端之間跨的輸出端和反相輸入端之間跨接了兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管，直接從接了兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管，直接從A1A1的輸出端經(jīng)過二極的輸出端經(jīng)

21、過二極管獲得負(fù)反饋，以防止管獲得負(fù)反饋，以防止A1A1進(jìn)入飽和區(qū)，同時(shí)配合電阻器進(jìn)入飽和區(qū)，同時(shí)配合電阻器R R起起到隔離第二級輸出與第一級輸出的聯(lián)系。到隔離第二級輸出與第一級輸出的聯(lián)系。 跟隨器的輸入阻抗很高（達(dá)跟隨器的輸入阻抗很高（達(dá) ），），輸出阻抗很低（最大輸出阻抗很低（最大 ），因而），因而A1對輸入對輸入信號信號 來說是高阻抗；而在采樣狀態(tài)時(shí)，對來說是高阻抗；而在采樣狀態(tài)時(shí)，對電容器電容器 為低阻抗充電，故可快速采樣。又為低阻抗充電，故可快速采樣。又由于由于A2的緩沖和隔離作用，使電路有較好的的緩沖和隔離作用，使電路有較好的保持性能。保持性能。 10106sruhC SASA為場效

22、應(yīng)晶體管模擬開關(guān)，由運(yùn)算放大器為場效應(yīng)晶體管模擬開關(guān)，由運(yùn)算放大器A3A3驅(qū)動。驅(qū)動。A3A3的邏輯輸入端的邏輯輸入端 由外部電路（通常可由由外部電路（通常可由定時(shí)器）按一定時(shí)序控制，進(jìn)而控制著定時(shí)器）按一定時(shí)序控制，進(jìn)而控制著 處于采樣處于采樣或保持狀態(tài)。符號或保持狀態(tài)。符號 表示該端子有雙重功能，即表示該端子有雙重功能，即 “1”1”電平為采樣（電平為采樣（SampleSample）功能）功能, , “0”0”電平為保持（電平為保持（HoldHold）功能。某個(gè)符號）功能。某個(gè)符號上面帶一橫，表示該功能為低電平有效，這是數(shù)字上面帶一橫，表示該功能為低電平有效，這是數(shù)字電路的習(xí)慣表示法。電路

23、的習(xí)慣表示法。HS /hCHS /HS /HS /3、采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用、采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用 通常按照時(shí)間通常按照時(shí)間等間隔等間隔來設(shè)計(jì)采樣間隔來設(shè)計(jì)采樣間隔 。采樣頻率采樣頻率：采樣間隔的倒數(shù)稱為采樣頻率：采樣間隔的倒數(shù)稱為采樣頻率 。 采樣頻率越高，要求微型機(jī)的運(yùn)行速度越高。因?yàn)槲C(jī)采樣頻率越高，要求微型機(jī)的運(yùn)行速度越高。因?yàn)槲C(jī)保護(hù)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向微保護(hù)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向微型機(jī)輸入數(shù)據(jù)，微型機(jī)必須要來得及在兩個(gè)相鄰采樣間隔時(shí)型機(jī)輸入數(shù)據(jù)，微型機(jī)必須要來得及在兩個(gè)相鄰采樣間隔時(shí)間間 內(nèi)，處理完對每

24、一組采樣值所必須做的各種操作和運(yùn)內(nèi)，處理完對每一組采樣值所必須做的各種操作和運(yùn)算，否則微型機(jī)將跟不上實(shí)時(shí)節(jié)拍而無法工作。相反，采樣算，否則微型機(jī)將跟不上實(shí)時(shí)節(jié)拍而無法工作。相反，采樣頻率過低，將不能真實(shí)地反映被采樣信號的情況。頻率過低，將不能真實(shí)地反映被采樣信號的情況。STSfST采樣定理采樣定理：如果被采樣信號中所含最高頻率成分的：如果被采樣信號中所含最高頻率成分的 頻率為頻率為 ，則采樣頻率，則采樣頻率 必須大于必須大于 的的2倍。倍。即：即：maxfSfmaxfmax2 ffS 圖圖3-6 頻率混疊示意圖頻率混疊示意圖（a） 波形波形 ；（；（b） 采樣波形采樣波形 ； （c） 采樣波形

25、采樣波形工程中一般取工程中一般取m ax()fxtmaxSffmaxSffmax(2.53)Sff 目前大多數(shù)的微機(jī)保護(hù)原理都是反映工頻量的，在這種目前大多數(shù)的微機(jī)保護(hù)原理都是反映工頻量的，在這種情況下，可以在采樣前用一個(gè)情況下，可以在采樣前用一個(gè)低通模擬濾波器低通模擬濾波器（Low Pass Fliter， LPF）將高頻分量濾掉，這樣就可以降低）將高頻分量濾掉，這樣就可以降低 。實(shí)際。實(shí)際上，由于數(shù)字濾波器有許多優(yōu)點(diǎn)，因而通常并不要求圖上，由于數(shù)字濾波器有許多優(yōu)點(diǎn)，因而通常并不要求圖3-1中中的模擬低通濾波器濾掉所有的高頻分量，而僅用它濾掉的模擬低通濾波器濾掉所有的高頻分量，而僅用它濾掉

26、以上的分量，以消除頻率混疊，防止高頻分量混疊到工頻附以上的分量，以消除頻率混疊，防止高頻分量混疊到工頻附近來。近來。低于低于 的其他暫態(tài)頻率分量，可以通過數(shù)字濾波的其他暫態(tài)頻率分量，可以通過數(shù)字濾波來濾除來濾除。 Sf2/Sf2/Sf 電流互感器、電壓互感器對高頻分量已有相當(dāng)大電流互感器、電壓互感器對高頻分量已有相當(dāng)大的抑制作用的抑制作用，因此不必對抗混疊的模擬低通濾波器的，因此不必對抗混疊的模擬低通濾波器的頻率特性提出很嚴(yán)格的要求，如不一定要求很陡的過頻率特性提出很嚴(yán)格的要求，如不一定要求很陡的過渡帶，也不一定要求阻帶有理想的衰耗特性，渡帶，也不一定要求阻帶有理想的衰耗特性，否則高否則高階的

27、模擬濾波器將帶來較長的過渡過程，影響保護(hù)的階的模擬濾波器將帶來較長的過渡過程，影響保護(hù)的快速動作快速動作。 最簡單的模擬低通濾波器如圖最簡單的模擬低通濾波器如圖3-7所示，所示，其中的一種參數(shù)設(shè)計(jì)為：其中的一種參數(shù)設(shè)計(jì)為：圖3-7 RC低通濾波器ckR3 . 4FC1 . 0 采用低通濾波器消除頻率混疊問題后，采用低通濾波器消除頻率混疊問題后，采樣頻采樣頻率的選擇在很大程度上取決于保護(hù)的原理和算法的率的選擇在很大程度上取決于保護(hù)的原理和算法的要求要求，同時(shí)還要考慮硬件的速度問題。例如一種常，同時(shí)還要考慮硬件的速度問題。例如一種常用的采樣頻率是使采樣間隔用的采樣頻率是使采樣間隔 5/3ms，這正

28、好相，這正好相當(dāng)于工頻電角度為當(dāng)于工頻電角度為 ，因而可以很方便地實(shí)現(xiàn)，因而可以很方便地實(shí)現(xiàn) 、 或或 移相，從而構(gòu)成負(fù)序?yàn)V過器等。考慮到硬移相，從而構(gòu)成負(fù)序?yàn)V過器等。考慮到硬件目前實(shí)際可達(dá)到的速度和保護(hù)算法的要求件目前實(shí)際可達(dá)到的速度和保護(hù)算法的要求,絕大多絕大多數(shù)微機(jī)保護(hù)的采樣間隔數(shù)微機(jī)保護(hù)的采樣間隔 都在都在0.12ms的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。ST30306090ST（三）模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（三）模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 對于反映兩個(gè)量以上（如反映阻抗、功對于反映兩個(gè)量以上（如反映阻抗、功率方向等）的繼電保護(hù)裝置，都要求對各個(gè)率方向等）的繼電保護(hù)裝置，都要求對各個(gè)模擬量同時(shí)采樣，以準(zhǔn)確地獲得各個(gè)量

29、之間模擬量同時(shí)采樣，以準(zhǔn)確地獲得各個(gè)量之間的相位關(guān)系，因而圖的相位關(guān)系，因而圖3-1中要對每個(gè)模擬輸入中要對每個(gè)模擬輸入量設(shè)置一套電壓形成、抗混疊低通濾波和采量設(shè)置一套電壓形成、抗混疊低通濾波和采樣保持電路。樣保持電路。 所有采樣保持器的邏輯輸入端并聯(lián)后，由所有采樣保持器的邏輯輸入端并聯(lián)后，由定時(shí)器同時(shí)供給采樣脈沖。但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器定時(shí)器同時(shí)供給采樣脈沖。但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器價(jià)格相對較貴，通常不是每個(gè)模擬量輸入通道價(jià)格相對較貴，通常不是每個(gè)模擬量輸入通道設(shè)一個(gè)設(shè)一個(gè)A/D，而是，而是公用一個(gè)公用一個(gè)，中間經(jīng)，中間經(jīng)多路轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換開關(guān)開關(guān)MPX（Multiplex）切換）切換，輪流由公用的輪流由公

30、用的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入給微機(jī)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入給微機(jī)。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和由它控包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和由它控制的各路電子開關(guān)，它們被集成在一個(gè)電路芯制的各路電子開關(guān)，它們被集成在一個(gè)電路芯片中。片中。 AD7506 型型16路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片 圖圖3-8 AD7506型型16路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片的內(nèi)部電路組成框圖路多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片的內(nèi)部電路組成框圖 EN（Enable）端為芯片選擇線，為了便于控制）端為芯片選擇線，為了便于控制2個(gè)或更多個(gè)的個(gè)或更多個(gè)的AD7506型多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片，以擴(kuò)充多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的路數(shù)。型多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯

31、片，以擴(kuò)充多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的路數(shù)。 （四）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（四）模數(shù)轉(zhuǎn)換器1. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一般原理模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一般原理 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器或稱轉(zhuǎn)換器或稱ADC）是實(shí)現(xiàn)）是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的關(guān)鍵技術(shù)，是將模擬量轉(zhuǎn)變成計(jì)計(jì)算機(jī)控制的關(guān)鍵技術(shù)，是將模擬量轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字量的橋梁。由于計(jì)算機(jī)只算機(jī)能夠識別的數(shù)字量的橋梁。由于計(jì)算機(jī)只能對數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算，而電力系統(tǒng)中的電流、能對數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算，而電力系統(tǒng)中的電流、電壓信號均為模擬量，因此必須采用模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓信號均為模擬量，因此必須采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字量。器將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字量。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以認(rèn)為是一個(gè)

32、模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以認(rèn)為是一個(gè)編碼電路編碼電路。它。它將輸入的模擬量將輸入的模擬量 相相 對于模擬參考量對于模擬參考量 經(jīng)編經(jīng)編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出。輸出。srURU理想的理想的A/D轉(zhuǎn)換器，其輸出與輸入的關(guān)系式為轉(zhuǎn)換器，其輸出與輸入的關(guān)系式為 （3-3） 對于單極性的模擬量，小數(shù)點(diǎn)在最高位前，即要求輸入對于單極性的模擬量，小數(shù)點(diǎn)在最高位前，即要求輸入 必須小于必須小于 。D可表示為可表示為 （3-4） 最高位，最高位，MSB（Most Significant Bit）；）； 最低位，最低位，LSB（Least Significant Bit）。）。 （3-5） 式（式（3-5

33、）即為）即為A/D轉(zhuǎn)換器中將模擬信號進(jìn)行量化的表達(dá)式轉(zhuǎn)換器中將模擬信號進(jìn)行量化的表達(dá)式 。 srRUDU1212222nnDBBBnB1B)222(2211nnRsrBBBUUsrURU量化誤差量化誤差 由于編碼電路的位數(shù)總是有限的，如式（由于編碼電路的位數(shù)總是有限的，如式（3-5）中有中有n位，而實(shí)際的模擬量公式位，而實(shí)際的模擬量公式 卻可能為任卻可能為任意值，因而對連續(xù)的模擬量用有限長位數(shù)的二進(jìn)制表意值，因而對連續(xù)的模擬量用有限長位數(shù)的二進(jìn)制表示時(shí)，不可避免地要舍去比最低位示時(shí)，不可避免地要舍去比最低位LSB更小的數(shù)，從更小的數(shù)，從而引入一定的誤差。這種量化誤差的絕對值最大不會而引入一定的

34、誤差。這種量化誤差的絕對值最大不會超過和超過和LSB相當(dāng)?shù)闹担蚨喈?dāng)?shù)闹担蚨?shù)轉(zhuǎn)換編碼的位數(shù)越多模數(shù)轉(zhuǎn)換編碼的位數(shù)越多，即數(shù)值分得越細(xì)，所引入的量化誤差就越小或稱，即數(shù)值分得越細(xì)，所引入的量化誤差就越小或稱分分辨率就越高辨率就越高。 RsrUU 量化誤差為：量化誤差為： 模數(shù)轉(zhuǎn)換器有模數(shù)轉(zhuǎn)換器有線性變換、雙積分、逐次逼近線性變換、雙積分、逐次逼近方式方式等多種工作方式。等多種工作方式。RnUq212. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC或或D/A轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器） 圖圖3-9 4位位D/A轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換器原理圖 數(shù)模轉(zhuǎn)換器：數(shù)模轉(zhuǎn)換器：將數(shù)字量將數(shù)字量D經(jīng)解碼電路變成模擬電壓或電流輸出。經(jīng)解

35、碼電路變成模擬電壓或電流輸出。 各電流之間的相對關(guān)系正是二進(jìn)制每一位之間的權(quán)的關(guān)系各電流之間的相對關(guān)系正是二進(jìn)制每一位之間的權(quán)的關(guān)系,因而，圖因而，圖3-9中，總電流中，總電流 必然正比于數(shù)字量必然正比于數(shù)字量D。 輸出電壓為輸出電壓為 （36） 輸出模擬電壓正比于控制輸入的數(shù)字量輸出模擬電壓正比于控制輸入的數(shù)字量D，比例常數(shù)，比例常數(shù) 121 12 23 34 412(222 )nRRnUUIBIBIBIBIBBBDRR IRFscFU RuI RDRRRUFR3. 逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理 圖圖3-10 A/D轉(zhuǎn)換器基本原理框圖轉(zhuǎn)換器基本原理框圖 模數(shù)轉(zhuǎn)

36、換器工作原理：模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理：輸出：輸出：PB15PB0輸入：輸入：PA0 由微型機(jī)通過輸出口往由微型機(jī)通過輸出口往16位位D/A轉(zhuǎn)換器試探轉(zhuǎn)換器試探性的送數(shù)。每送一個(gè)數(shù)，微型機(jī)通過讀取的狀態(tài)性的送數(shù)。每送一個(gè)數(shù)，微型機(jī)通過讀取的狀態(tài)（“1”或或“0”）來觀察試送的）來觀察試送的16位數(shù)對應(yīng)模擬輸位數(shù)對應(yīng)模擬輸入量是偏大還是偏小。入量是偏大還是偏小。 如果偏大，即如果偏大，即D/A轉(zhuǎn)換器的輸出大于待轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的輸出大于待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓，則比較器輸出的模擬輸入電壓，則比較器輸出“0”，否則為，否則為“1”。如此不斷地修正送往。如此不斷地修正送往D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器16位二位二進(jìn)制數(shù)，直到找

37、到最相近的二進(jìn)制數(shù)值，這個(gè)進(jìn)制數(shù)，直到找到最相近的二進(jìn)制數(shù)值，這個(gè)二進(jìn)制數(shù)就是二進(jìn)制數(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果。逼近的步驟通常采用逼近的步驟通常采用二分搜索法二分搜索法。二分搜索法是一種最快的逼近方法，二分搜索法是一種最快的逼近方法，n位轉(zhuǎn)換器只要比較位轉(zhuǎn)換器只要比較n次即可，比次即可，比較次數(shù)與輸入模擬量大小無關(guān)。較次數(shù)與輸入模擬量大小無關(guān)。 圖圖3-11 三位轉(zhuǎn)換器的二分搜索法示意圖三位轉(zhuǎn)換器的二分搜索法示意圖 為了實(shí)現(xiàn)對為了實(shí)現(xiàn)對雙極性雙極性模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要設(shè)置模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要設(shè)置一個(gè)一個(gè)直流偏置量直流偏置量，其值為最大允許輸入量的一半。，其值為最大允許輸

38、入量的一半。將此偏置直流量同交變的輸入量相加，變成單極性將此偏置直流量同交變的輸入量相加，變成單極性模擬量后再接到比較器。雙極性接法時(shí)，允許的最模擬量后再接到比較器。雙極性接法時(shí)，允許的最大輸入電壓幅值將比單極性時(shí)縮小一半。如單極性大輸入電壓幅值將比單極性時(shí)縮小一半。如單極性時(shí)允許電壓的輸入范圍為時(shí)允許電壓的輸入范圍為0+10V，則接成雙極性時(shí)，則接成雙極性時(shí)，偏置電壓應(yīng)當(dāng)取，偏置電壓應(yīng)當(dāng)取+5V，這樣，輸入雙極性電壓的最，這樣，輸入雙極性電壓的最大允許范圍為大允許范圍為5V。 加上偏置電壓后，加上偏置電壓后，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸出實(shí)際反映的是出實(shí)際反映的是 和和 之和。只要

39、減去同之和。只要減去同 所相當(dāng)?shù)臄?shù)字量，就能還原成用補(bǔ)碼形式表示所相當(dāng)?shù)臄?shù)字量，就能還原成用補(bǔ)碼形式表示的與雙極性輸入對應(yīng)的數(shù)字量輸出。以的與雙極性輸入對應(yīng)的數(shù)字量輸出。以16位的位的A/D轉(zhuǎn)換器為例，如果轉(zhuǎn)換器為例，如果10V相當(dāng)于單極性的最相當(dāng)于單極性的最大輸出大輸出FFFFH，則，則+5V的偏置相當(dāng)于的偏置相當(dāng)于8000H。srubUbU圖圖3-12 A/D轉(zhuǎn)換器的雙極性接線圖轉(zhuǎn)換器的雙極性接線圖圖圖3-13 加偏置電壓后輸入雙極性波形圖加偏置電壓后輸入雙極性波形圖4. 模數(shù)轉(zhuǎn)換與微型機(jī)的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換與微型機(jī)的接口 AD7665型器件：一種逐次逼近式型器件：一種逐次逼近式16位快速模數(shù)轉(zhuǎn)

40、換器，轉(zhuǎn)換速率位快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率為為500kSPS或或570kS/s 。 包括：一個(gè)高速的包括：一個(gè)高速的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路； 一個(gè)采樣保持電路；一個(gè)采樣保持電路； 一個(gè)適用于不同輸入范圍的電阻電路；一個(gè)適用于不同輸入范圍的電阻電路； 一個(gè)用于控制轉(zhuǎn)換的內(nèi)部時(shí)鐘；一個(gè)糾錯(cuò)電路。一個(gè)用于控制轉(zhuǎn)換的內(nèi)部時(shí)鐘；一個(gè)糾錯(cuò)電路。 輸入方式：串行輸入方式：串行/并行接口。并行接口。 由于由于AD7665型器件的轉(zhuǎn)換速度和微型機(jī)的指型器件的轉(zhuǎn)換速度和微型機(jī)的指令速度都很快，因此令速度都很快，因此A/D轉(zhuǎn)換與微型機(jī)的接口方式轉(zhuǎn)換與微型機(jī)的接口方式常用常用查詢查詢方式或方式或中斷中斷方式

41、。無論采用何種接口和讀方式。無論采用何種接口和讀取數(shù)據(jù)方式，都取數(shù)據(jù)方式，都要求實(shí)時(shí)讀取要求實(shí)時(shí)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換結(jié)果。 圖圖3-143-14中，管腳的中，管腳的“0”0”或或“1”1”設(shè)置，主設(shè)置，主要是將要是將AD7665AD7665型器件設(shè)置為并行工作，且輸出型器件設(shè)置為并行工作，且輸出為為2 2的補(bǔ)碼方式。為了實(shí)現(xiàn)圖的補(bǔ)碼方式。為了實(shí)現(xiàn)圖3-143-14的電路功能，的電路功能，微型機(jī)還應(yīng)在初始化程序中，將微型機(jī)還應(yīng)在初始化程序中，將PAPA口（口（PA0 PA0 PA15PA15）和）和PB7PB7設(shè)置為輸入方式，將（設(shè)置為輸入方式，將（PB0 PB5PB0 PB5）設(shè)置為輸出方式

42、，設(shè)計(jì)定時(shí)器采樣間隔設(shè)置為輸出方式，設(shè)計(jì)定時(shí)器采樣間隔 和采和采樣脈沖信號，同時(shí)將存數(shù)指針（樣脈沖信號，同時(shí)將存數(shù)指針（POINTPOINT）設(shè)置為）設(shè)置為等于采樣值存儲區(qū)的首地址。等于采樣值存儲區(qū)的首地址。ST圖圖3-14 AD7665型器件的并行接口示意圖型器件的并行接口示意圖微機(jī)保護(hù)的采樣脈沖是由定時(shí)器產(chǎn)生。為微機(jī)保護(hù)的采樣脈沖是由定時(shí)器產(chǎn)生。為了實(shí)時(shí)、快速地進(jìn)行了實(shí)時(shí)、快速地進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換，將采樣信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，將采樣信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在微機(jī)保護(hù)中可以采用脈沖的下?lián)Q成數(shù)字量，在微機(jī)保護(hù)中可以采用脈沖的下降沿作為微型機(jī)的中斷信號，從而觸發(fā)微型機(jī)降沿作為微型機(jī)的中斷信號，從而觸發(fā)微型機(jī)響

43、應(yīng)中斷，保證中斷服務(wù)程序能夠快速地與采響應(yīng)中斷，保證中斷服務(wù)程序能夠快速地與采樣脈沖實(shí)現(xiàn)同步。樣脈沖實(shí)現(xiàn)同步。 在微型機(jī)的多個(gè)中斷源中，一般將完成數(shù)據(jù)采在微型機(jī)的多個(gè)中斷源中，一般將完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的中斷設(shè)置為優(yōu)先級最高。集系統(tǒng)功能的中斷設(shè)置為優(yōu)先級最高。這樣，就這樣，就可以需要實(shí)時(shí)、快速、與采樣脈沖同步的功能程可以需要實(shí)時(shí)、快速、與采樣脈沖同步的功能程序放在優(yōu)先級最高的中斷服務(wù)程序中予以執(zhí)行。序放在優(yōu)先級最高的中斷服務(wù)程序中予以執(zhí)行。微機(jī)保護(hù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制和微機(jī)保護(hù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制和A/DA/D數(shù)據(jù)存儲，就數(shù)據(jù)存儲，就是屬于需要實(shí)時(shí)、快速、與采樣脈沖同步的功能是屬于需要實(shí)時(shí)、快速、

44、與采樣脈沖同步的功能之一。之一。 采樣信號采樣信號 到來到來:由采樣脈沖控制采樣保持器，由采樣脈沖控制采樣保持器，對所有模擬量進(jìn)行同時(shí)采樣，保證同時(shí)性；對所有模擬量進(jìn)行同時(shí)采樣，保證同時(shí)性； 采樣信號采樣信號 結(jié)束結(jié)束:采樣脈沖的下降沿觸發(fā)微型機(jī)采樣脈沖的下降沿觸發(fā)微型機(jī)產(chǎn)生一次中斷，從而讓微型機(jī)執(zhí)行一次中斷，在產(chǎn)生一次中斷，從而讓微型機(jī)執(zhí)行一次中斷，在中斷服務(wù)程序中完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)中斷服務(wù)程序中完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的存儲。的存儲。CTCT圖圖3-15 3-15 采集系統(tǒng)與采樣脈沖之間的時(shí)序關(guān)系示意圖采集系統(tǒng)與采樣脈沖之間的時(shí)序關(guān)系示意圖圖圖3-16 3-16 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

45、的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件控制流程示意圖軟件控制流程示意圖圖圖3-17 3-17 數(shù)據(jù)存儲格式數(shù)據(jù)存儲格式 控制控制PB0PB3=0PB0PB3=0，從而控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的，從而控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的A0A3A0A3，先將，先將0 0通道的模擬量連接到通道的模擬量連接到A/DA/D的輸入的輸入端端 。 控制控制PB4=0PB4=0，使，使 ，觸發(fā)，觸發(fā)AD7665AD7665開開始轉(zhuǎn)換。始轉(zhuǎn)換。 判斷這一次的判斷這一次的A/DA/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。按照轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。按照AD7665AD7665的轉(zhuǎn)換速率，這個(gè)時(shí)間約為的轉(zhuǎn)換速率，這個(gè)時(shí)間約為 。正。正是由于采用了查詢是由于采用了查詢BUSYBUSY狀態(tài)的方

46、法，因此將狀態(tài)的方法，因此將這種方法叫做查詢方式。這種方法叫做查詢方式。sru0CNVST s2 當(dāng)當(dāng)A/DA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后轉(zhuǎn)換結(jié)束后, ,控制控制PB4 PB4 和和PB5(PB5( , ,讀讀)=0)=0，讓，讓AD7665AD7665器件將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到并行輸出端器件將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到并行輸出端DATA15DATA0DATA15DATA0。 微型機(jī)讀取微型機(jī)讀取A/DA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換結(jié)果, ,并按照一定的格式存入循并按照一定的格式存入循環(huán)寄存器中環(huán)寄存器中, ,以便微型機(jī)對新的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、以便微型機(jī)對新的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和判斷。圖計(jì)算和判斷。圖3-173-17中，中，“第第1 1

47、個(gè)時(shí)刻的采樣值存放個(gè)時(shí)刻的采樣值存放區(qū)區(qū)”將被將被“第第(NM+1)(NM+1)個(gè)時(shí)刻的采樣值存放區(qū)個(gè)時(shí)刻的采樣值存放區(qū)”替代。替代。這里，這里，N N表示一個(gè)工頻周期的采樣點(diǎn)數(shù)，表示一個(gè)工頻周期的采樣點(diǎn)數(shù)，M M表示采樣值表示采樣值記憶的周期數(shù)（記憶的周期數(shù)（M M可以為非整數(shù)）。可以為非整數(shù)）。 ()1CNVST RD 修改存數(shù)指針（修改存數(shù)指針（POINTPOINT）為下一個(gè)存數(shù)單元，同時(shí)）為下一個(gè)存數(shù)單元，同時(shí)控制控制 為為1 1電平，收回讀電平，收回讀A/DA/D數(shù)據(jù)的命令，準(zhǔn)備下數(shù)據(jù)的命令，準(zhǔn)備下一次一次A/DA/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 判斷本次采樣時(shí)刻的所有模擬量是否都已經(jīng)轉(zhuǎn)換判斷本次采

48、樣時(shí)刻的所有模擬量是否都已經(jīng)轉(zhuǎn)換完畢。如果還有模擬量沒有轉(zhuǎn)換，則控制完畢。如果還有模擬量沒有轉(zhuǎn)換，則控制PB0PB3,PB0PB3,使通道號加使通道號加1 1，控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到下一個(gè)模擬，控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到下一個(gè)模擬量。量。RD(8) (8) 當(dāng)本次采樣時(shí)刻所有模擬量都已轉(zhuǎn)換結(jié)束，則當(dāng)本次采樣時(shí)刻所有模擬量都已轉(zhuǎn)換結(jié)束，則判斷存數(shù)指針判斷存數(shù)指針POINTPOINT是否超出了循環(huán)寄存器的末地是否超出了循環(huán)寄存器的末地址。如果存數(shù)指針址。如果存數(shù)指針POINTPOINT大于循環(huán)寄存器的末地址大于循環(huán)寄存器的末地址時(shí)，則應(yīng)將存數(shù)指針時(shí)，則應(yīng)將存數(shù)指針POINTPOINT重新置為首地址，以

49、便重新置為首地址，以便保證采樣值都能夠存放在正確的位置，不致紊亂。保證采樣值都能夠存放在正確的位置，不致紊亂。這樣相當(dāng)于把首地址接在末地址后面，從而成為這樣相當(dāng)于把首地址接在末地址后面，從而成為循循環(huán)寄存器環(huán)寄存器。最新采樣值的地址單元最新采樣值的地址單元應(yīng)當(dāng)是應(yīng)當(dāng)是(POINT-1)(POINT-N).(POINT-1)(POINT-N). 隨后，可以執(zhí)行中斷服務(wù)流程中的其他程序。隨后，可以執(zhí)行中斷服務(wù)流程中的其他程序。 對于對于n n個(gè)模擬量，如果工頻信號每周期采樣個(gè)模擬量，如果工頻信號每周期采樣點(diǎn)，且希望存放周的數(shù)據(jù)，那么在存儲器為點(diǎn)，且希望存放周的數(shù)據(jù)，那么在存儲器為1616位時(shí)，存放

50、采樣值的寄存器的位時(shí)，存放采樣值的寄存器的總?cè)萘繛榭側(cè)萘繛?nNMnNM。5. A/D5. A/D轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo) (1) (1) 分辨率分辨率。 分辨率是指分辨率是指A/DA/D轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量，通常用數(shù)字輸出最低位輸入信號的最小變化量，通常用數(shù)字輸出最低位(LSB)(LSB)所對應(yīng)的模擬輸入的電平值表示所對應(yīng)的模擬輸入的電平值表示“1”1”所代所代表的模擬量的大小。設(shè)表的模擬量的大小。設(shè)A/DA/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n,n,滿滿量程電壓為量程電壓為FSR,FSR,則則A/DA/D轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為轉(zhuǎn)換器的分辨率定義

51、為 分辨率分辨率= = nFSR2 例如，一個(gè)滿量程電壓為例如，一個(gè)滿量程電壓為10V10V的的1212位位A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器，能夠分辨模擬輸入電壓變化的最小值為器，能夠分辨模擬輸入電壓變化的最小值為2.44mV2.44mV。A/DA/D轉(zhuǎn)換器分辨率的高低取決于位數(shù)的多少，轉(zhuǎn)換器分辨率的高低取決于位數(shù)的多少，因此，目前一般都簡單地用因此，目前一般都簡單地用A/DA/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n n來來間接代表分辨率。間接代表分辨率。(2)(2) 量程量程。 量程是指量程是指A/DA/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號的電壓范圍，如的電壓范圍，如0 05V,-55V,-5+5V,

52、0+5V,010V,-1010V,-10+10V+10V等。等。 (3) 精度。精度。 A/D轉(zhuǎn)換器的精度分為絕對精度和相對精度兩種。轉(zhuǎn)換器的精度分為絕對精度和相對精度兩種。 絕對精度絕對精度:對應(yīng)于輸入數(shù)碼的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電對應(yīng)于輸入數(shù)碼的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。壓之差。 相對精度相對精度:為絕對精度與滿量程電壓值之比的百分?jǐn)?shù)。即為絕對精度與滿量程電壓值之比的百分?jǐn)?shù)。即 相對精度相對精度= Note：精度精度和和分辨率分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得的結(jié)果相對于實(shí)際值的準(zhǔn)確度；分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的模的結(jié)果相對

53、于實(shí)際值的準(zhǔn)確度；分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬信號的最小變化值。擬信號的最小變化值。*100%FSR絕對精度 (4) (4) 轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間: :指按照規(guī)定的精度將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字指按照規(guī)定的精度將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出所需要的時(shí)間，一般用信號并輸出所需要的時(shí)間，一般用usus或或msms來表示。來表示。 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率: :指能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度指能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度, ,即每秒即每秒鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)。鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)。6. 微機(jī)保護(hù)對微機(jī)保護(hù)對A/D轉(zhuǎn)換器的主要要求轉(zhuǎn)換器的主要要求（1）轉(zhuǎn)換時(shí)間影響著）轉(zhuǎn)換時(shí)間影響著A/D的最高采樣頻

54、率。以圖的最高采樣頻率。以圖31為例，由于各為例，由于各模擬量通道公用一個(gè)模擬量通道公用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，所以至少要求采樣間隔時(shí)間轉(zhuǎn)換器，所以至少要求采樣間隔時(shí)間 為為 (3-7) 采樣間隔；采樣間隔； 模擬量的路數(shù)；模擬量的路數(shù)； A/D轉(zhuǎn)換一路的時(shí)間；轉(zhuǎn)換一路的時(shí)間； 讀取一次讀取一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)間；轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)間； 時(shí)間裕度。時(shí)間裕度。 實(shí)際上，采樣間隔時(shí)間實(shí)際上，采樣間隔時(shí)間 還應(yīng)考慮中斷程序的執(zhí)行時(shí)間。還應(yīng)考慮中斷程序的執(zhí)行時(shí)間。STYRADStttnT)(STnADtRtYtST A/DA/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了量化誤差的大小，反轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了量化誤差的大小，反映了轉(zhuǎn)換的精

55、度和分辨率，這一點(diǎn)對繼電保護(hù)十分映了轉(zhuǎn)換的精度和分辨率，這一點(diǎn)對繼電保護(hù)十分重要。因?yàn)楸Ｗo(hù)在工作時(shí)，輸入電壓和電流的動態(tài)重要。因?yàn)楸Ｗo(hù)在工作時(shí)，輸入電壓和電流的動態(tài)范圍很大，在輸入值接近范圍很大，在輸入值接近A/DA/D轉(zhuǎn)換器量程的上限附轉(zhuǎn)換器量程的上限附近時(shí)，近時(shí)，1 1個(gè)個(gè)LSBLSB的最大量化誤差是可以忽略的；但當(dāng)?shù)淖畲罅炕`差是可以忽略的；但當(dāng)輸入電壓、電流很小時(shí)，輸入電壓、電流很小時(shí)，1 1個(gè)個(gè)LSBLSB的量化誤差所引入的量化誤差所引入的相對誤差就不能忽略了。的相對誤差就不能忽略了。 例如，輸電線的微機(jī)距離保護(hù)例如，輸電線的微機(jī)距離保護(hù), ,要求有接近要求有接近200200倍的精確

56、工作范圍。采用倍的精確工作范圍。采用8 8位的位的A/DA/D轉(zhuǎn)換器顯然是不轉(zhuǎn)換器顯然是不能滿足要求的。因?yàn)閷τ陔p極性模擬量的能滿足要求的。因?yàn)閷τ陔p極性模擬量的8 8位位A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器換器, ,其二進(jìn)制數(shù)字輸出的有效位才有其二進(jìn)制數(shù)字輸出的有效位才有7 7位，因此最位，因此最大值與大值與LSBLSB之比之比 。 12827實(shí)際上，對于交變的模擬量輸入不論有效值實(shí)際上，對于交變的模擬量輸入不論有效值多大，則在過零附近的采樣值總是很小，因而經(jīng)多大，則在過零附近的采樣值總是很小，因而經(jīng)A/DA/D轉(zhuǎn)換后的相對量化誤差可能相當(dāng)大，這樣將轉(zhuǎn)換后的相對量化誤差可能相當(dāng)大，這樣將產(chǎn)生波形失真，但只要

57、峰值附近的相對量化誤差產(chǎn)生波形失真，但只要峰值附近的相對量化誤差可以忽略，這種波形失真將帶來的諧波分量可由可以忽略，這種波形失真將帶來的諧波分量可由數(shù)字濾波器來抑制。數(shù)字濾波器來抑制。分析和實(shí)踐指出，采用分析和實(shí)踐指出，采用1212位的位的A/DA/D轉(zhuǎn)換器配合轉(zhuǎn)換器配合數(shù)字濾波，可以做到約數(shù)字濾波，可以做到約200200倍的精確工作范圍。當(dāng)倍的精確工作范圍。當(dāng)采用采用1616位的位的A/DA/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，動態(tài)范圍更容易滿足轉(zhuǎn)換器時(shí)，動態(tài)范圍更容易滿足微微機(jī)保護(hù)的測量要求。機(jī)保護(hù)的測量要求。 由于由于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，價(jià)格越高，加轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，價(jià)格越高，加之微機(jī)保護(hù)通常計(jì)算的是工頻信

58、號或二次、三次之微機(jī)保護(hù)通常計(jì)算的是工頻信號或二次、三次諧波分量，對采樣頻率的要求不是很高，所以，諧波分量，對采樣頻率的要求不是很高，所以，微機(jī)保護(hù)較多采用將所有模擬量通道公用一片或微機(jī)保護(hù)較多采用將所有模擬量通道公用一片或幾片幾片A/D轉(zhuǎn)換器的方案。轉(zhuǎn)換器的方案。（五）（五）VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 電壓頻率轉(zhuǎn)換器電壓頻率轉(zhuǎn)換器(Voltage Frequency Converter,VFC)是是另一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件。圖另一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件。圖3-18中，電壓、電流信中，電壓、電流信號經(jīng)電壓形成回路后，均變換成與輸入信號成比例的電壓量號經(jīng)電壓形成回路后，均變換成與輸

59、入信號成比例的電壓量，經(jīng)過經(jīng)過VFC將模擬電壓量變換為脈沖信號，該脈沖信號的頻將模擬電壓量變換為脈沖信號，該脈沖信號的頻率與輸入電壓成正比，經(jīng)快速光電耦合器隔離后，由計(jì)數(shù)器率與輸入電壓成正比，經(jīng)快速光電耦合器隔離后，由計(jì)數(shù)器對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，隨后微型機(jī)在采樣間隔對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，隨后微型機(jī)在采樣間隔 內(nèi)讀取的計(jì)數(shù)值內(nèi)讀取的計(jì)數(shù)值就與輸入模擬量在就與輸入模擬量在 內(nèi)的積分成正比內(nèi)的積分成正比，達(dá)到了將模擬量轉(zhuǎn)換，達(dá)到了將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的目的，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。為數(shù)字量的目的，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。 STST圖圖3-18 VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖VFCVFC器件對

60、電路設(shè)計(jì)的要求：器件對電路設(shè)計(jì)的要求：Rs r.m a xRREI IRsrsr.maxRRRUER直流輸入的工作原理直流輸入的工作原理（1）當(dāng)輸入電壓）當(dāng)輸入電壓 為為0V時(shí)，電容器時(shí)，電容器C（電容量（電容量為為C）的電壓）的電壓 等于等于0V，單穩(wěn)觸發(fā)器無任何，單穩(wěn)觸發(fā)器無任何輸出，電子開關(guān)輸出，電子開關(guān)SA接到參考地的端子側(cè)。接到參考地的端子側(cè)。 srUcU（2 2） 當(dāng)輸入端當(dāng)輸入端 剛施加了正的直流信號時(shí)，由于剛施加了正的直流信號時(shí)，由于電子開關(guān)電子開關(guān)SASA已處于連接到參考地的端子側(cè)，所以已處于連接到參考地的端子側(cè)，所以 , ,有有 于是造成于是造成積分器的輸出積分器的輸出電壓