介紹了電力系統參數交流采樣的設計思想，對頻率跟蹤電路進行了分析，提出了由鎖相環CD4046和AD7865構成的硬件解決方法，并給出了由CD4046構成的頻率跟蹤電路、信號調理電路以及AD7865與TMS320LF2407的接口設計電路，解決了電力系統中多路電壓、多路電流的交流采樣問題，保證電網頻率變化時采樣數據的精度和穩定性。該采樣算法可以應用于多種場合，具有一定的實用和推廣價值。

1 交流采樣的設計思想

若將電壓有效值公式：　



離散化，以一個周期內有限個采樣電壓數字量來代替一個周期內連續變化的電壓函數值，則式(1)變為：　



式中：△Tm為相鄰兩次采樣的時間間隔;um為第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值;N為一個周期內的采樣點數。若相鄰兩次采樣的時間間隔相等，即△Tm為常數△T，考慮到N=T/△T，則有：



這就是根據一個周期內各采樣瞬時值及每周期采樣點數計算電壓信號有效值的公式。同樣，電流有效值計算公式：



計算一相有功功率的公式：　



式中：im和um為同一時刻的電流和電壓采樣值。

功率因數為：



2 工頻信號鎖相倍頻原理及頻率跟蹤電路的實現

交流采樣法包括同步采樣法、準同步采樣法、非整周期采樣法、非同步采樣法等幾種，系統采用同步采樣法。同步采樣法就是整周期等間隔均勻采樣，要求被測信號周期T與采樣時間間隔△t及一周內采樣點數N之間滿足關系式T=N△t，即采樣頻率為被測信號頻率的N倍。根據提供采樣信號方式不同，同步采樣法又分為軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。本系統采用硬件同步采樣。

硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產生同步于被測信號的采樣脈沖。一種利用鎖相環頻率跟蹤原理實現同步等間隔采樣的電路如圖1所示。



在相位比較器PD、低通濾波器LP、壓控振蕩器VCO構成的鎖相環內加入N分頻器，輸入fi為被測信號的頻率，作為鎖相環的基準頻率，輸出fo為采樣頻率。fo經N分頻后與fi相比較，根據鎖相環工作原理，鎖定時fo/N=fi，即fo=Nfi。由于鎖相環的實時跟蹤性，當被測信號頻率fi變化時，電路能自動快速跟蹤并鎖定，始終滿足fo=Nfi的關系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(N)倍。用該輸出去控制采樣/保持器，并啟動A/D轉換，這樣就可以使N個采樣點均勻分布在被測電網信號的一個整周波內，消除了同步誤差，實現了無相位差的同步采樣。鎖相環相位鎖定時，壓控振蕩器VCO能在一定范圍內自動跟蹤輸入信號的頻率變化，在頻率有畸變的情況下也能確保數據的同步采樣，保證測量精度。

系統中的頻率跟蹤電路由專用鎖相芯片CD4046和分頻芯片CD4040組成，以實現工頻信號的鎖相倍頻，分頻比為1/64。在工頻信號恰好為50 Hz的情況下，該電路的鎖相倍頻頻率為50×64=3 200 Hz，相當于一個工頻周期內有64個采樣脈沖，頻率跟蹤鎖相電路接線圖如圖2所示。



由圖2可看出，工頻方波信號由AIN輸入，經過倍頻的方波信號由VCOUT輸出去觸發A/D芯片。

3 電壓電流調理電路設計

根據原理設計的電壓調理電路如圖3所示。

設計中采用2 mA/2 mA電流型互感器TV1013-1，采樣電阻為220 kΩ，最大可測電壓有效值為440 V;調節滑動變阻器大小，通過信號濾波、電壓抬升、功率放大將待測信號轉化為0～5 V的電壓信號Uout，作為A/D芯片的輸入信號;同時采用過零比較法使Uout與抬升零點比較產生工頻方波信號，作為鎖相環電路的輸入信號。

電流采集電路與電壓采集電路相似，只是電流信號衰減部分使用了sensor系列精密電流互感器CHG-200E與TA1905-4組成的兩級電流互感器，轉化比例為20 A/1.25 mA，并且去掉了采樣電阻。具體電路如圖4所示，電壓抬升電路省略;Iout為0～5 V的電壓信號，輸入A/D芯片。


4 TMS320LF2407與雙AD7865的接口設計

4.1 接口電路設計

在交流采樣系統設計中，要求精度為0.2%～0.5%，但TMS320LF2407的10位A/D轉換芯片的采樣精度為1/1 024，近乎0.1%，但考慮到電路中的其他環節的誤差，已很難做到0.2%。為了適應采樣法電力參數測量中同時采樣多路輸入信號及對電壓需較寬的測量范圍的要求，為此，本系統采用外接A/D的方法，通過TMS320LF2407控制外部AD7865轉換器對三相交流電壓、電流等電力參數進行交流采樣。

TMS320LF2407是TI公司推出的一種面向數字控制系統開發的新型可編程DSP控制器。它將一個高性能的16位、定點、低功耗DSP核和許多功能外設集成在單芯片上，提供了較高的集成度和較強的運算能力，采用先進的哈佛結構和多總線形式，外加4級流水線操作，使大多數匯編指令能在一個機器周期內完成。AD7865是美國AD公司推出的14位4通道高速A/D轉換器。其最快采樣速度為每通道2.4 μs;具有4路同步采樣輸入及4個跟隨/保持放大器;可單電源(+5 V)工作;具有寬輸入范圍(最大為±10 V)，低功耗和輸入過壓保護等功能。根據調理電路設計的具體要求，這里選擇AD7865-2型A/D芯片，其輸入的模擬電壓范圍為0～5 V。

對于功率的計算，由式(5)可知，im和um必須為同一時刻的電流、電壓采樣值。為了簡化軟件算法，消除電壓、電流依次采樣的時間差，采用適當的硬件連接，用一條操作指令同時啟動兩片AD7865，同時采樣對應的三相電壓和電流，使得im，um為同一時刻的采樣值。

如圖5所示為TMS320LF2407與雙AD7865的接口電路原理圖，沒有涉及到的管腳未畫出。



兩片AD7865的14位數據總線D0～D13均可直接連接到DSP的數據總線上;由鎖相環電路產生的采樣脈沖連接兩個AD7865的引腳，采樣脈沖的上升沿將啟動A/D轉換;兩片AD7865的寫控制線直接連接到DSP的線上;而DSP的與D15相或連接到AD7865(1)的、與相或連接到AD7865(2)的。為了方便讀出A/D轉換數據，兩片ADC的片選套用常規方法，由連續地址線譯碼所得，若在地址0xA 000H～0xA007H范圍內AD7865(1)有效，而AD7865(2)的片選則在0xA008H～0xA00FH地址范圍內有效。兩片AD7865的BUSY信號相或后連接到DSP的端，XINT1為低電平時，表明兩片AD7865的A/D轉換都已完成，輸出數據已準備好，系統可采用查詢方式依次讀取兩片AD7865中的A/D轉換結果。

4.2 軟件設計

工頻交流電標準頻率為50 Hz，周期為20 ms。根據TMS320LF2407的主頻和AD7865的A/D轉換速度和電力參數實用精度要求，一個工頻周期內采樣64個點，即采樣周期定為312.5μs。

系統上電運行后，由鎖相環電路產生的采樣脈沖同時觸發兩個AD7865運行;每次轉換完成后，DSP按照I/O空間譯碼地址同時讀取兩個AD7865芯片數據，并根據交流采樣的計算公式即可得出電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數。圖6為所設計程序的流程圖。



5 實驗結果

圖7為電壓調理電路輸出的工頻方波信號和鎖相環電路產生的采樣脈沖信號。



圖8為220 V交流信號經過調理電路后的輸出波形，從波形可以看出電壓值均在0～5 V之間，達到了AD7865的采集范圍。



6 結語

基于鎖相環和雙A/D的交流采樣技術解決了直流采樣硬件復雜、實時性差等問題。在電力參數的測量過程中，簡化了外圍電路硬件，電參數精確穩定，進一步提高了系統的可靠性和精度。具有一定的實用和推廣價值。