1、電力數(shù)據(jù)采集 AD轉(zhuǎn)換器的選擇方案0引言當(dāng)今社會對電能質(zhì)量的要求越來越高，國家還專門制定了電能質(zhì)量的國 家標(biāo)準(zhǔn)。因此，電能質(zhì)量的測量越來越得到電力用戶的重視。電能測量時，從 電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果對其精度的影響起著致關(guān)重要的作用，而這其中影響最大 的是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，往往 AD 芯片的技術(shù)參 數(shù)和指標(biāo)就決定了整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文就電能測量ADC的選擇作了綜述。 1A D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù) AD轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)反映了其性能0 引言 當(dāng)今社會對電能質(zhì)量的要求越來越高，國家還專門制定了電能質(zhì)量的國家標(biāo) 準(zhǔn)。因此，電能質(zhì)量的測量越來越得到電力用戶的重視。電能測量

2、時，從電網(wǎng) 的數(shù)據(jù)采集結(jié)果對其精度的影響起著致關(guān)重要的作用，而這其中影響最大的是 把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ( ADC) ，往往 AD芯片的技術(shù)參數(shù)和 指標(biāo)就決定了整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文就電能測量 ADC的選擇作了 綜述。1 A D 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)AD轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)反映了其性能特點(diǎn)，其主要的指標(biāo)有以下幾個：(1) 分辨率：分辨率反映 AD 轉(zhuǎn)換器對輸入微小變化響應(yīng)的能力，通常用數(shù)字 輸出最低位 ( LSB)所對應(yīng)的模擬輸入的電平值表示。(2) 精度：精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。絕對誤差：是指對應(yīng)于一 個數(shù)字量的實(shí)際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差的最大值

3、，通常以數(shù) 字量的最小有效位 (LSB) 的分?jǐn)?shù)值來表示。相對誤差：是指整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任 一數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百 分比表示。(3) 轉(zhuǎn)換時間：轉(zhuǎn)換時間是指完成一次 AD 轉(zhuǎn)換所需的時間，即由發(fā)出啟動轉(zhuǎn) 換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號開始有效的時間間隔，其倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。例如 MAX125的轉(zhuǎn)換時間為 3s，其轉(zhuǎn)換速率約為 330多 kHz。(4) 電源 靈敏度：電源靈敏度是指 AD轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化 時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。一般用電源電壓變化 1時相應(yīng)的模擬量變化的百分?jǐn)?shù) 來表示。(5) 量程：量程是指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、

4、雙極性兩種類 型。AD轉(zhuǎn)換器實(shí)際工作時，都會引入一些誤差，主要包括：靜態(tài)誤差、孔徑誤差 和量化誤差。各種誤差都是以最低有效位 (LSB)作為計算單位。 1 LSB定義為 VREF2n，定義中的 VREF是指參考電壓，而 n 則是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨 率。例如， 14位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的 1 LSB是 VREF16384。(1) 靜態(tài)誤差：當(dāng)轉(zhuǎn)換一個直流信號時，靜態(tài)誤差可由失調(diào)誤差、增益誤差、非 線性誤差和微分非線性誤差表示。失調(diào)誤差：失調(diào)誤差就是實(shí)際 ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線間得偏移，即 實(shí)際曲線發(fā)生了平移現(xiàn)象。增益誤差：增益誤差就是滿量程誤差與失調(diào)誤差之差 非線性誤差：非線性誤差就是指

5、轉(zhuǎn)換器的實(shí)際傳輸特性曲線與它的平均傳輸特 性曲線之間的最大偏差。微分非線性誤差；它表示了輸出碼與其相鄰代碼的間隔，是通過測量輸入電壓 的變化，并轉(zhuǎn)換到以 LSB為單位，也就是我們通常所說的的± 1LSB，± 0.5LSB 等指標(biāo)。(2) 孔徑誤差：由于采樣時鐘或輸入信號的噪聲，使得采樣和保持之問延遲引起 的誤差。 (3) 量化誤差： A D變換器的量化誤差決定于 AD變換器的轉(zhuǎn)換特 性，這種誤差是由轉(zhuǎn)換特性造成的，是一種原理性誤差，無法消除。A D變換器選定以后，其量化誤差也隨之確定了。量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，量化誤 差是由于有限數(shù)字對模擬數(shù)字進(jìn)行離散取值 ( 量化)而引

6、起的誤差。因此，量化 誤差理論上為一個單位分辨率，即 1LSB，提高分辨率可減少量化誤差。上述這些誤差構(gòu)成了 AD 變換器的總誤差。在考慮上述各種誤差的綜合影響 時， AD變換器的總誤差應(yīng)該用各種誤差的均方根來表示。2 A D 轉(zhuǎn)換器選擇的理論分析2.1 概 述 采樣處理過程受 ADC轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率的限制。一方面，對于具體的模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，它的數(shù)據(jù)位所能代表的精度是由 ADC的轉(zhuǎn)換位數(shù)來決定的。另一方面， 每一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在被讀取之前都要有轉(zhuǎn)換時間。數(shù)據(jù)位越多，則 轉(zhuǎn)換時間越長，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率也就越慢。這就要求 ADC的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速 率之間做出一個折衷的解決辦法。對轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率要求越高，模數(shù)轉(zhuǎn)換 越困難，根據(jù)現(xiàn)在的市場上可提供的和價格合理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，文獻(xiàn) 3 作了一 個大概的估計。如圖 1 所示，它描述了 ADC的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速率之問的一種 關(guān)系。圖 1 的左邊上方的區(qū)域代表的是容易獲得的，到右邊的