1-2数据采集系统

§1－2微机保护的数据采集系统一、数据采集系统概述数据采集系统：将模拟量变换成数字量的系统。模拟信号——随时间作连续变化的信号。数字信号——如果信号的定义域是一些离散的点，则称这种信号为离散信号。如果函数的值也是一些离散点的集合，则称这种信号为数字信号。对一个时域连续的信号进行采样。可以使其变为离散信号，对各个采样值进行模/数变换，可将其转换为数字信号。数字信号可以存贮在存贮器中，供微机保护用。1、信号的采样采样——在给定的时刻对参数量进行测量记录。(将连续时间信号变为对应离散信号的过程.)采样的过程可以分为等间隔采样与不等间隔采样。微机保护一般采用等间隔采样。图1-8示采样周期Ts——相邻两个采样的矩形脉冲之间的时间间隔。采样频率fs＝即：每秒钟内的采样脉冲数。在微机保护中，通常是对工频信号进行处理，通过对每工频周期采样多少点，可间接求出采样周期和采样频率。如每工频周期采样12点，N=12，Ts＝20ms/12=5/3msfs＝N×50=12×50=600HZTs1tttX（t）S（t）XS(t）等间隔采样过程的示意图被采样的信号采样脉冲采样信号2、采样定理当fs＞2fc时，采样信号完全能代表原始信号；临界条件是fs＝2fc；当fs＜2fc时，频普之间发生交错，称为频普交错现象，这样采样信号xs（t）的频谱函数xs（f）中所含信息将发生畸变。满足临界条件的采样频率fs称为奈奎斯特频率。fs——采样频率。fc——输入信号（原始信号）频谱中所含的最高频率。频谱——相关频率的集合采样定理：采样频率fs必须大于输入信号（原始信号）频谱中所含最高频率fc的2倍，采样后的离散信号才能真实的代表输入的模拟信号。3、数据采集系统的模数变换方式有两种（1）ADC变换方式－－直接将模拟量转换为数字量。（2）VFC变换方式－－将模拟量变换为等幅脉冲。通过脉冲记数变换为数字量。作业：1、什么叫采样？什么是采样周期？什么是采样频率？如何计算采样频率和采样周期？2、什么叫采样定理？3、模数变换有哪两种方式？二、ADC式数据采集系统图1-5P10由电压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）采样保持电路（S/H）、模数变换器及多路开关（MPX）组成。1、电压形成回路（交流变换器）交流变换器的作用：1）变换作用将LH和YH二次电流或电压的幅值进一步降低，使之与模/数变换芯片所允许的信号电平匹配；2)将电流信号转换为电压信号；3）隔离作用使互感器回路与微机保护的模/数变换系统完全隔离，以提高抗干扰能力。2、前置模拟低通滤波器（ALF）（1）为什么要采用模拟低通滤波器？根据采样定理，当fs＞2fc时采样频率才能完全代表原始信号。为了不至于使采样频率fs定得太高，要将原始信号中高于某一频率值的信号滤掉。例如：采样频率为1000HZ，必须将信号中频率大于500HZ的成分滤掉。采样频率不能定得过高的原因：采样及数据处理的任务是必须在一个采样间隔内完成。采样频率越高，采样周期越短，会造成数据积压。（2）作用阻止频率高于某一数值的信号进入模/数变换系统。（或：将模拟信号中大于1/2fs的谐波滤掉，以使采样信号真实的代表原始信号。）（3）组成：由R、C或R、C加运算组成采用A/D芯片构成的数据采集系统的方框图变换器S/HMPXA/DALF-低通滤波器。S/H－采样/保持器。MPX－多路开关A/D－模/数变换器Vi至微机系统ALF3、采样保持器图1-7作用：在一个极短的时间内，测量模拟信号在该时刻的瞬时值，并在模/数转换器转换为数字量的过程中保持不变。图1-7示S采样保持器工作原理图电子开关S开断为采样保持UsrUscC4、多路转换开关图1-11P13是一个多个输入单一输出的逻辑电路芯片。其功能是：从多个输入中确定一个输出。译码/驱动器ENA0A1A2A3+15V-15VAS1AS16输出A1A16编码——用一组编码去表示特定信号的编制过程。译码——编码的逆过程，即：把编码的特定含义翻译出来。图为AD7506多路开关芯片。有16个输入端，一输出端。EN为片选端，EN＝0，未选通，输入、输出端均断开。EN=1，该芯片选通。选通信号CPU送来。由四个地址端的地址码决定输出端与哪一个输入端接通。采用多路开关的原因：A/D芯片的价格较贵，一般是多路模拟信号公用一片A/D芯片的方式。故利用多路开关，使其在任一时刻，只有一路已采样的模拟信号接入A/D芯片的输入端，进行模/数变换。转换结束后，将结果存入指定的存贮区，然后由CPU控制，使下一路信号输入到A/D芯片直至将全部模拟信号转换完成。5、模/数转换电路（1）作用：完成模拟量到数字量的转换。（2）ADC（模/数转换器）的工作原理其基本原理是将输入的模拟量UA与参考量UR进行比较，确定输出的数字量。ADC模/数转换器可以认为是一种编码电路。它将输入的模拟量UA相对于参考量UR经一编码电路转换成数字量D输出。其输入、输出的关系式为：D=[UA/UR]D是小于1的二进制数，对于单极性模拟量，小数点在最高位前面，即：要求UA必须小于UR。D可以表示为：D＝B12－1＋B22－2＋……Bn2－nB1为二进制数最高位，用MSB表示；Bn为最低位，用LSB表示。B1~Bn为二进制码，其值只能取0或1。A/D转换器中模拟信号量化表达式为：UA≈UR（B12－1＋B22－2＋……Bn2－n）(3)逐次逼近式模/数转换器的工作原理转换开始由控制器首先给数码设定器设定一个数码。数码先设定为最大二进制数的一半，假若是四位数/摸转换器。最大数为1111，设定为1000将此二进制数由D/A转换器转换为模拟信号输出，输出的模拟信号与待转换的模拟信号同时加入比较器进行比较，确定该位为0还是为1。然后，比较下一位，如此循环。数码设定器中的数码总值即为转换结果。控制器数码设定器－＋D/A转换输入信号USRU0比较器数字量输出将数字量变为模拟量图1-12逐次逼近式A/D转换原理图转换的过程：1、先将设定器的最高位置1，为100，将其由D/A转换器转换为模拟信号输出U0，为整个量程的一半。2、将U0输入比较器与输入的模拟量USR比较，若USRU0保留该位，若USRU0，该位清03、然后使下一位为1，与上次结果一起送入D/A转换器转换成模拟量U0后再送入比较器与输入的USR比较决定是否保留该位。如此重复，直到最后一位为止。第一次设定数码100110010111001011101111110101100011010001000三位逐次逼近A/D转换过程示意图UsrU0UsrU0(4)数/模转换器DAC的工作原理数/模转换器的作用是将数字量D经过解码电路变换成模拟电压输出。RRR2R2R2R2R2R－URabcI1I2I3I4S1S2S3S4B1B2B3B4I∑－＋RfUsc四位数/模转换器原理图（T形解码网络）四个电子开关S1~S4，分别受输入的四位数字量B1~B4控制。当该位为0时，电子开关与地接通；当该位为1时，对应的电子开关与运算放大器的负端接通。流向运算放大器的总电流反应了四位数字量的大小，它经过带负反馈电阻Rf运算放大器变换成模拟电压Usc输出。运算放大器A的反向输入端的电位与地电位相同，无论开关倒向哪一端，对图中电阻网络电流的分配无影响。电阻网络的特点是：从图中－UR端向右看和从a、b、c点向右看的等值电阻都是R。因此，a点电位为1/2UR，b点电位为1/4UR，c点电位为1/8UR图中各电流为：RUIR211II1221II1341II1481I∑=B1I1+B2I2+B3I3+B4I4=（B12－1＋B22－2＋B32-3+B42-4）=DRURRUR输出电压为：DRRURIURffsc可见输出的模拟电压与输入的数字量成比例，比例常数为RRURf(5)模/数转换器的转换精度及速度转换精度即要求模拟量转换为数字量的误差不超过一定的范围。量化——由模拟量转换为数字量的过程。量化误差——由模拟量转换为数字量的过程中出现的误差。模/数变换器的转换精度决定于A/D芯片的位数，位数越多，越精确。转换精度，即A/D转换的分辨率主要取决于设定数码的最小量化单位，A/D转换输出的数字量位数越多，最小量化单位越小，分辨率越高，转换出的数字量舍入误差越小，转换精度越高。A/D芯片的转换速度：即模数转换器完成一次将模拟量转换为数字量所用的时间要短所有通道的转换工作必须在一个采样间隔中完成，否则，会造成数据积压。完成一路信号的转换所需要的时间应小于TS/n（n为输入量通道数）。A/D574芯片的标准转换时间为25μs。输出的数字量为12位。如果两项指标都较高，芯片较贵。作业：1、简述ADC数据采集系统的构成元件及其作用。2、简述ADC的工作原理。3、什么是量化？什么是量化误差？4、A/D转换器的两个重要指标是什么？其转换精度由什么决定？三、VFC式数据采集系统（一）概述P14~15VFC式数据采集系统的优点：P15(二）VFC数据采集系统的结构及工作原理1、构成计数器变换器浪涌吸收器压频转换器光电隔离器Vi至微机系统电压－频率转换式数据采集系统方框图（1）交流变换器：其作用与A/D式数据采集系统相同。（2）浪涌吸收器：为阻容吸收电路，用以抗干扰。（3）压频变换器：VFC芯片用以将输入的模拟信号转换成重复频率正比于输入电压瞬时值的一串等幅脉冲，由计数器记录在一个采样间隔内的脉冲个数，此脉冲个数对应于TS期间输入信号的面积（积分）。（4）光电隔离器：用以完成电信号的耦合和传递，并达到两侧电信号在电气上的隔离、绝缘目的。（5）计数器（为8253计数器）对脉冲进行计数或82542、VFC转换的基本原理（电荷平衡式V/F转换电路）（1）V/F电路的结构运算放大器A1和R、C组成积分器，A2为零电压比较器，开关S受单稳定时器控制。单稳定时器的输出经三极管T放大后，变为脉冲信号输出。整个电路可视为一个振荡频率受输入电压控制的多谐振荡器。（2）V/F电路的工作原理积分器A1的输入电压为VIN，输出电压为VINT。当VINT下降至零时，零电压比较器A2发生跳变，单稳定时器被触发产生一个宽度为t0的脉冲输出控制开关S接通－VS设计决定IRVINmax/R。在t0期间，电容C反充电，使VINT线性上升到某一电压值，单稳定时器返回，S断开，t0结束。电容C变为由VIN充电，使VINT下降至0时，重复前面的过程。如此反复，输入的模拟电压变换为一串等幅脉冲输出。在其它参数不变的情况下，输入电压VIN越大，电容充电越快，从而使输出脉冲的频率越高。反之VIN越小，输出脉冲的频率越低。输出频率RTtIVRIN0out1f＝改变CT，可改变输出的频率，当CT增大时，t0增加，f0减小。AD654输出的最高频率为500HZ最高输出频率为：CRVfTTINout10图2－14电荷平衡式V/F转换原理图+-A1+A2-VINR积分器SIR-VSVINT电压比较器单稳定时器RTCTV0FOUTVSTVINTV0FOUTt0反充电充电A/D芯片只能转换单极性信号，当待转换信号为双极性时，应在输入信号上迭加一个偏置信号，使双极性信号变换为单极性信号。偏置信号fout输入电压合成电压0－5－10500kHZ250kHZ(中心频率－输入电压为0时的输出频率）（3）采样计数存入循环存贮区的数是每隔Ts读得的当时计数器的值，此值与输入的模拟信号无对应关系。需要进行计算时，取相邻N个采样间隔的计数器的计数值相减，其差值为NTS（N为采样间隔的个数）期间的脉冲数,此脉冲数与NTS期间的模拟信号的积分值有对应关系。1）计算间隔NTS的选择：进行计算时，从计数器中取几个TS期间的脉冲数。N为采样间隔的个数。VFC芯片具有低通滤波器的特征，其截止频率（通过低通滤波器的最高频率）为：根据采样定理，低通滤波器的截止频率应小于或等于采样频率的一半。ffS121NSN应取大于或等于2的值。为了使VFC系统得到的数字信号不失真的代表模拟信号，在用于各种算法时，至少要用2TS期间的脉冲数计算。f11SSNNTffcs2