（测试计量技术及仪器专业论文）输变电线路上高速干扰信号的采集.pdf

输变电线路上高速干扰信号的采集 学科 测试计量技术及仪器 研究生签字 淳岛五 指导教师签字 首钉乃乃 l u 摘要 雷击放电通常会对用电设备和供电系统造成巨大的破坏 给人们的生产生活带来很大 的影响 研究雷击信号的特点 寻找更多更有效的防雷方法 是世界各国工程技术人员研 究的热点 由于雷击的能量是巨大的 通常采取分级泄放的办法 逐步降低雷击能量 雷击产生 的高速脉冲信号一般经过三级防护降压处理后 可被普通电路所采集 作者的目标是设计 高速电路 采集并存储在雷击环境下经过降压处理后输变电线路上的高速脉冲信号 首先分析了有关高速数据采集的基础理论和雷击信号的特点 根据分析的结果和数据 采集要求 提出了采集电路的总体设计方案 根据设计方案 确定了电路的几个主要构成 部分 其中包括放大和转换电路 信号采集电路 数据存储 系统总体控制和数据的输出 接口 所设计的高速数据存储和发送电路的核心部分使用c p l d 器件和5 1 单片机完成 由于c p l d 器件具有高速性能 5 1 单片机具有价格优势 因而使系统具有较高的性价比 电路中预留了串行接口 选用合适的发送和接受模块 可实现远距离的数据传输 在电路 设计中 充分利用了c p l d 器件的i s p i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e 在系统可编程 技术 使用硬件描述语言v e r i l o gh d l 对c p l d 进行设计 使得电路能够方便的移植到其它同 类型的器件上 采集到的数据可作为研究人员研究雷击信号特点 设计防雷产品的参考 论文最后 总结了高速p c b 板设计和抗干扰措施 关键词 高速数据采集 c p l d 单片机 硬件描述语言 h i g h s p e e dd a t ac o l l e c t i o nf o re l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nl i n e d i s c i p l i n e m e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n o l o g i e sa n d i n s t r u m e n t s s t u d e n ts i g n a t u r e s u p e r v i s o rs i g n a t u r e z k 门 岣 小1 p 7 函 a b s t r a c t t h u n d e ru s u a l l yc r e a t e ss e r i o u s l yd e s t r o y st oc u r r e n tc o l l e c t o ra n dp o w e rs u p p l ys y s t e m i t a l s ob r i n g st r e m e n d o u si n f l u e n c eo np r o d u c t i o na n dp e o p l el i v e s 1 f l l e r e f o r e s t u d y i n gt h u n d e r s i g n a lc h a r a c t e r i s t i ca n ds e e k i n gm o r ee f f e c t i v em e t h o d st op r e v e n th i t t i n gb yt h u n d e rb e c o m e h o t s p o t sf o re n g i n e e r sa n dr e s e a r c h e r s f o rt h em a s s i v ee n e r g yt h u n d e rb r i n g s e l e c t r i ci s a d o p t e du s u a l l y t h em e t h o do f p r o g r e s s i v ed i s c h a r g et or e d u c et h ee n e r g y t h eh i g h s p e e ds i g n a lw h i c hp r o d u c e db yt h u n d e r c a nb eg a t h e r e db yo r d i n a r ye l e c t r i cc i r c u i ta f t e rt h r e et i m e so fv o l t a g ed i s c h a r g e t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st od e s i g nh i g h s p e e dc i r c u i t s t og a t h e rt h eh i g h s p e e dp u l s e s i g n a lo nt h ee l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nl i n eo rt h et r a n s f o r m e ri nl i g h t h i n ge n v i r o n m e n t t h e p r i m a r yt h e o r yo fh i g h s p e e dd a t ac o l l e c t i o na n dt h u n d e rs i g n a lc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d f i r s t l y t h eh o l es y s t e md e s i g np l a no ft h ee l e c t r i cc i r c u i ti sp r o p o s e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s o fd a t ac o l l e c t i o no nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s t h e ns e v e r a lm a i nm o d u l e so ft h ee l e c t r i cc i r c u i t i n c l u d i n gm a g n i f y i n ga n ds w i t c h i n gc i r c u i t s i g n a la c q u i s i t i o ne l e c t r i cc i r c u i t d a t as t o r a g e s y s t e mo v e r a l lc o n t r o la n dd a t ao u t p u tc o n n e c t i o na r ed e t e r m i n e d i ne l e c t r i cc i r c u i t c p l d c o m p o n e n ta n ds i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra r et h em o s ti m p o r t a n tp a r t s f o rt h eh i 曲s p e e do f c p l dc o m p o n e n ta n dt h el o wc o s to fs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r t h eh o l es y s t e mh a se x c e l l e n t p e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t t h es y s t e m r e s e r v e st h es e r i a li n t e r f a c e a n dr e a l i z e st h e l o n g d i s t a n c ed a t a t r a n s m i s s i o nw i t ha p p r o p r i a t em o d u l e t h o s ed a t a c a nb eu s e df o r r e s e a r c h i n gt h u n d e rs i g n a lc h a r a c t e r i s t i ca n dd e s i g n i n gc o n c e r n e dp r o d u c ti nt h ed e s i g n t h e i s p i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e o fc p l dc o m p o n e n th a sb e e nf u l l ya p p l i e d b yu s i n gt h e h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o gh d lt h ed e s i g nc a nb ee a s i l yt r a n s p l a n t e dt oo t h e r s i m i l a rc o m p o n e n t s t h ed e s i g no ft h eh i g h s p e e dp c bb o a r da n dt h ep r e v e n t i o no ft h e d i s t u r b a n c es i g n a la r es u m m a r i z e di nt h ee n do ft h ep a p e r k e yw o r d s h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n c p l d s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学 本人保证毕业离校后 使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学 大学有权保留送交的 学位论文的复印件 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签名 指导教师签名 琚岛t 寸刁动 日期 沙q b q l q 5 9 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果 不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了致谢 学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 薅冯t v 指导教师签名 量印予乃 日期 渺g 耳 q t oq 6 1 1 绪论 1 绪论 随着社会的进步和科技的发展 电子仪器和计算机系统在各个领域得到了越来越广泛 的应用 雷击放电通常会对用电设备和供电系统造成巨大的损害 由于雷击的能量是巨大 的 在雷击产生的浪涌过电压 过电流作用下 用电设备和供电系统通常不能正常工作 给人们的生产生活带来很大的影响 研究雷击产生的高速浪涌信号 对电子设备进行防雷 保护 是世界各国的工程技术人员普遍关注的焦点 也是当前电磁兼容研究的重要课题 1 1 课题的背景及意义 雷电是宇宙空间大气层中非常壮观的自然景观 但它又给人们带来灾害 世界各国的 工程技术人员不间断地对雷电灾害的防护加以研究 至今对大气层中雷电尚未完全被认 知 雷电产生的浪涌 瞬变过电压 过电流对电子设备是最大的威胁之一 也是当前电磁 兼容研究的重要课题 自富兰克林发明避雷针 防雷减灾已有近2 0 0 年的历史 至今避雷 针仍在使用 通过观察和实验 避雷针在某种意义上也是引雷针 对建筑物的防护是有效 的 已被广泛接受 我国政府颁发强制执行技术标准g b 5 0 0 5 7 9 4 建筑物防雷设计规范 对建筑物防直击雷统一进行规范 防止直接雷击 减少雷电灾害 随着社会发展和科技进步 大规模集成电路芯片在各种电子设备中得到大量应用 芯 片的工作电压大都在1 8 v 至5 v 之间 耐受过电压 过电流的能力极低 属于敏感的设备 这些设备装在建筑物内 建筑物由避雷针保护 在避雷针保护范围内的设备理应不会遭受 雷击 但电子设备系统 计算机系统在使用中常常受到瞬变过电压 过电流的损害 造成 系统不能正常运行 其原因是电子电路系统尚有两条通路容易被人们忽视 其一是系统使 用的电源线路 即供电线路 其二是系统数据传输线路 即与外界连接的信号线 这两 条雷电过电压侵入通路 主要是受静电感应雷和电磁感应雷的影响 其过电压 过电流的 危害最大 另外电力线路操作过电压 事故过电压 及信号线在外界与其他高压线路之间 的偶合造成的过电压也是电子线路安全的巨大威胁 据i b m 公司的研究 瞬变电压 瞬变 电流要占整个电力干扰的8 8 5 其中由雷电造成的浪涌能量最大 灾害最重 不可忽视 所以 电源线路和信号线路雷电浪涌和瞬变的防护应引起各界的高度重视 一旦给电子设 备 计算机信息系统造成灾害 将给企业带来不应有的经济损失 特别是金融行业的计算 机信息系统 同时还将给社会带来很大负面影响 以超大规模集成电路为物理基础的电子信息系统正日益成为社会的中枢神经和经济 发展新的动力 而以雷电为代表的各种瞬态冲击 电涌 像是一只看不见的手却在时时扰 1 两安t 业人学硕士学位论文 乱和破坏我们重要的系统和网络 由于构成各种电路设备的电子元器件耐冲击能力很低 而现有系统普遍未对电涌加以防护 造成雷电破坏的灾难性事故层出层出不穷 触目惊心 以某市一次雷雨日为例 感应雷通过电话线等线路造成某市公安局l l o 报警中心严重损 坏 直接问接损失巨大 同一天 感应雷通过电源线路击毁某县供电局通信和自动化设备 造成至少1 0 0 万元的直接损失 并造成通信中断 电力调度系统失灵 间接损失巨大 发 生在眼前的一个个重大事故提醒我们 雷电造成的线路浪涌时刻都在威胁着电子信息系统 的安全 我们对其威胁决不能掉以轻心 如果对社会具有特别重要意义的金融系统机房出 现问题 那么后果是难以想象的 做好雷击防护 必须了解雷击信号的特点 因此 采集雷击信号和雷击产生的瞬态 冲击信号 是电力部门迫切需要解决的问题 目前 电力部门通常采取分级泄放的办法 使用放电管等设备 逐步降低雷击信号的巨大能量 一般经过三级泄放后 雷击产生的瞬 态冲击信号在保持信号特点不变的情况下 可被一般电路采集 本文所设计的就是一个用 于采集经泄放后雷击瞬态冲击信号的电路 雷击产生的瞬态冲击信号属于高速干扰信号 从现有的技术和产品来看 低速 低分辨率的数据采集技术己相当成熟 实现起来比较容 易 产品的稳定性和可靠性己无庸置疑 而高速数据采集技术是信息技术的基础和前沿 我国还处于相对落后的状态 目前 国内的数据采集卡市场主要由国外公司主导 在高速数据采集卡方面尤为如此 现在市场上的此类产品多出自n e f f i o t e c h n i h p t e k z o n i c 和v m i c 等知名 外国公司 国内公司由于技术积累 研发投入 微电子技术等方面的落后 使得它们的产 品在稳定性 多样性 通用性等方面较之国外产品有较大的差距 而数据采集卡在目前的 社会生产 科研中的作用正日益显示出其重要性 因此研究和发展该项技术具有重要的价 值和广阔的应用前景 积极研制和开发拥有自主知识产权的数据采集系统对于我国的科 研 生产有着很大的现实意义 本课题在结合数据采集系统发展的趋势 本着实用 可靠 安全及经济等设计原则 设计开发了基于c p l d 和单片机技术的高速数据存储和发送电路 该电路是整个高速采 集系统中的一部分 其特点是 能够采集由前端高压高速采样系统得到的发生在输变电线 路上的高速干扰信号样本 并在单片机的控制下 进行数据的无线传输 使用本系统 能 够实现远程的数据采集 便于在远程监控输变电线路上高速干扰信号的变化 1 2 数据采集系统概述 随着计算机的广泛应用和微电子学的高度发展 数字系统己被广泛地应用于国民经 济 国防建设与科学实验的各个领域 和模拟系统相比 数字系统有精度高 稳定性好等 一系列优点 但数字系统只能处理离散的数字信号 外部世界各种被检测量 如温度 压 力 位移 流量 角度 位置等 通过相应的各种类型的传感器转换成便于进一步处理的 2 西安t 业大学硕士学位论文 物理量 一般为电压 电流 电阻或电脉冲等信号 只有一部分传感器可以将外部世界 的被检测量直接转换为数字信号或开关信号 种只有o 1 两个状态的数字信号 所以 往往需要将这些模拟信号转换为便于处理和存储的数字信号乜1 实际外部世界的数据采 集 主要采集三类信号 如图1 1 所示 传感信号调理a d c 数字信号 外 传感信号调理 数字信号 计 部 算 世开关信号 传感信号调理 机 界 传感信号调理d a c 数罕信号 图1 1 外部世界数据采集 1 2 1 开关信号 开关信号即只有两个状态 0 或1 的数字信号 如开关的合与断 继电器的激励与 释放等等 1 2 2 数字信号 数字信号即指用二进制形式表示的数 如数字电压表 键盘等的输出信息 频率输出 型数据传感器的输出信号也为数字信号 1 2 3 模拟信号 模拟信号是指在规定的连续时间内 输入信号的幅值可以在连续范围内任意取值的信 号 由于对开关信号或数字信号处理器可以直接采集处理 所以数据采集技术主要讨论模 拟信号 特别是模拟电压信号 的采集 将这些由模拟信号转换而来的数字信号与直接来 自传感器的其它数字信号 开关信号等录入计算机 并进一步予以处理 显示 传输与记 录的过程 称为数据采集 d a t a a c q u i s i t i o n 实现数据采集的系统即为数据采集系统 d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m d a s 这通常包括模拟量输入 开关量输入 数字量输入以及模拟 量输出 开关量输出 数字量输出等子系统 在数据采集系统中采集模拟量信号的子系统 占有及其重要的地位 1 3 数据采集系统的分类及发展趋势 数据采集技术是信息科学的一个重要分支 它与传感技术 信号处理技术 计算机技 3 两安 r 业大学硕十学位论文 术一起构成了现代检测技术的基础p 1 迄今为止 工业上使用的数据采集系统大致可分为 四种 1 3 1 基于单片机的数据采集系统 单片机数据采集系统是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统 是近年来微 机技术快速发展的结果 它具有如下特点h 1 1 系统的可靠性好 使用方便 应用程序在r o m 中运行不会因外界的干扰而破坏 而且上电后系统立即进入用户状态 2 系统的软件一般都有应用程序 系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采 集系统功能要求为原则 因此系统的软硬件应用 配置比接近于1 具有最佳的性价比 3 系统不具有自主开发能力 系统的软硬件开发必须借助开发工具 1 3 2 基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统 d s p 数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形式 常用的数字信号处理 芯片有两种类型 一种是专用d s p 芯片 一种是通用d s p 芯片 基于d s p 数字信号微 处理器的数据采集系统的特点如下 精度高 灵活性好 可靠性好 容易集成 分时复用 等 但其价格不菲 1 3 3 基于通用微型计算机的数据采集系统 这种系统主要功能是将采集来的信号通过外部的采样和a d 转换后的数字信号通 过接口电路送入微机内进行处理 然后再显示处理结果或经过d a 转换输出 它主要有 以下几个特点 1 系统具有较强的软 硬件支持 通用微型计算机系统所有的软 硬件资源都可以 用来支持系统进行工作 2 系统具有自开发能力 3 系统的软硬件的配置比较好 系统的成本较高 但二次开发时 软硬件扩展能力 较好 4 在工业环境中运行的可靠性差 对安放的环境要求较高 程序在r a m 中运行 易受外界干扰破坏 1 3 4 混合型计算机采集系统 这是一种近年来随着8 位单片机在计算机应用领域中迅速发展的一种系统结构形式 它是由通用计算机和单片机通过标准总线连接而成 单片机及其外围电路构成的部分是专 为数据采集等功能的要求而配置的 主机则承担数据采集系统的人机对话 大容量的计算 记录 打印 图形显示等任务 混合型计算机数据采集系统有以下特点 1 通常具有自开发能力 2 系统配置灵活 易构成各种大中型测控系统 4 两安 1 业人学硕十学位论文 3 主机可远离现场而构成各种局域网络系统 4 充分利用主机资源 但不会占有主机的全部c p u 时间 数据采集的应用十分广泛 比如水文 址震 火灾等方面的监测 生产的自动控制 雷达 声纳信号处理等 随着数字信号处理技术在生产和生活中的应用不断深入 数据采 集技术的应用越来越广 数据采集技术从原先的低速率 窄带向高速 宽带方向发展 从 而导致高速数据存储 处理 传输及高速p c b 技术的应用和发展 随着微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用 不仅为数据采集系统的应 用丌拓了广阔的前景 也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响 数据采集系统的发展 趋势主要表现在以下几个方面 1 新型快速 高分辨率的数据转换部件不断涌现 大大提高了数据采集系统的性能 2 高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现 进一步推动了数据采集系统 的广泛应用 3 新一代在系统编程技术i s p 的推出 必将对今后数据采集系统的发展产生深远的 影响 4 与微型机配套的数据采集部件的大量问世 大大方便了数据采集系统在各个领域 中的应用 5 分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势 本课题所设计的基于c p l d 的高速数据存储和发送电路具有成本低廉 针对性强的 特点 采用v e r i l o gh d l 语言进行c p l d 的系统设计 不但硬件电路设计简单 而且修改 硬件电路如同修改软件一样方便 同时使系统具有良好的移植性 可方便的把电路设计移 植到其它类似器件上 预留无线发送和接受模块接口 便于对采集的数据进行发送和接受 在远程对数据进行分析 并作出相应的处理 1 4 论文的组织和章节安排 本课题所研制的高速数据存储和发送电路 是一种以单片机和c p l d 为核心部件的 混合型高速数据处理电路 由于e d a 技术的应用 使得本数据电路更加通用 便捷 本 文的主要创新点是 以成本较低的单片机作为整个系统的核心控制部件 使用高速率的 c p l d 及高速率的存储器 进行数据的采集和存储 各部件充分发挥各自的长处 使整个 系统具有较好的性价比 使用v e r i l o n gh d l 语言进行系统设计 能够方便的把系统移植 到同类型的其它器件上 本论文共分六章 具体的章节安排如下 1 简要介绍课题的背景和意义 数据采集系统的分类及发展趋势 2 介绍高速数据采集系统的基本理论 分析高速雷击信号的特点 3 介绍高速数据采集系统的硬件设计 5 两安一r 业大学硕十学位论文 4 介绍高速数据采集系统的软件设计 5 给出电路仿真效果和实测数据 提出电路抗干扰措施并对系统调试中所碰到的进 行问题分析 6 总结电路的特点和存在的问题 分析进一步改进的方法 6 2 高速数据采集理论及雷击信号特点分析 2 高速数据采集理论及雷击信号特点分析 了解雷击信号和雷击产生的浪涌的特点是做好防雷设计的前提 因此采集雷击信号的 样本是电力部门迫切需要解决的问题 本课题所设计的高速采集电路是对前端高压高速采 集系统所采集到的雷击信号样本进行存储和传输 因此了解高速数据采集理论及雷击信号 的特点是设计此高速数据采集电路的基础 2 1 数据采集技术的基本概念 数据采集 是指将各种模拟量进行采集 转换成数字量 再进行存储 处理 显示 或打印的过程 相应的系统称为数据采集系统哺1 随着计算机的广泛应用和电子技术的高速发展 数字系统己经被广泛应用于国民经 济 国防建设与科学实验的各个领域 和模拟系统相比 数字系统有精度高 稳定性好等 优点 但数字系统只能处理离散的数字信号 外部世界各种被检测量 如温度 压力 位 移 角度等都是模拟信号 因此需要将这些模拟信号转换为便于处理和存储的数字信号 实际外部世界中的数据采集技术要处理以下三类信号 1 开关信号 只有两个状态 0 或1 的数字信号 2 数字信号 用二进制形式表示的数据 3 模拟信号 在规定连续时间内 信号的幅值可以在连续范围内任意取值的信号 2 2 数据采集系统的功能模块 由于对开关信号或数字信号计算机可以直接采集处理 所以数据采集技术主要研究模 拟信号的采集 下面主要分析一下模拟信号采集的各功能模块的作用 m 呤1 2 2 1 传感器 传感器把物理信号转换成电信号 例如 热电偶 热敏电阻 集成电路传感器等 都 将温度转变成电压和电阻 又如应变片 流量传感器 压力计等将压力 流速 压力转换 成电信号 对于每种传感器 电信号的大小都与被监测的物理参数成正比 7 两安t 业大学硕十学位论文 2 2 2 信号调理 从传感器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板 信号调理包括衰减 放大 隔离 滤波 传感器激励 线性化等处理 1 放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声 也使调理后信号的最大电压值和 a d c 的最大输入值相等 这样可以提高精度 同时 高分辨率可以降低对高放大倍数要求 井可以提供较宽的动态范围 仪器信号调理的前端系统有几种放大模式 这些放大增益适 合于仪器信号调理机架靠近传感器的微弱信号 最后只把放大信号送给上位机 以使噪声 影响减到最小 2 隔离 隔离也是信号调理中的一种 从安全的角度把传感器信号同上位机隔离开 因为被监 测系统可能产生瞬时高电压 另一个原因是隔离可使从数据采集卡中采集出来的数据不受 地电位和输入模式的影响 当输入d a q 板的信号与得到的信号不共地时 可能产生较大 误差甚至损坏系统 而用隔离办法就能保证信号的准确 3 滤波 滤波可以消除噪声和不必要的干扰 许多仪器信号调理模块都有合适的低通滤波器 交流信号通常需要抗失真的低通滤波器 因为这样的滤波器有一个陡峭的截止频率 因而 几乎能够完全消除高频干扰信号 实际上 某些产品如动态数据采集板有内在的抗失真滤 波器 4 激励 信号调理也能够为某些传感器提供工作电流 r t d s 温度 电阻 需要电流将电阻 变化反映出来 而应变片需要一个完备的桥式电路及电源 很多设备都提供电流源和电压 源以便使用这些传感器 5 线性化 很多传感器对被测量量都有非线性响应 因而需要对输出信号迸行线性化 2 2 3 a d c a d c 模数转换器 是一个数据采集系统的前向通道 模拟至数字转换通道 的核 心 由a d 转换器决定前向通道的主要参数 a d 转换器的位数决定了前向通道的精 度 8 西安下业人学硕士学何论文 2 3 采样定理 数字信号x d 是模拟信号x a 在某一个特定时刻取值的转换结果 使用 x d 描述x a 的 一系列离散采样值 采样定理指出 一个带宽范围在0 n n 的模拟信号x a 唯一地由一 系列时间间隔不大于1 2 f r o 秒的均匀采样值确定 由此可知 要使用数字信号真实的描 述模拟信号 必须在信号最高频率时 每一周期至少提取两个采样值 2 3 1 采样方式 采样方式有两种基本的数字化形式 即实时采样与等效时间采样 1 实时采样 实时采样是指在数字化一开始 信号波形的第一个采样点就被采入并数字化 经过一 个采样间隔时间 再采入第二个样本 这样一直将整个信号波形数字化后存入存储器 实 时采样的主要优点在于信号波形 n 就采入 因此适用于各种形式的信号 并且所有采样 点是以时间为顺序 因而易于实现波形的显示 实时采样的主要缺点是时间分辨率较差 每个采样点的采入 量化 存储 必须在小 于采样间隔的时间内全部完成 2 等效时间采样 等效时间采样技术可以实现很高的数字化转换速率 但这种采样要求信号波形是可以 重复产生的 由于波形可以重复取得 故采样可以用较慢速度进行 采样的样本可以是时 序的 步进 步退 差频 也可以是随机的 这样就可以把许多采集的样本合成一个采 样密度高的波形 一般也常将等效时间采样称为变换采样 2 3 2 采样评价 在实际应用中 人们关心的是如何从采集需求的技术指标出发 设计具有高性能高 价格比的数据采集系统 数据采集系统的主要技术指标有 1 系统通过速率 2 系统精度 3 系统分辨率 4 系统线性误差 5 系统共模抑制比 6 系统通道串扰抑制比 7 系统短期稳定度 此外 数据采集系统还有一些很重要的技术指标 如系统控制方式 系统总数据量 9 西安 f 业大学硕十学位论文 系统功耗要求 系统可靠性 系统自动增益调节方式等等 在这些技术指标中 对于高速 采集技术而言 最为重要的是系统的分辨率 精度与通过速率 特别是系统通过速率 是 区别高速数据采集与一般数据采集最为关键的一项技术指标 2 4 高速数据采集系统的主要技术指标 对于高速数据采集系统 主要使用以下几个指标来描述系统采集特性 2 4 1 系统分辨率 系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量 通常用最低有效位值 l s b 系统满度信号的百分数 f s r 或系统可分辨的实际电压数值等来表示 有 时也使用满度信号可分的级数来表示 2 4 2 系统精度 系统精度是指当系统工作于额定通过速率下 每个离散的采样样本的转换精度 模数 转换器的精度是一个系统精度的极限值 对一个8 b i t 的a d c 数据采集系统中的m u x 以及s h a 的精度均应明显优于选用的a d c 器件 系统精度才能保证 2 4 3 系统通过速率 系统通过速率通常又称为系统速度 传输速率 采样速率以及吞吐率等 系统通过速 率是指系统每个通道 每秒钟可采样 处理的样本数 对于一个包括模拟量输入及模拟量 输出的采集系统 通过速率是指系统每个通道 每秒钟可采集 处理与输出的样本数 时 间域上 与通过速率相对应的技术指标是通过周期 这是通过速率的倒数 通过周期又常 称为系统响应时间 或系统采集周期 这表征了系统从样本输入到输出所需要的时间 即 系统每采集一个有效数据所占用的时间 2 4 4 系统最高通过速率 系统通过速率被一般地定义为 在满足系统精度指标的前提下 系统对输入模拟信 号在单位时间内完成的采集次数 在此采集的意义是指 对被测量进行采样 包括量化 处理及存储的操作 口1 数据采集系统的通过速率受多种因素的影响与制约 通过速率的 倒数 通过周期 主要由以下几部分时间组成 控制器处理 包括存储 时间 a d c 转 1 0 两安 t 业大学硕 学位论文 换时间 l 气建立与稳定时间 s h a 的孔径与捕捉时间 m u x 的通道切换时问 以及系 统各通道配置的预采样滤波器的建立与恢复时间等 系统的精度与通过速率的相关性是必须注意的一个问题 只有在满足系统精度指标的 前提下 讨论系统通过速率才有意义 同样 系统精度也对应于系统工作于额定通过率 对于数据采集系统 可定义三种不同的最高通过速率 1 最高单通道通过速率 系统对某一模拟信号输入通道的输入信号并行重复采样时 的最高采样速率 2 最高单扫描通过速率 系统对多个同类型模拟信号输入通道的输入信号顺序扫描 系统一遍时的最高采样速率 3 最高巡回通过速率 系统对某类全部模拟信号输入通道的输入信号进行等采集周 期巡回采集时的最高采集速率 2 5 雷击信号特点 雷电形成的假说很多 至今没有一种被公认为无懈可击的完整学说 目前得到普遍 认可的是 雷电的出现除与气流 风速密切相关 而且与地球磁场也有一定联系 雷雨云 内部的不停运动和相互摩擦 使雷雨云产生大量的正 负电荷的小微粒 即所谓的摩擦生 电 这样庞大的雷雨云相当于一块带有大量正 负电荷的云块 这些正 负电荷不断地产 生和复合 当这些云块在水平方向向东或向西移动时 最大风速可达4 0 m s 它与地球 磁场磁力线产生切割 就好像导体切割磁力线产生电流一样 云中的正 负电荷将产生定 向移动 其移动的方向按右手定则判断 若云层由西向东移动 因地磁场磁力线是由地球 南极指向北极 所以 大量的正电荷向上移动 负电荷向下移动 当正 负电荷积聚的足 够多时 场强达到 2 5 3 0 k v c m 时 将引起雷云间 雷云中或雷云对地的放电 没有 大气运动就不会有雷电 这就是为什么雷电总是伴随着狂风暴雨出现 大地被雷击时 多数是负电荷从雷云向大地放电 少数是雷云中的正电荷向大地放 电 在一块雷云发生的多次雷击中 最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电 观 测证明 负电荷放电的能量平均为3 0 k a 发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈 一般为1 0 0k h 高的达2 0 0 3 0 0 k a 雷电破坏性很强的原因 a 在短短几十微秒 把雷云蕴藏的巨大能量放出来 b 闪电的平均电流约为3 0 0 0 0 h 目前记录的最大值 3 0 0 0 0 0 h 闪电的强度可 达1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 伏 一个中等强度雷暴的功率有1 0 0 0 0 0 0 0 瓦 相当于一个小型核电站的 输出功率 c 在电源或输电线上的感应电压 低则几力 伏 高的达几十上百万伏 雷击可能以直接雷击和间接雷击两种途径作用在输变电线路上 直接雷击指雷 西安 f 业大学硕十学位论文 电放电直接击中电力系统的部件 注入很大的脉冲电流 发生的概率相对较低 问 接雷击指雷电放电击中用电设备附近 在电力线上感应中等程度的电流和电压 发 生的概率较大 间接雷击是输变电线路上产生浪涌电压的主要原因 用电设备和电子仪器的电源通常 来自供电电网 电网绵延千里 发生雷击浪涌发生的几率很高 当距用电设备几十上百公 里的远方发生了雷击时 雷击浪涌通过供电电网传输 经过变电站等衰减 到用电设备时 可能仍然有几百上千伏 虽然这个高压时间很短 只有几十到几百个微妙 可能不足以烧 毁用电设备或仪器 但是对其内部的半导体元件却有很大的损害 随着这些损害的加深 电子元器件也逐渐变的越来越不稳定 很可能造成重要数据的丢失 根据美国g e 公司测 定 一般家庭 饭店 公寓等低压配电线 美国是1 1 0 v 中国是2 2 0 v 在1 0 0 0 0 d x 时 约 一年零两个月 内在线间发生的各种电压浪涌的次数 超出原工作电压一倍以上的浪涌电 压次数达到8 0 0 余次 其中超过1 0 0 0 v 的就有3 0 0 余次 这样的浪涌电压完全有可能在其中 一次损坏用电设备 通讯线路和电源线路类似 也是从远距离传输过来 遭受雷击或者其 它干扰的可能性也很高 在通讯线路中会有许多高高低低的浪涌电压对设备的影响则更 大 例如电话线本身工作在4 8 v 电压下 加上电话铃的电压最多到1 5 0 v 左右 因此浪涌电 压的电压更低时就可能对通信线路造成影响 最近几十年世界许多国家都对雷电参数进行了观测 著名的有美国纽约帝国大厦楼高 3 8 0 m 的雷电观测 前苏联莫斯电视塔的测雷 日本柏崎刈羽测雷 瑞士圣萨尔瓦托山顶 的测雷等 世界各国测得的自然界的雷击波形基本是一致的 大约有8 0 9 0 的雷电流是 负极性重复脉冲 一次放电过程常常包含多次先导至主放电的过程 初次放电和后续放 电 放电脉冲数目平均为3 4 个 最多的记录到4 2 个 国际大电网会议1 8 j 根据各国学者在世界各地长期实测的雷电参数 在国际大电网会 议出版物 e i e c t r a 中公布的雷击参数 表1 是雷击波前时间 表2 是雷击持续时间 表2 1 雷击波前时间 u s 表2 2雷击持续时间 u s 在b e r g e rk 和a n d e r s o nr b 的论文 雷闪参数 中公布了他们在圣萨尔瓦托山两个 通信塔观测到的雷电波形图 如图2 1 1 9 l 所示 该图几乎可以在各国防雷基础理论书籍 中都可查到 已得到各国的公认 1 2 两安 t 业火学硕士学位论文 i t l 1 一一一 一一 一 一 i 一一一 一 u 一一 e8 0i 鳓 2 4 03 2 0 4 0 0 i s 图2 1 负闪击时雷电平均电压波形 图中实线a 是对9 0 次实测雷电平均值处理后的波形 反映了一次雷击放电的全貌 虚线b 是1 0 次实测值取平均而得波形 图中时间坐标a 在下b 在上 根据在圣萨尔瓦托 测得的9 0 次雷电波形 整理出负雷击波形前沿时间为0 1 u s 4 u s 半峰值时间大部分为 在1 0 u s 一1 0 0 u s 范围内 根据采样定理 雷击信号频率为0 1 0 m h z 为了完整的描述雷 击信号 采样时间词隔必须达到0 0 5 u s 这是电路设计中器件选型的关键参数 1 3 3 系统硬件设计 3 系统硬件设计 本课题的目的是设计高速电路存储并发送产生于输变电线路上的浪涌电压信号 这种 浪涌电压信号属于高速脉冲信号 主要由间接雷击引起 在雷击环境下 由电力部门专用 的高压高速采样系统采集电力线或变压器上的高速脉冲信号 此脉冲信号为模拟信号 经 前端高压高速采样系统放电降压处理后 最高频率为1 0 m h z 电压幅值为 2 vn a v 这种经降压处理后的高速脉冲信号 可使用普通数据采集电路进行采集 3 1 电路总体设计方案 根据电力部门提供的数据 系统设计的要求如下 1 信号的最高频率为1 0 m h z 2 信号的电压幅值为一2 v 到 2 v 3 要求采样精度为8 位 4 要求采样后 能够基本保持被采样信号的波形保持不变 便于发现问接雷击产 生浪涌信号的特点 针对设计要求 比较常用的四种数据采集系统的特点 单纯由单片机构成采集电路 虽然成本低廉 但是采集速度达不到要求 使用d s p 芯片或通用微机作为采集系统可以满 足采集速度的要求而设备的成本过高 一旦受到浪涌过电压冲击 很容易受到损害 在雷 击的高危环境下 很可能需要频繁的被损害采集电路 因此造价过高的设备并没有实用价 值 为了同时满足速度和造价两方面的要求 采用单片机和c p l d 的混合电路构成采集电 路 充分利用单片机成本低廉和c p l d 的速度优势 由c p l d 负责采集数据 并将数据存储 于存储器中 采集结束后 由单片机读出存储器中的数据 并通过串口发送出去 电路主要由五部分构成 第一部分是数模转换电路 使用1 0 字节2 0 m h z 的m a x l 4 2 5 芯片 第二部分是信号存储控制电路 主要由c p l d 器件构成 第三部分是高速存储器 根据采集和存储数据的速度要求 使用3 2 k b 的铁电存储器f m l 8 0 8 第四部分是信号发送 控制电路 使用5 1 单片机 第五部分是数据传输接口 在5 l 单片机的控制下 通过串口 实现无线发送陋妇偿2 删2 4 1 总体系统框图如图3 1 所示 3 2 模数转换电路 模数转换电路的功能是将接收到的模拟脉冲信号进行模数转换 输入信号的电压幅值 为 2 v 到 2 v 频率范围是0 到1 0 m h z 为根据输入信号的特点和采样定律 所采用的 模数转换芯片是m a x l 4 2 5 m a x l 4 2 5 是一个1 0 字节2 0 m h z 的模数转换器 提供 2 v 到 2 v 的输入电压范围 带宽输入能够达到1 5 0 m h z 汹儿划 m a x l 4 2 5 的这三个特点 1 4 西安工业大学硕 学位论文 图3 1 系统总体框图 完全达到本电路对处理速率和输入电压的要求 其管脚如图3 2 1 2 7 1 所示 a g n i u a v 巨 r e f p 匝 r e f i n 巨 r e f n 匡 c m l 匡 w n d 叵 a v o o 匝 i n p 臣 i n n 匝 c m l p 匝 c m l n 匝 c l k 匝 o e t p i 雨 朋j d 朋 m a x l 4 2 5 到d o 习d 1 习d 2 习d 3 刃0 4 习d g n d 冒d v d o 习d g n d 回d v o p 囝d 5 习1 3 6 囝d 7 习d 8 司i 9 图3 2m a x l 4 2 5 管脚图 m a x l 4 2 5 的管脚说明如下 1 a g n d 1 7 脚 接地端 2 a v d d 2 8 脚 提供模拟电压输入 通过并联一个0 1 微法的电容来实现 3 r e f p 3 脚 阳极参考电压输入端 此引脚连接一个o 1 微法的电容接地 如 1 5 西安t 业大学硕十学位论文 果内部参考电压损坏 此端可接受外部电压 4 r e f i n 4 脚 外部参考输入端 此引脚与0 1 微法电容连接后接地 以外部电 压为基础来调整参考量 5 r e f n 5 脚 阴极参考输入端 此引脚与o 1 微法电容连接后接地 当内部 电压不能使用时 此端可以接受外部的电压 6 c m l 6 脚 普通模式输入端 此引脚与0 1 微法电容连接后接地 当内部无 法j 下常使用是 此引脚可接收外部电压 7 i n p 9 脚 阳极模拟信号输入端 8 i n n 1 0 脚 阴极模拟信号输入端 9 c m p l 1 1 脚 普通模式阳极输入端 1 0 c m l n 1 2 脚 普通模式阴极输入端 1 1 c l k 1 3 脚 时钟输入端 时钟频率范围在0 1 m h z 一2 0 m h z 1 2 o e p d 1 4 脚 低电输出和低功率输入端 当此引脚至高电平时 数字输出变成了高阻抗并且 通过低功率模式 1 3 d o d 9 2 8 2 4 1 9 1 5 脚 数字数据输出端 1 4 d v d d 2 0 2 2 脚 数字电压输入端 此端与o 1 微法的电容并联 电压最低 可达 2 7 v 1 5 d g n d 2 1 2 3 脚 数字接地端 a d 转换器m a x l 4 2 5 是整个系统中的模数转换部分 如图3 3 所示 输入的模拟信 号通过i n p 管脚传输给了m a x l 4 2 5 芯片 由m a x l 4 2 5 将模拟信号转换为1 0 位数字信 号 转换后的数字信号通过输出端口d 0 d 9 输出给可编程逻辑器件 可编程器件使用高 8 位信号 d 2 d 9 进行数据存储 m a x l 4 2 5 的时钟信号由可编程器件给