第二章电力系统测控装置基本原理

1、 第二章第二章 电力系统测控装置的基本原理电力系统测控装置的基本原理交交流流插插件件板板液液晶晶显显示示面面板板出出口口继继电电器器板板CPU板电电源源与与开开入入板板交交流流 电电 压压输输 入入交交流流 电电 流流输输 入入直直流流电电源源输输入入空空接接点点信信号号输输入入控控 制制电电 源源手手 动动操操 作作去去跳跳合合闸闸线线圈圈中中 央央信信 号号通通信信接接口口第一节第一节 概述概述 电力系统是一个动态大系统，系统的负荷随时都在变电力系统是一个动态大系统，系统的负荷随时都在变化，系统的各类故障，无论是自然的还是人为的也随时可能化，系统的各类故障，无论是自然的还是人为的也随时可能

2、发生，系统中的设备和运行状态、参数是大量的、多变的。发生，系统中的设备和运行状态、参数是大量的、多变的。这就要求运行人员时刻掌握系统的运行状态，根据实际情这就要求运行人员时刻掌握系统的运行状态，根据实际情况调整运行方式。因此实时地获取系统运行的各种参数及状况调整运行方式。因此实时地获取系统运行的各种参数及状态，对运行人员及时准确地了解系统的运行状态以及进一步态，对运行人员及时准确地了解系统的运行状态以及进一步的决策是至关重要的。的决策是至关重要的。 运行人员如何实时掌握电力系统的运行状态，运行人员如何实时掌握电力系统的运行状态，并根据实际情况及时调整电力系统的运行？并根据实际情况及时调整电力系

3、统的运行？ 依靠电力系统测控装置及时准确地对各种依靠电力系统测控装置及时准确地对各种数据的采集与处理！数据的采集与处理！ 有了大量来自系统运行的各种参数及状有了大量来自系统运行的各种参数及状态，的信息，才能实现自动监测、控制。态，的信息，才能实现自动监测、控制。 测控装置负责采集各种数据和输出控制的全部过程，测控装置负责采集各种数据和输出控制的全部过程，并将采集的数据上送主机，因此，测控装置是自动化系统的并将采集的数据上送主机，因此，测控装置是自动化系统的基础。基础。 交交流流插插件件板板液液晶晶显显示示面面板板出出口口继继电电器器板板CPU板电电源源与与开开入入板板交交流流 电电 压压输输

4、入入交交流流 电电 流流输输 入入直直流流电电源源输输入入空空接接点点信信号号输输入入控控 制制电电 源源手手 动动操操 作作去去跳跳合合闸闸线线圈圈中中 央央信信 号号通通信信接接口口测控装置被称为测控装置被称为“信息采集和命令执行子系统信息采集和命令执行子系统” （远动终端（远动终端RTURTU）l作用作用 采集各发电厂、变电所中各种表征电力系统运行状态采集各发电厂、变电所中各种表征电力系统运行状态的实时信息，并根据运行需要将有关信息通过信息传输通的实时信息，并根据运行需要将有关信息通过信息传输通道传送到调度中心，同时也接受调度端发来的控制命令，道传送到调度中心，同时也接受调度端发来的控制

5、命令，并执行相应的操作并执行相应的操作。 可以实现可以实现“四遥四遥”功能：功能：遥测遥测(YC)(YC)、遥信、遥信(YX)(YX)、遥控、遥控(YK)(YK)和遥调和遥调(YT).(YT).l遥测遥测: :采集并传送电力系统运行模拟量的实时信息；采集并传送电力系统运行模拟量的实时信息；l遥信遥信: :采集并传送电力系统中开关量的实时信息；采集并传送电力系统中开关量的实时信息；l遥控遥控: :指接收调度中心主站发送的命令信息，执行对断路器指接收调度中心主站发送的命令信息，执行对断路器的分合闸、发电机的开停、并联电容器的投切等操作；的分合闸、发电机的开停、并联电容器的投切等操作；l遥调遥调:

6、:指接收并执行调度中心主站计算机发送的遥调命令，指接收并执行调度中心主站计算机发送的遥调命令，如调整发电机的有功出力或无功出力、发电机组的电压、如调整发电机的有功出力或无功出力、发电机组的电压、变压器的分接头等。变压器的分接头等。一、基本测控单元一、基本测控单元 为了减少系统的负担，目前的测控装置，都做成了智能式为了减少系统的负担，目前的测控装置，都做成了智能式的，测控装置与系统的联系，由数据通信来完成。的，测控装置与系统的联系，由数据通信来完成。 这样，不但减少了系统的负担，而且还大量地减少了现场这样，不但减少了系统的负担，而且还大量地减少了现场至控制室之间的电缆。主机负责系统管理、决策、统

7、计等任至控制室之间的电缆。主机负责系统管理、决策、统计等任务，而测控装置负责测控及将采集的数据上送主机。务，而测控装置负责测控及将采集的数据上送主机。 测控装置虽然要接受主机的控制，但它的测控任务是独立测控装置虽然要接受主机的控制，但它的测控任务是独立完成的。这就是自动化系统的完成的。这就是自动化系统的“分散监控、集中管理分散监控、集中管理”基本模基本模式。式。 测控单元以功能来划分，可分为集中式测控单元、独立综测控单元以功能来划分，可分为集中式测控单元、独立综合式测控单元。合式测控单元。 集中式测控单元可实现数据采集或控制的某一个单一功集中式测控单元可实现数据采集或控制的某一个单一功能，例如

8、遥测单元、遥控单元。能，例如遥测单元、遥控单元。 独立综合式测控单元能实现各类信号的测量、控制功能。独立综合式测控单元能实现各类信号的测量、控制功能。目前构成测控装置的器件很多，下面以单片机、目前构成测控装置的器件很多，下面以单片机、 DSP DSP (Digital Signal Processor)(Digital Signal Processor)器件为例来学习测控单元的基本器件为例来学习测控单元的基本构成。构成。 1.单片机测控单元单片机测控单元l单片机是一种具有单片机是一种具有CPUCPU和各种不同外部电路的微处理器。和各种不同外部电路的微处理器。利用单片机的电路集成特性，把系统体积

9、压缩到最小。利用单片机的电路集成特性，把系统体积压缩到最小。单片机单片机电源电源系统总线系统总线单片机组成的基本测控单元单片机组成的基本测控单元 单片机系统简单、易于开发，对用户有良好的实用性。单片机系统简单、易于开发，对用户有良好的实用性。 2 2、DSPDSP器件测控单元器件测控单元 DSP DSP芯片是一种专门用于数字信号处理的微处理器，它芯片是一种专门用于数字信号处理的微处理器，它是一种特殊的、专用的微处理器，具有可编程性，实时运行是一种特殊的、专用的微处理器，具有可编程性，实时运行速度远远超过通用微处理器。速度远远超过通用微处理器。 其特殊的内部结构，强大的信息处理能力以及较高的运其

10、特殊的内部结构，强大的信息处理能力以及较高的运行速度等特点，在各个领域得到越来越广泛的应用。行速度等特点，在各个领域得到越来越广泛的应用。 串行通讯串行通讯电源电源DSPDSP组成的基本测控单元组成的基本测控单元 3 3、通用、通用DSPDSP与单片机的比较与单片机的比较 单片机只有单总线，且片外地址、数据线复用单片机只有单总线，且片外地址、数据线复用; ; 而而DSPDSP片内有多总线，片外的地址、片内有多总线，片外的地址、 数据总线分开，还有数据总线分开，还有比异步串口比异步串口(DART)(DART)速度高得多的同步串口或通信口，因此，速度高得多的同步串口或通信口，因此，数据数据 输入输

11、入/ /输出能力很强。输出能力很强。 DSPDSP数据位宽，乘加器位宽也比单片机大，进行数字信号数据位宽，乘加器位宽也比单片机大，进行数字信号处理时速度快、精度高。处理时速度快、精度高。 DSPDSP有大容量的片内存储器。有大容量的片内存储器。 但单片机的控制接口种类比但单片机的控制接口种类比DSPDSP多，适用于以控制为主的多，适用于以控制为主的模数混合设计。模数混合设计。 在其他方面，两者是类似的。在其他方面，两者是类似的。 二、需采集的数据信息二、需采集的数据信息 电力系统需要采集的信息量大，且具有不同的特征，可把电力系统需要采集的信息量大，且具有不同的特征，可把它们分成以下类型。它们分

12、成以下类型。 1 1、模拟量、模拟量（是（是指时间和幅值均连续变化的信号，是连续指时间和幅值均连续变化的信号，是连续 时间变量时间变量t t的函数）的函数）电量：交流电压、电量：交流电压、 交流电流、有功功率、交流电流、有功功率、 无功功率、直流电压等无功功率、直流电压等 非电量：温度、气体、压力、水位等、非电量：温度、气体、压力、水位等、3 3、数字量：、数字量： 数字量是指时间和幅值均是离散的信号，包括数字量是指时间和幅值均是离散的信号，包括BCDBCD码仪码仪表及其他数字仪表的测量值，表及其他数字仪表的测量值， 并行和串行输入并行和串行输入/ /输出的数输出的数据等。据等。 2 2、开关

13、量：、开关量： 开关量是指随时间离散变化的信号，主要反映的是设开关量是指随时间离散变化的信号，主要反映的是设备的工作状况，包括断路器、隔备的工作状况，包括断路器、隔 离开关、保护继电器的触离开关、保护继电器的触点及其他开关的状态。点及其他开关的状态。 4.4.脉冲量脉冲量 脉冲量是指随时间推移周期性出现短暂起伏的信号，包脉冲量是指随时间推移周期性出现短暂起伏的信号，包括系统频率转换的脉冲及脉冲电能表发出的脉冲等。括系统频率转换的脉冲及脉冲电能表发出的脉冲等。 掌握电力系统状况，采集的信息主要从两个方面着手，掌握电力系统状况，采集的信息主要从两个方面着手，一个方面是遥测量，另一方面是遥信量。一个

14、方面是遥测量，另一方面是遥信量。遥测量的类型：遥测量的类型：遥测量遥测量模拟量模拟量数字量数字量脉冲量脉冲量 遥测量主要是电网中各元件如线路、母线、变压器遥测量主要是电网中各元件如线路、母线、变压器- -发电发电机等的运行参数，通过收集传送到调度中心去。机等的运行参数，通过收集传送到调度中心去。(1)(1)母线电压母线电压( (尤其电压控制点尤其电压控制点) )。 (2)(2)各条线路的有功、无功功率或电流。各条线路的有功、无功功率或电流。(3)(3)变压器有功、无功功率。变压器有功、无功功率。 (4)(4)发电机发电机/ /电厂所发有功、无功出力。电厂所发有功、无功出力。 (5)(5)电站电

15、站/ /厂、线路有功、无功电能值。厂、线路有功、无功电能值。 (6)(6)系统频率。系统频率。 (7)(7)变压器分接头位置。变压器分接头位置。 (8)(8)水库水位。水库水位。 (9)(9)气象数据等等。气象数据等等。 遥测量主要包括以下各种参数：遥测量主要包括以下各种参数：(1)(1)断路器的合、分状态。断路器的合、分状态。 (2)(2)隔离开关的合、分状态。隔离开关的合、分状态。 (3)(3)各个元件继电保护动作状态。各个元件继电保护动作状态。 (4)(4)自动装置的动作状态。自动装置的动作状态。 (5)(5)发电机出力上、下限状态等。发电机出力上、下限状态等。 遥信量对正确反映电网的安

16、全运行非常重要，任何一条遥信量对正确反映电网的安全运行非常重要，任何一条线路的开关状态发生变化，就改变电网拓扑结构的变化，线路的开关状态发生变化，就改变电网拓扑结构的变化，各种参数就可能发生变化。各种参数就可能发生变化。因此，正确地采集电网的开关量状态信息，是十分重要的。因此，正确地采集电网的开关量状态信息，是十分重要的。 遥信量主要是反应电网开关状态的量和元件保护状态的信息。遥信量主要是反应电网开关状态的量和元件保护状态的信息。它主要包括以下内容它主要包括以下内容: :一、测控装置直流采样与交流采样一、测控装置直流采样与交流采样 有些模拟量是快速变化的交流量，如交流电压、交流电流有些模拟量是

17、快速变化的交流量，如交流电压、交流电流等，有些模拟量是变化缓慢的直流量，如控制母线直流电压和等，有些模拟量是变化缓慢的直流量，如控制母线直流电压和操作母线直流电压，针对不同类型的模拟量可采用不同的采样操作母线直流电压，针对不同类型的模拟量可采用不同的采样方式。方式。 第二节第二节 模拟量信息采集的硬件构成模拟量信息采集的硬件构成(遥测量遥测量)1 1、直流采样、直流采样 直流采样是指将现场不断连续变化的直流采样是指将现场不断连续变化的 模拟量通过变送模拟量通过变送器转换成和被测量成线性器转换成和被测量成线性 关系的直流电压信号，再送至测关系的直流电压信号，再送至测控单元，控单元， 测控单元对此

18、直流量进行采样。测控单元对此直流量进行采样。 直流采样方式原理：直流采样方式原理：电量变送器电量变送器 交流电压变送器和交流电流变送器交流电压变送器和交流电流变送器 有功功率变送器和无功功率变送器有功功率变送器和无功功率变送器 有功电能变送器和无功电能变送器有功电能变送器和无功电能变送器 频率变送器频率变送器 功率因数变送器功率因数变送器 直流电压变送器和直流电流变送器直流电压变送器和直流电流变送器 微机电量变送器微机电量变送器电量信号电量信号非电量信号非电量信号电量变送器电量变送器/非电量变送器非电量变送器A/D转换转换计算机计算机直流电信号直流电信号非电量变送器非电量变送器 温度变送器温度

19、变送器 压力变送器压力变送器 流量变送器流量变送器 水位变送器等水位变送器等 直流电压变送器是一种将电网中的直流电压隔离变送成直流电压变送器是一种将电网中的直流电压隔离变送成线性的直流模拟信号的装置。线性的直流模拟信号的装置。 将被测信号变换成一电压，经将被测信号变换成一电压，经HCNR200/201HCNR200/201线性光耦直接转线性光耦直接转换成一个与被测信号成线性关系并且完全隔离电压、再经过换成一个与被测信号成线性关系并且完全隔离电压、再经过恒压（流）输出。恒压（流）输出。 直流变送器直流变送器电量变送器电量变送器05V的直流输出电压的直流输出电压交流电压变送器交流电压变送器交流电流

20、变送器交流电流变送器直流采样电压形成回路直流采样电压形成回路 直流直流采样采样测控测控单元单元TATA直流采样的特点是直流采样的特点是: : (1)(1)直流采样对直流采样对A/DA/D转换器的转换速率要求不高，软件算法简转换器的转换速率要求不高，软件算法简单。只要将采样结果乘上相应的标度系数便可得到电流、单。只要将采样结果乘上相应的标度系数便可得到电流、电压的有效值，因此采样程序简单，软件的可靠性较好。电压的有效值，因此采样程序简单，软件的可靠性较好。 (2)(2)直流采样因经过整流和滤波环节，转换成直流信号，因直流采样因经过整流和滤波环节，转换成直流信号，因此抗干扰能力较强。此抗干扰能力较

21、强。 (3)(3)直流采样输入回路，往往采用直流采样输入回路，往往采用R-CR-C滤波电路，其时间常数滤波电路，其时间常数较大较大( (一般几十毫秒一般几十毫秒-几百毫秒几百毫秒) ) ，因此采样实时性差，因此采样实时性差，而且无法反映被测模拟量的波形，尤其不适合用于微机保而且无法反映被测模拟量的波形，尤其不适合用于微机保护和故障录波中。护和故障录波中。 直流采样的优点： 软件设计简单，计算简便。 对采样值只须作一次比例交换，即可得到被测量的数据，因而采样周期短。在微机应用的初期，此方法得到了广泛的应用。直流采样的缺点：l采样结果实时性较差； 直流采样输入回路，因要滤去整流后的波纹，往往采用R

22、-C滤波回路，其时间常数较大，无法反映被测模拟量的波形，更不能及时反映被测量的突变。l测量精确度受直流变送器的精确度和稳定性的影响。l设备复杂，增加系统的造价。 是对互感器二次回路中的交流电流信号和交流电压信号是对互感器二次回路中的交流电流信号和交流电压信号直接采样。直接采样。 输入至输入至A/DA/D转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率、大小成比例的交流电压信号。经模同频率、大小成比例的交流电压信号。经模/ /数转换为数字数转换为数字量，再对数字量进行计算，从而获得电压、电流、功率等电量，再对数字量进行计算，从而获得电压、电流、功率等电量值。

23、量值。 交流采样是直接对交流电流和电压的波形进行采样，然交流采样是直接对交流电流和电压的波形进行采样，然后通过一定算法计算出其有效值，并计算出后通过一定算法计算出其有效值，并计算出P P、Q Q值。值。 2.2.交流采样交流采样 交流采样的特点：交流采样的特点：1)1)实时性好；实时性好； 它能避免直流采样中整流、滤波环节的时间常数大它能避免直流采样中整流、滤波环节的时间常数大的影响。的影响。2)2)能反映原来电流、电压的实际波形能反映原来电流、电压的实际波形，便于对所测量便于对所测量的结果进行波形分析；的结果进行波形分析；3)3)设备简单，可以节约投资。设备简单，可以节约投资。 有功功率和无

24、功功率是通过采样得到的有功功率和无功功率是通过采样得到的u u、i i计算出计算出来的，因此可以省去有功功率和无功功率变送器，来的，因此可以省去有功功率和无功功率变送器，可以节约投资并缩小测量设备的体积。可以节约投资并缩小测量设备的体积。4)4)对对A/DA/D转换器的转换速率和采样保持器要求较高。转换器的转换速率和采样保持器要求较高。 为了保证测量的精度，一个周期内，必须保证有足够的采为了保证测量的精度，一个周期内，必须保证有足够的采样点数，因此要求样点数，因此要求A/DA/D转换器要有足够的转换速度。转换器要有足够的转换速度。5) 5) 测量准确度不仅取决于模拟量输入通道的硬件，而且还测量

25、准确度不仅取决于模拟量输入通道的硬件，而且还取决于软件算法，因此采样和计算程序相对复杂。取决于软件算法，因此采样和计算程序相对复杂。 TdttuTU0)(1 根据模根据模/ /数变换原理的不同，交流采样的数变换原理的不同，交流采样的输入电路有两种方式输入电路有两种方式: : 1)1)基于逐次逼近型基于逐次逼近型A/DA/D转换方式转换方式(ADC)(ADC)。 它是直接将模拟量转变为数字量的变换方式。它是直接将模拟量转变为数字量的变换方式。 2)2)利用电压利用电压/ /频率变换频率变换(VFC)(VFC)原理进行模原理进行模/ /数变换方式。数变换方式。 它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量，

26、通过脉冲计数变它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。换为数字量的一种变换方式。 二、基于二、基于A/DA/D变换的模拟量输入电路变换的模拟量输入电路图图2-4 基于基于A/D转换的模拟遥测量采集原理图转换的模拟遥测量采集原理图电流电流01Tt tPu i dtT交流采样电路交流采样电路 交流采样是直接对交流电压和电流的波形进行采样，然后交流采样是直接对交流电压和电流的波形进行采样，然后通过一定算法计算出其有效值，并计算出通过一定算法计算出其有效值，并计算出P P、Q Q等值。等值。交流电压交流电压交流电流交流电流电压传感电压传感（TV）电流传感电流传感（T

27、A）A/D转换转换计算机计算机调整电路调整电路（一）电压（电流）形成电路（一）电压（电流）形成电路互互感感器器电压、电流变换器的作用：电压、电流变换器的作用：1 1、进一步降低电压或电流。、进一步降低电压或电流。2 2、将一次设备的电流互感器、将一次设备的电流互感器TATA、电压互、电压互感器感器TVTV的二次回路与微机的二次回路与微机A/DA/D转换系统完转换系统完全全隔离隔离，提高抗干扰能力。，提高抗干扰能力。（二）（二）滤波及信号处理滤波及信号处理 但在目前电力自动化系统都是要求反映工频分量，或是但在目前电力自动化系统都是要求反映工频分量，或是反映某种高次谐波。反映某种高次谐波。 故可在

28、采样之前限制一定频带，以降低采样频率。故可在采样之前限制一定频带，以降低采样频率。 这样，一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所这样，一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需的最高频率信号的采样不至于失真。需的最高频率信号的采样不至于失真。 电力系统中电压、电流频率成分复杂。电力系统中电压、电流频率成分复杂。 限制输入信号的最高频率，只需在采样前用一个低通滤限制输入信号的最高频率，只需在采样前用一个低通滤波器将波器将fs/2fs/2以上的频率分量滤去即可。以上的频率分量滤去即可。 低通滤波（低通滤波（ALFALF）限制输入信号的最高频率，以降低采样频率。限制输入信号的最高频率，以降低采

29、样频率。CRRLVivI采样保持器（采样保持器（S/HS/H）的基本原理：）的基本原理： 采样保持器是指在逻辑电平的控制下处于采样保持器是指在逻辑电平的控制下处于“采样采样”或或“保持保持”两种工作状态的电路。两种工作状态的电路。三、三、采样保持器（采样保持器（S/HS/H）采样保持器（采样保持器（S/HS/H）的作用：）的作用： A/DA/D转换器完成一次完整的转换需要的一段时间里，模拟量不转换器完成一次完整的转换需要的一段时间里，模拟量不能变化。能变化。S/HS/H可将瞬间采集的模拟量保持一段时间，以保证可将瞬间采集的模拟量保持一段时间，以保证A/DA/D转换的实时性。转换的实时性。三、三

30、、采样保持器（S/H）采样保持器的基本组成原理图采样保持器的基本组成原理图 从图中可以看出，在采样状态下，电路的输出跟踪输入模从图中可以看出，在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号。在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束拟信号。在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。经过对经过对ViVi的采样，的采样，V0V0的小平台电压值保持到下一次的采样开的小平台电压值保持到下一次的采样开始，该稳定的始，该稳定的“小平台小平台”电压供电压供A/DA/D转换器进行转换器进行A/DA/D转换。转

31、换。 A1、A2分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样保持器的输入阻抗，减小输出阻抗。保持器的输入阻抗，减小输出阻抗。 K是模拟开关，由控制信号电压是模拟开关，由控制信号电压UK控制其断开或闭合控制其断开或闭合。CH是保持电容器是保持电容器。 串联型采样保持器的结构串联型采样保持器的结构Ui -+A1KUK -+A2CH模拟地模拟地UOCRRLViVo采样保持器应用采样保持器应用电压形成回路电压形成回路采样保持回路采样保持回路l一个数据采集系统（一个数据采集系统（A/DA/D转换）往往要采集多路模拟信转换）往往要采集多路模拟信号号 l通常只用一片通常只

32、用一片A/DA/D转换芯片，轮流选择输入信号进行采转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制 l许多许多A/DA/D转换芯片内部具备多路转换开关，一片转换芯片内部具备多路转换开关，一片A/DA/D转换转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果A/DA/D转换芯转换芯片不具有多路转换功能，则在片不具有多路转换功能，则在A/DA/D转换之前外加模拟多转换之前外加模拟多路转换开关路转换开关 （四）（四）多路转换开关（多路转换开关（MUXMUX）例：例：40514051八选一八选

33、一模拟多路开关模拟多路开关 当使能端当使能端INHINH为为0 0状态时，状态时，CD4051BCD4051B才能选择导通，由选才能选择导通，由选择输入端择输入端A2A1A0A2A1A0三位二进制编三位二进制编码来控制（码来控制（CH0CH0CH7CH7）八个输）八个输入通道的通断。入通道的通断。 该芯片能实现双向传输，该芯片能实现双向传输，即可以实现多传一或一传多两即可以实现多传一或一传多两个方向的传送。个方向的传送。 CD4051B CD4051B采用了采用了CMOSCMOS工艺，工艺，1616脚脚DIPDIP封装。封装。多路转换开关应用多路转换开关应用CRRLViVo电压形成回路电压形成

34、回路采样保持回路采样保持回路（五）（五）模模/数转换器数转换器(A/D) 实现实现A/DA/D转换的方法很多，有逐次逼近型、双积分型、计数转换的方法很多，有逐次逼近型、双积分型、计数一比较型、并行比较型等。一比较型、并行比较型等。 在选用在选用A/DA/D变换器时，主要应根据使用场合的具体要求，按变换器时，主要应根据使用场合的具体要求，按照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素而决定选照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素而决定选用哪种类型。用哪种类型。 A/DA/D转换器的主要技术性能转换器的主要技术性能 1）分辨率(Resolution) 2)精度(Accuracy) 3 3

35、）电源灵敏度）电源灵敏度4) 转换时间 5)输出逻辑电平 7)量程。 A/DA/D转换器的主要技术性能转换器的主要技术性能 1）分辨率(Resolution) 分辨率反映A/D转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字量输出最低位(LSB)所对应的模拟输入的电平值表示。例如，例如， 8 8位位A/DA/D转换器能对模拟量输入满量程的转换器能对模拟量输入满量程的1/21/28 8 =1/256 =1/256的增量的增量作出反映。作出反映。 n n位位A/D能反映模拟量满量程的能反映模拟量满量程的1/21/2n n 的增量。的增量。 由于分辨率直接与转换器的位数有关，所以一般也简单地由于分辨率直接

36、与转换器的位数有关，所以一般也简单地用数字量的位数来表示分辨率，即用数字量的位数来表示分辨率，即n n位二进制数最低位所具有的位二进制数最低位所具有的权值就是它的分辨率。权值就是它的分辨率。2)精度(Accuracy) 例如，例如， 8 8位位A/DA/D转换器能对模拟量输入满量程的转换器能对模拟量输入满量程的1/21/28 8 =1/256 =1/256的增量的增量作出反映。作出反映。 n n位位A/D能反映模拟量满量程的能反映模拟量满量程的1/21/2n n 的增量。的增量。 由于分辨率直接与转换器的位数有关，所以一般也简单地由于分辨率直接与转换器的位数有关，所以一般也简单地用数字量的位数

37、来表示分辨率，即用数字量的位数来表示分辨率，即n n位二进制数最低位所具有的位二进制数最低位所具有的权值就是它的分辨率。权值就是它的分辨率。(5)(5)输出逻辑电平。输出逻辑电平。 多数多数A/DA/D转换器的输出逻辑电平与转换器的输出逻辑电平与TTLTTL电平兼容。故在电平兼容。故在考虑数字量输出与微处理器的数据总线接口时，应注意是考虑数字量输出与微处理器的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。否要三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。 (3)(3)电源灵敏度。电源灵敏度是指电源灵敏度。电源灵敏度是指AIDAID转换芯片的供电电源的转换芯片的供电电源的电压发生变化

38、时产生的转换误差，一般用与电源变化电压发生变化时产生的转换误差，一般用与电源变化1%1%时时相当的模拟量变化的百分数来表示。相当的模拟量变化的百分数来表示。 (4) (4) 转换时间。转换时间。 转换时间是指完成一次转换时间是指完成一次A/DA/D转换所需的时间，即由发转换所需的时间，即由发出启动转换命令到转换结束，信号开始有效的时间间隔。出启动转换命令到转换结束，信号开始有效的时间间隔。转换时间的倒数称为转换速率。例如，转换时间的倒数称为转换速率。例如， AD574 AD574的转换时间的转换时间为为25s25s，其转换速率为，其转换速率为40kHz40kHz。由于该时间的存在，使系。由于该

39、时间的存在，使系统信息的检测出现时间上的滞后，有时会影响系统的动态统信息的检测出现时间上的滞后，有时会影响系统的动态特性。特性。 (7)(7)量程。量程。 量程是指所能转换的模拟输入电压的范围，分单极性、量程是指所能转换的模拟输入电压的范围，分单极性、双极性两种类型。双极性两种类型。 单极性量程为单极性量程为0+5V0+5V、0+10V0+10V、0+20V;0+20V; 双极性量程为双极性量程为-2.5+2. 5V-2.5+2. 5V、-5 +5V-5 +5V、-10+10V-10+10V。 (6)(6)工作温度范围。工作温度范围。 由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影由于温度会

40、对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。 一般一般A/DA/D转换器的工作温度范围为转换器的工作温度范围为0-700-70C C ， 军用品的工军用品的工作温度范围为作温度范围为-55+ 125-55+ 125C C。 主要指标：主要指标： 分辨率：分辨率：1212位位 非线性误差：小于非线性误差：小于1/2LBS1/2LBS或或1LBS 1LBS 转换速率：转换速率：25us 25us 模拟电压输入范围：单极性模拟电压输入范围：单极性0+10V0+10V和和0+20V0+20V， 双极性双极性005

41、V5V和和0010V10V 电源电压：电源电压：15V15V和和5V 5V 数据输出格式：数据输出格式：1212位位/8/8位位 3.3.常用的常用的A/DA/D转换芯片转换芯片AD574A AD574A CSCS：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。CECE：芯片允许信号，高电平有效。只有：芯片允许信号，高电平有效。只有CSCS和和CECE同时有效，同时有效，AD574AAD574A才能工作。才能工作。R RC C读出或转换控制信号，用于控制读出或转换控制信号，用于控制ADC574AADC574A是转换还是读是转换还是读出。当为低电平时，启动出。当为低电平时，启动A AD D转换；

42、当为高电平时，将转转换；当为高电平时，将转换结果读出。换结果读出。12128 8：数据输出方式控制信号。当为高电平时，输出数：数据输出方式控制信号。当为高电平时，输出数据为据为1212位；当为低电平时，数据是作为两个位；当为低电平时，数据是作为两个8 8位字输出。位字输出。 A0:A0:转换位数控制信号。当为高电平是，进行转换位数控制信号。当为高电平是，进行8 8位转换，为低位转换，为低电平进行电平进行1212位转换。位转换。 单极性输入电路单极性输入电路 当输入电压为当输入电压为VIN=0V+10V时，应从引脚时，应从引脚10VIN输入，输入，当当VIN=0V+20V，应从，应从20VIN引

43、脚输入。输出数字量引脚输入。输出数字量D为无为无符号二进制码，计算公式为：符号二进制码，计算公式为： 式中式中V Vinin为输入模拟量（为输入模拟量（V V），），VFSVFS是满量程，是满量程，如果从如果从10V10VININ引脚输入，引脚输入，VFS =10VVFS =10V，1LSB=10/4096=24(mV)1LSB=10/4096=24(mV) 若从若从20V20VININ引脚输入，引脚输入，VFS =20V 1LSB=20/4096=49VFS =20V 1LSB=20/4096=49（mV)mV) 140964096ininVDVDVFSVFS或双极性输入电路双极性输入电路

44、R1R1用于调整双极性输入电路的用于调整双极性输入电路的零点。零点。如果输入信号如果输入信号VINVIN在在5V5V5V5V之之间，间，应从应从10VI10VI引脚输入；引脚输入；当当VIVI在在10V10V10V10V之间，之间，应从应从20 VI20 VI引脚输入。引脚输入。双极性输入时输出数字量双极性输入时输出数字量D D与与输入模拟电压输入模拟电压VIVI之间的关系：之间的关系： D D20482048（1+2VI1+2VI/ VFS/ VFS）或或:VI:VI(D/2048-1)VFS /2 (D/2048-1)VFS /2 式中式中VFSVFS的定义与单极性输入情况下对的定义与单极

45、性输入情况下对VFSVFS的定义相同。的定义相同。 ADAD转换器应用转换器应用CRRLViVo电压形成回路电压形成回路采样保持回路采样保持回路多路开关回路多路开关回路A/DA/D转换回路转换回路AD574A与单片机的接口与单片机的接口AD574A的转换程序段如下：的转换程序段如下：AD574A：MOV DPTR，#0FFF8H ；送端口地址入；送端口地址入DPTR MOVX DPTR，A ；启动；启动AD574A SETB P1.0 ；置；置P1.0为输入方式为输入方式 LOOP：JB P1.0，LOOP ；检测；检测P1.0口口 INC DPTR ；使；使R/C为为1 MOVX A，DPT

46、R ；读取高；读取高8位数据位数据 MOV 41H，A ；高；高8位内容存入位内容存入41H单元单元 INC DPTR ；使、；使、A0均为均为1 INC DPTR ； MOVX A，DPTR ；读取低；读取低4位位 MOV 40H ，A ；将低；将低4位内容存入位内容存入40H单元单元 . . 上述程序是按查询方式设计，也可按中断方式设计中断服务程序。上述程序是按查询方式设计，也可按中断方式设计中断服务程序。 由逐次逼近式由逐次逼近式A/DA/D的变换原理可知，其变换过程中，的变换原理可知，其变换过程中， CPUCPU要使采样要使采样/ /保持、多路转换开关及保持、多路转换开关及A/DA/D

47、转换器三个芯片之间协转换器三个芯片之间协调好，因此接口电路复杂。而且调好，因此接口电路复杂。而且A/D A/D 芯片结构较复杂、成本芯片结构较复杂、成本高。高。 目前，许多微机应用系统采用电压一频率变换技术进行目前，许多微机应用系统采用电压一频率变换技术进行模拟量变换。模拟量变换。 三、基于三、基于V/FV/F转换的模拟量输入回路转换的模拟量输入回路 原理：原理：将输入的电压模拟量线性地变换为数字脉冲式的频将输入的电压模拟量线性地变换为数字脉冲式的频率，使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后在固率，使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后在固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数，供定的时

48、间内用计数器对脉冲数目进行计数，供CPUCPU读入。读入。电压电压-频率转换模拟量采集原理图频率转换模拟量采集原理图( (一一) VFC) VFC型模拟量变换系统型模拟量变换系统 CPUCPU每隔一个采样间隔时间每隔一个采样间隔时间TsTs，读取计数器的脉冲计数值，读取计数器的脉冲计数值，并根据比例关系算出输入电压并根据比例关系算出输入电压U Uinin对应的数字量，从而完成了模对应的数字量，从而完成了模/ /数转换。数转换。lCPUCPU每隔一个采样间隔时间每隔一个采样间隔时间TsTs，读取计数器的脉冲计数值，读取计数器的脉冲计数值，并根据比例关系算出输入电压并根据比例关系算出输入电压Uin

49、Uin对应的数字量，从而完对应的数字量，从而完成了模成了模/ /数转换。数转换。 80988098HS11HS11VSSVSS+ + +UiUi四、逐次逼近式和电压四、逐次逼近式和电压- -频率转换式频率转换式 两种数据采集方式的特点分析两种数据采集方式的特点分析 逐次渐近型逐次渐近型A/D转器转器数字量由逐次渐近寄存器提供。数字量由逐次渐近寄存器提供。思路：思路：从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（0,1）。）。以输出四位数字量以输出四位数字量a3a2a1a0为例为例:1.输入输入1000到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a3的值

50、；的值；2.输入输入a3100到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a2的值；的值；3.输入输入a3a210到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a1的值；的值；4.输入输入a3a2a11到逐次渐近寄存器，以确定到逐次渐近寄存器，以确定a0的值；的值；可见，主要转换步骤只需可见，主要转换步骤只需4个时钟周期就可完成。（实际转个时钟周期就可完成。（实际转换器还要增加两个时钟周期时间。）换器还要增加两个时钟周期时间。） 在既要求数据在既要求数据长距离传输长距离传输又要求精确度较高的场合，可使又要求精确度较高的场合，可使用用V/FV/F转换器代替转换器代替A/DA/D器件。器件。

51、工作原理：工作原理： 把把V/FV/F转换器输出的频率信号作为计数脉冲，进行定时计数，转换器输出的频率信号作为计数脉冲，进行定时计数，这样计数器的计数值与这样计数器的计数值与V/FV/F转换器输出的脉冲频率信号之间的关转换器输出的脉冲频率信号之间的关系为：系为：f=D/Tf=D/T D D：计数值，计数值，T T：计数时间，就可求出计数时间，就可求出V/FV/F转换器的输出频率，从而知道输转换器的输出频率，从而知道输入电压入电压V V，这就实现了，这就实现了A/DA/D转换。转换。 定时定时/ /计数器可用单片机内部的，也可使用外部扩展的，用计数器可用单片机内部的，也可使用外部扩展的，用单片机

52、把计数值取入内存即可进行数据处理。单片机把计数值取入内存即可进行数据处理。V/FV/F转换器转换器四、逐次逼近式和电压一频率转换式四、逐次逼近式和电压一频率转换式 两种数据采集方式的特点分析两种数据采集方式的特点分析 (1)(1)逐次逼近式数据采集方式的模逐次逼近式数据采集方式的模/ /数转换数字量对应于模拟输数转换数字量对应于模拟输入电压信号的瞬时采样值入电压信号的瞬时采样值, ,可直接将此数字量用于数字算法可直接将此数字量用于数字算法; ; 而电压而电压- -频率变换式数据采集系统在每一个采样时刻读出频率变换式数据采集系统在每一个采样时刻读出的计数器数值不能直接使用，必须采用相隔一定时间间

53、隔的计的计数器数值不能直接使用，必须采用相隔一定时间间隔的计数器读值之后才能用于各种算法，且此计数器读值对应于在一数器读值之后才能用于各种算法，且此计数器读值对应于在一定时间内模拟输入电信号的积分值。定时间内模拟输入电信号的积分值。(2)(2)逐次逼近式数据采集方式，一旦转换芯片选定后，其输出逐次逼近式数据采集方式，一旦转换芯片选定后，其输出 数字量的位数不可变化，即分辨率不能再改变。数字量的位数不可变化，即分辨率不能再改变。 而对于电压一频率变换式而对于电压一频率变换式VFCVFC数据采集系统，则可以通过增数据采集系统，则可以通过增大计算脉冲时间间隔来提高其转换精度或分辨率。大计算脉冲时间间

54、隔来提高其转换精度或分辨率。(3)(3)逐次逼近式数据采集方式，对芯片的转换时间有严格的要逐次逼近式数据采集方式，对芯片的转换时间有严格的要 求，必须满足在一个采样时间间隔内，快速完成数据采集，求，必须满足在一个采样时间间隔内，快速完成数据采集，以留给微机时间去执行软件程序。以留给微机时间去执行软件程序。 而对电压而对电压- -频率变换式频率变换式VFCVFC数据采集系统则不存在转换速数据采集系统则不存在转换速度的问题，它是利用输入计数器的脉冲计数值来获取模拟输度的问题，它是利用输入计数器的脉冲计数值来获取模拟输入信号在某一时间内积分值对应的数字量。在使用时应注意入信号在某一时间内积分值对应的

55、数字量。在使用时应注意到计数芯片的输入脉冲频率不能超出极限计数频率。到计数芯片的输入脉冲频率不能超出极限计数频率。 (4)(4)逐次逼近式数据采集方式中需要由定时器按规定的采样时逐次逼近式数据采集方式中需要由定时器按规定的采样时 刻，定时给采样保持芯片发出采样和保持的脉冲信号。刻，定时给采样保持芯片发出采样和保持的脉冲信号。 而电压而电压频率变换式数据采集系统则只需按采样时刻读出频率变换式数据采集系统则只需按采样时刻读出 计数器的数值。计数器的数值。 v模拟量输出通道的任务模拟量输出通道的任务 把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信

56、号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。 五、模拟量输出通道五、模拟量输出通道 数数/ /模模 (D/A)(D/A)转换器完成模数转换。转换器完成模数转换。 由于由于D/A D/A 转换器需要一定的转换时间，在转换期间，输入待转换器需要一定的转换时间，在转换期间，输入待转换的数字量应该保持不变，而微机系统输出的数据转换的数字量应该保持不变，而微机系统输出的数据 在数据总在数据总线上稳定的时间很短，因此用锁存器来保持数字量的稳定。线上稳定的时间很短，因此用锁存器来保持数字量的稳定。 模拟量输出通道模拟量输出通道的作用是把微机系统输出的数字量转换成的

57、作用是把微机系统输出的数字量转换成模拟量输出。模拟量输出。电力电力系统系统 12MHz 12MHz的振荡周期是的振荡周期是1/121/12微秒，一个机器周期微秒，一个机器周期=12=12个振荡个振荡周期，一个指令周期包含周期，一个指令周期包含1-41-4机器周期机器周期. . 图 3-1接口电路通道 1通道 nD/AD/AV/IV/I(a) 多D/A结构PC总线接口电路通道1通道 nD/AV/IV/I多路开关采样保持器采样保持器（b）共享D/A结构PC总线图 3-1-+OAVout.P0P2.7WR8051D7D0DAC0832+5VVCCILEVREFRfIout1Iout2AGNDDGND

58、CSXFERWR1WR2 DAC0832 的单缓冲单极性的接线方式，它的选通地址为7FFFH。实现D/A转换的程序如下： MOV DPTR，#7FFFH；输入0832口地址 MOV A，#data；读取数据 MOVX DPTR，A ；执行D/A转换 SJMP $ 多数多数D/AD/A转换芯片输出的是弱电流信号，要驱动后面的自动转换芯片输出的是弱电流信号，要驱动后面的自动化装置，需在电流输出端外接运算放大器。化装置，需在电流输出端外接运算放大器。A5A9A8A7A6AENA4A1IOWDAC0832DDDDQQQQDI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0ILECSW R1XFERW R2

59、VREFIOUT2IOUT1AGND8位DAC寄 存 器8位输 入寄 存 器8位DAC转 换 器LE1LE2Rfb-5V图 3-5 DAC0832的 单 缓 冲 接 口 电 路_+TUOVDGNDVCC+5V+5VD7D6D5D4D3D2D1D0A3A2A0 PC总 线Y3Y1Y2Y0Y4Y5Y6Y7AGBG1GACB74LS138 电压输出型电压输出型QDDQQDDQDDQQDDQQ器存寄入输位8PC总线器存寄入输位412位DAC寄存器12位D/A转换器LE3LE2LE1(MSB)DIDIDIDIDIDIDIDI11104567891FERVDGND2TUOI1TUOIbfRDNGAccV图

60、3-6 DAC1210接口电路CSWRWR2XFERDIDIDIDI1230(LSB)+-5V12VTUOVD7D6D5D4D3D2D1D02A3A4A5A6A7A8A9A0AA1IOW138BYTE /1BYTE2Y0G1GBGACBAY3Y2Y1Y5Y6Y7Y4DAC1210AEN举例：举例：基于单片机的模拟量输入系统的设计基于单片机的模拟量输入系统的设计程控增益程控增益放大器放大器多路开关多路开关可编程逻辑器件可编程逻辑器件串行模数转换器串行模数转换器 主要包括两个部分主要包括两个部分: :一是交流信号的采样控制软件，二是交流采样的数据处理软件。一是交流信号的采样控制软件，二是交流采样的