变电站模拟量输入输出原理 (17)

图2-9 交流电压电流输入通道结构框图 （a）电压输入通道（b）电流输入通道
采样定理
一个随时间连续变化的物理量f(t)，如图2.10（a）， 经过采样后，得到一系列的脉冲序列f*(t)，它是离散 的信号，被称为采样信号，如图2.10(c) 。
根据香农（Shannon）定理：如果随时间变化的模 拟信号（包括噪声干扰在内）的最高频率为fmax，只要 按照采样频率f≥2fmax进行采样，那么所给出的样品系 列就足以代表（或恢复）f(t)了，实际应用中常采用 f≥(5-10)fmax。
（二）低通滤波器和采样定理 １、低通滤波
电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含 有较高的频率，需在采用之前将最高频率分量限 制在一定的频带内，以降低采样频率fs,这样一 方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需 要的最高频率信号的采样不至于发生失真。 模拟低通滤波器可以做成有源或无源的，最 常用的是RC低通滤波器，阶数根据具体的情况而 定。
-5
-15 Rp1 3 R1 Uin Rp2 +Us VFC 4 快速光隔 至各 插件
交流输入 R
R
零漂调整
C
R
VFC
fout 0~20MHz
光隔
至各
插件
图2-16 AD654工作电路图
此偏置电压为-5V，其压控震荡频率与网络电阻 的关系为
f out 1 10C T uin 5 ( R RP 1 ) ( R1 RP 2 )

二、逐次逼近型A/D变换的模拟量输入电路
总线 变 换 器 电压形成回路 低通滤波 采样保持 电压形成回路 低通滤波 采样保持 多 路 转 换 开 关
/
存储器
图2-7 逐次逼近型模拟量输入电路框图
（一）电压形成回路 来自TA、TV的电流或电压量不适应模数变换器的 范围，故需要进行变换。
图中的RC有什 么作用？
变电所模拟量输入输出原理

——电气化3111班
卜朋朋
一、模拟量输入及输出电路简述 变电站综合自动化的微机系统所采集的变电 站测控对象的电流、电压、有功和无功功率、温 度等都属于模拟量。模拟量输入电路的主要作用 是隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与 CPU接口完成数据采集任务。
模拟量输入电路有两种方式： （1）逐次逼近型A/D转换方式——直接将模拟量转 换为数字量的变换方式； （2）利用电压/频率变化（VFC）原理进行模数变 换方式——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。
图 2.10
采样过程
（三）采样保持器 连续时间信号的采样及其保持是指在采样时刻上， 把输入模拟信号的瞬时值记录下来，并按所需的要 求准确地保持一段时间，供模数转换器A/D使用。 在t0时，s开关闭合， 采样阶段 保持阶段 电容被迅速充电， ui=uo。t0-t1是采样阶段。
在t1时，s断开，uo为此刻 的输入值，t1-t2 是保持 阶段，供A/D使用。
数字脉冲波 Uin 电压 形成 二进制 数字量 CPU
总线
VFC
计数器
图2.1５ VFC型A/D变换原理框图
（二）AD654的结构及 工作原理
AD654是单片VFC变换芯片， 中心频率为50Hz。在装置中 一般采用负端输入方式，如 图2-16，AD654只能转换单 极性，所以对交流电压的信 号输入，必须有个负的偏置 电压，它在3端输入。
uin ( Dk D0 ) K b
D0
式中：
为250kHz中心频率对应的脉冲常数。
瞬时值
D0
四、模拟量输出电路 （一）模拟量输出电路组成
总线 工业生 产过程 放 大 驱 动 / 转 换 器 锁 存 器 输 出 接 口
图2.19 模拟量输出通道结构框图
由于D/A需要一定时间，在转换期间，输入待转 换的数字量应保持不变，而数据在总线上稳定的时 间很短，因此必须用锁存器来保持数据量的稳定。 锁存器：本质是一种触发器，具有记忆功能， 一经触发就将输入信号锁存输出端，输入端再发生 变化不影响输出端状态。
图 2.14
逐次逼近型A/D转换器的工作原理
三、基于V/F转换的模拟量输入回路 （一）VFC型A/D变换 VFC的原理是将输入的电压模拟量ui线性地变换 为数字脉冲式的频率f，使产生的脉冲频率正比 于输入电压的大小，然后再固定的时间内用计 数器对脉冲数目进行计数，使CPU读入，其原理 如同2-15所示。

0 t0
t1 t2
t3 t4
t5 t6
图 2.11
采样保持示意图
采样 采样
（四）多路转换开关（ＭＰＸ） 以AD7506为例说明多路转换开关的工作原理。
ui0
输
AD7506
入
通 道 数 选 择
图 2.13
多路转换开关
（五）模数(A/D)变换 A/D变换器主要有逐次逼近型、积分型、计数 型和并行比较型等几种类型。
逐次逼近型A/D转换的实质是：逐次把设定的 SAR 寄存器的数字量经D/A转换后得到的电压Uc与 待转换的模拟电压Ux进行比较。比较时，先从SAR 最高位开始，逐次的确定各位的数码是“1”还是 “0” 。
比较器
/ 数 字 量 输 出
电压 第一次 预测 第三次 预测 第四次 预测
第二次 预测
1000 0100 0110 0101 终值 时序及控制逻辑 ( )原理框图 0 ( )逐次逼近过程
可见输出频率与输入电压呈线性关系。 RP1用来调整偏置值，使外部输入电压为零时 输出频率为250kHz,从而使交流电压的测量范围 控制在±5V的峰值内，这也叫零漂调整。各通道 的平衡度及刻度比可用电位器RP2来调整。
VFC的变换特性与输入交流信号的变换关 系如图2-17。
输入-5V 输入0V
Uin -10 -5
输入+5V
t
0
250
500
图2.17 VFC变换关系图

当输入电压 uin 0 时，由于偏置电压-5V加在输 入端3上，输出信号是频率为250kHz的等幅等宽 的脉冲波，见图2-18（a），当输入信号是交流 信号时，经VFC变换后输出的信号是被交变信号 调制了的等幅脉冲调频波，见图2-18（b）。
uin=0
uin tk-2Ts
2Ts
wenku.baidu.com
tk
u0
250kHz的等幅 等宽脉冲
u0
Rk Rk-2 Dk
(a)
(b)
-5V—500kHz—T小—稠 密
图2-28 VFC工作原理和计数采样 （a）uin=0 （b）uin为交变信号
t k NTS

tk
在 D k Rk 至 ( k N )的这一段时间内计数器计到的 R 脉冲数为 ，如果每个脉冲对应的 电压值为Kb系数，则输入电压可用下式表示
100V
（a)
变换器 R1 R2 C2 V1 V2 U
5A/1A
TA二次侧i(t)
R
？
C1
（b)
图2-8 图1 模拟量输入电流变换原理图 模拟量输入电压变换原理图 （a)电压接口 （b) 电流接口
电压形成电路作用： ⑴起电量变换 ⑵将一次设备的TA、TV的二次回路与微机 A/D转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。 电路中的稳压管V1和V2的作用？ 稳压管V1和V2组成双向限幅，使后面环节 的采样保持器、A/D转换芯片的输入电压限 制在峰—峰值±10V（或±5V）以内。
（二）D/A转换器 输出电压为：
uD I R f
D
URRf R
D
式中： 是按代码的权组合起 来表示的数字量 ，某位B为“0”时，相应 UR 的这项为0。 为基准电压。
B1 B1 B1 B1 2 4 8 16
常用的滤波电 路的类型？
２、采样和采样定理 模拟量的采样可分为直流采样和交流采样两种类型。 （1）直流采样 直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量先转换 成直流电压信号，再送至A／D转换器进行转换；即 A／D转换器采样的模拟量为直流信号。 （２）交流采样 指对交流电流和交流电压采集时，输入至A／D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。如下页图所示。