AD73360在电量测量系统中的应用

随着国民经济的快速发展，我国电网装机容量也迅猛增长，电力供应的紧张状况已经得到一定程度的缓解。目前的突出问题是电网的供电质量还不能使广大电力用户满意。无论是在微机继电保护、配电网综合自动化、电力监测还是电能计量技术领域，我们与国际先进技术还是有差距的。目前以计算机技术、电子技术、通信技术、自动控制技术为代表的信息技术的发展为电力工业的新一轮发展提供了很好的动力。微机继电保护、配电网综合自动化、电力监测以及电能计量技术中都涉及到电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率等电力参数的测量。如何准确、快速地在线测试各种电力参数也成为广大工程技术人员在实际工作中必须解决的课题。

我们在为电力计量系统开发的互感器二次负荷在线测试系统中使用了数字信号处理器

ＴＭＳ３２０Ｆ２０６作为系统的技术核心，选用美国ＡＤＩ公司的１６位Ａ／Ｄ转换器ＡＤ７３３６０作为系统的前向通道的核心器件。实践表明，ＡＤ７３３６０适于在微机

系统中作为电力参数测量的模拟前端器件，电力参数的测量结果有很好的精度和稳定性。

自２０世纪７０年代末８０年代初世界上第一个

ＤＳＰ芯片诞生以来，短短十几年间有了突飞猛进的

发展，越来越广泛地应用于信号处理、

通信、雷达、人工智能等诸多领域。在传统的电量测量系统中，一般采取ＭＣＳ－５１／９６系列等普通单片机作为核心部件，由于普通单片机采用的是冯・诺依曼结构，即程序指令和数据共用一个存储空间，指令周期较长，多为微秒级，无法进行实时高速采样和实时处理，只适用于简单的ＤＳＰ算法。数字信号处理芯片ＤＳＰ采用了不同于冯・诺依曼结构的并行体系结构———哈佛结构，将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器与数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。由于程序和数据存储空间分开，各有自己的地址与数据总线，可以同时处理指令和数据，从而大大提高了数据吞吐率和处理速度，并且ＤＳＰ芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，这使得实时采样和处理成为可能。在通用微处理器中乘法指令是由一系列加法来实现的，因而多个指令周期来完成。ＤＳＰ芯片由于具有专用的硬件乘法器使得乘法可以在一个指令周期中完成。

１ＡＤ７３３６０基本介绍

ＡＤ７３３６０型Ａ／Ｄ变换器是ＡＤ公司于２０００年

下半年推出的通用６通道模拟前端处理器。由于具

ＡＤ７３３６０在电量测量系统中的应用

孙国银

（广东省电力试验研究所，广东广州５１０６００）

摘

要：ＡＤ７３３６０是美国ＡＤ公司推出的新型Ａ／Ｄ转换器，主要应用于三相电量测量等多路输入系统。介绍了

ＡＤ７３３６０的技术性能，给出了ＡＤ７３３６０与ＴＭＳ３２０Ｆ２０６接口的电路设计及相关的软件程序设计。实践证明，ＡＤ７３３６０适合在电量测量系统作为模拟前端核心器件。

关键词：Ａ／Ｄ转换；ＡＤ７３３６０；同步采样；电量测量；ＴＭＳ３２０Ｆ２０６中图分类号：ＴＭ９３３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－４９８４（２００７）０２－００７０－０４

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡＤ７３３６０ｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ

ＳＵＮＧｕｏ－ｙｉｎ

（ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒＴｅｓｔａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＤ７３３６０ｉｓａｎｅｗＡ／ＤｃｏｎｖｅｒｔｅｒｐｒｏｍｏｔｅｄｂｙＡＤｃｏｍｐａｎｙｏｆＵＳＡ．Ｉｔｉｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｉｎｍｕｌｔｉ－ｉｎｐｕｔｓｙｓｔｅｍｓｓｕｃｈａｓｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＡＤ７３３６０ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈＴＭＳ３２０Ｆ２０６ａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａ／Ｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＡＤ７３３６０；Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｓａｍｐｌｉｎｇ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｍｅａｓｕｒｅ；ＴＭＳ３２０Ｆ２０６

收稿日期：２００６－０３－０８；收到修改稿日期：２００６－０５－１３作者简介：孙国银（１９７７－），男，硕士，主要从事电力测量工作。

第３３卷第２期２００７年３月

中国测试技术

ＣＨＩＮＡＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．２Ｍａｒ．２００７

第３３卷第２期

有十六位的分辨率，每通道同时采样，并能确保转换之间相位滞后很小，减小了相位误差。采用六线同步串行接口，很容易和工业标准的ＤＳＰ接口。当今流行的单片式ＤＳＰ（如ＴＭＳ３２０Ｆ２０６）都支持六线工业标准同步串行接口，因而ＡＤ７３３６０与ＤＳＰ连接组成的测控系统极其简洁高效。ＡＤ７３３６０特别适合于要求同时采样的工业测量、控制领域的应用。它不仅适合于大信号应用，也适合于小信号应用。同时ＡＤ７３３６０有内置的程控可变增益放大器，对小信号应用尤其方便实用。ＡＤ７３３６０具有六个同时采样的模拟量输入通道，所以特别适合于电力运行参数测量控制类应用系统。

以作者设计的ＡＤ７３３６０和ＴＭＳ３２０Ｆ２０６共同构成的互感器二次负荷在线测试系统为例，介绍ＡＤ７３３６０这种新型模拟前端的主要工作性能及其工程应用。

ＡＤ７３３６０的性能简介：

ＡＤ７３３６０每个通道由信号调理器、ＰＧＡ（可编程增益放大器）、模拟Σ－Δ调制器、抽样器及串行端口等组成，具有内部ＰＧＡ和独立模拟前端，可直接对微小的传感器信号进行调理采集；Σ－Δ型ＡＤＣ不要求高精度的模拟电路，但需要将普通的信号转化为差动信号后才可接入采集。ＡＤ７３３６０则在前端设计了信号调理模块，允许用户的输入信号为单端或差动形式，可以有效减小外围电路的数目和复杂程度。

其他主要特征如下：

（１）内部具有６个独立通道的１６位Ａ／Ｄ转换

器；

（２）７５ｄＢ的模数转换信噪比；

（３）输入采样频率：８ｋＨｚ、１６ｋＨｚ、３２ｋＨｚ、６４ｋＨｚ

可由软件独立设置；

（４）８个可编程控制寄存器，可方便的对ＡＤＣ

进行增益、采样频率及传输频率等特征的控制；

（５）模拟信号带宽：音频带宽，典型值为ＤＣ～４ｋＨｚ；

（６）较低的组延时：典型值２５μｓ／通道；

（７）供电电压：单＋２．７Ｖ～＋５．５Ｖ；

（８）输出参考电压：１．２Ｖ和２．５Ｖ可程控；

（９）灵活的串口允许多个器件级联；

ＡＤ７３３６０在级联使用时，最多可将八个级联在一起。模拟量输入通道的最大数目可方便地扩展到四十八路。在模拟量输入通道数目的扩展方面极其方便。

（１０）８０ｍＷ的功耗（＋２．７Ｖ工作）；

（１１）片内电压基准。２系统设计

２．１ＡＤ７３３６０与ＤＳＰ的硬件接口

如图１所示为ＡＤ７３３６０与ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６构成的电量测量系统，可以同步采样６路数据。限于篇幅图中主要画出了ＡＤ７３３６０的外围电路及与ＤＳＰ的接口电路（ＴＭＳ３２０Ｆ２０６仅画出同步串行口）。

系统使用六通道Ａ／Ｄ转换器ＡＤ７３３６０，同时对三相电压和三相电流进行采样，采样频率为６４ｋＨｚ，采样结果通过串行口传给ＤＳＰ。图中ＤＳＰ的接收时钟ＣＬＫＲ和发送时钟ＣＬＫＸ都取自ＡＤ７３３６０的输出串行时钟ＳＣＬＫ，ＳＣＬＫ的频率等于ＡＤ７３３６０的主时钟频率为１６．３８４ＭＨｚ。ＦＳＸ和ＦＳＲ分别是ＤＳＰ的发送和接收帧同步信号，ＳＤＩＦＳ和ＳＤＯＦＳ是ＡＤ７３３６０的输入和输出帧同步信号。ＤＳＰ的数据接收ＤＲ和数据发送ＤＸ分别接ＡＤ７３３６０的数据输出ＳＤＯ和数据输入ＳＤＩ，ＤＳＰ的标志信号ＸＦ接ＡＤ７３３６０的串行口激活信号ＳＥ。经ＡＤ７３３６０变换后的数字信号通过同步串行口送入ＴＭＳ３２０Ｆ２０６，就可以进行数据运算、数字滤波等。

ＡＤ７３３６０的输入一般可采用差动输入交流耦合方式或者单端输入形式，本系统中在模拟信号输入电路部分采取了电平调整措施，故可以使用单端输入形式，使得电路结构简单。

我们在以前开发数据采集系统的实践中采用多片Ａ／Ｄ转换器的结构，结果表明各通道之间数据的采样不能做到同步，也给系统带来较大的误差。这里６通道Σ－Δ型Ａ／Ｄ转换器的使用不仅较好地解决了上述问题提高了系统的精度，而且降低了成本。２．２软件设计

电量测试系统中软件设计的核心是数据采集模块，也就是如何准确快速地采集电力系统中的各个模拟量。其数据采样方式主要有直流采样和交流采样。直流采样方式因为硬件复杂、实时性差、精度低而在电力系统中的应用受到限制。因此用交流采样代替直流采样是必然趋势。其主要优点是实时性好，相位失真，投资少，便于维护；其缺点是算法复杂，精度难以提高，对Ａ／Ｄ转换速度要求较高；但随着微机技术的发展，已经逐步代替直流采样。目前交流数字采样测量已经出现了同步采样算法、准同步采样算法、非同步采样算法、加窗函数法、补偿法、双速率采样法、非均匀采样法、随机采样法、随机采样法、模拟数字混合采样法、小波函数法等。

根据电工理论，电压和电流的有效值公式为：

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