交流信号采集与变换
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各个模拟量在多路转换开关的控制下分时地逐一经A/D转换器转换，每次只选
通一路。对多路开关的要求是断开时开路阻抗无穷大，导通时阻抗为0，切换
速度快，工作可靠。 常见的多路开关有： CD4051B（8路），AD7506（16路）等 。
多路转换器
模拟量多路开关由三部分组成
地址输入缓冲和电平转换使得输入端对TTL，CMOS逻辑电平兼容
A2
Aout
• 采样期间，S闭合，A1通过S向Ch充电，使输出随输入变化而变化。 • 保持期间，S断开，由于A2的高输入阻抗，使得输出保持充电时的最高 值。
A/D转换器
逐次逼近型的A/D转换器工作原理
逐次逼近寄存器SAR D/A转换器 比较器 时序和控制逻辑电路
A/D转换器
逐次逼近型的A/D转换器特点
保持器和12位的A/D转换器。
微机变送器硬件
参考电力自动化设备, 2000年 06期 《交流采样的微机电量变送器及其自检技术》
微机变送器的工作过程：
输入信号经相应的TVm或TAm变换成0～5V交 流电压信号；（单极性/双极性） 输入到多路模拟电子开关。选择多路信号 中一路输出； 采样保持器进行采样及保持； A／D转换器将采样保持器输出的模拟电压 转换成数字量； CPU读A／D输出数据； CPU再发地址选择输入信号；
12位数据，也可先读低8位，再读高4位，输入可接单极性或双极 性，有片内时钟。
单极性接法
＋5V －15V
R1 100kΩ R4 100KΩ R3 100KΩ 0～＋10V 0～＋20V 13 14 8
＋15V
R2 100Ω
REF-IN AN-GND BPLRof 10Vspn 20Vspn REFout
电量变送器样本
• • • • • • www.tkyb.com 单相交流电流/电压变送器 三相交流电流/电压变送器 三相四线有功、无功功率变送器 档位变送器 直流电压变送器
第二节 模拟交流量的变换
电流变换器
I1(t)
I2(t)
电流变送器
输出
电流变送器与电流互感器的连接图
交流信号转换成直流信号，直流信号的值为 交流信号的有效值或者是平均值。
采样保持的含义
采样保持器
A/D芯片完成一次转换需要时间，对于变化较快的模拟量，如不采取
措施会引起转换误差，一般增加一级采样保持器，在转换期间保持输
入A/D的模拟信号基本不变。 对于变化缓慢的模拟量，可以不设置这一级。
采样保持电路由保持电容和输入输出缓冲放大器和控制开关组成 ：
S A1 Ain Ch
电力系统调度自动化
第二章 交流数据采集与处理
生产实践中是通过何种设备完成交流数据采集？ 电压表 电流表 功率表 万用表？ 工作原理是什么？
交流数据采集的目标是什么？ 通过提取交流量的特征信息进行交流量的表征 幅值（有效值） 频率 相位
交流数据采集与变换中需要解决的问题？
硬件： 电流电压的幅值特点（变换器） 微处理器处理能力问题（采样方式） 路数问题 成本问题（多路开关） 转换精度 （采样保持、AD转换器） 频率问题（测频） 信号干扰问题(模拟滤波电路) 软件： 针对不同采样方式，所采取的方式 直流采样 交流采样
交流采样的特点 实时性好。 能反映实际波形。
可以省略功率变送器，功率由算法计算得到。
对A/D转换器和采样保持器要求较高，要求一个周期内必 须有足够的采样点数，要求A/D转换器转换速度高。 采样和计算的程序比较复杂。
第一节
电量变送器
电量变送器 是一种将被测量参数(交流电流、交流电压、有功功率、 无功功率、有功电能、无功电能、频率、相位、功率因数、 直流电压、直流电流等)按线性比例转换成直流电流或电压( 电能脉冲输出)的测量仪表。 它广泛应用于电力、石油、煤炭、冶金、铁道、市政 府等部门的电气测量、自动控制以及调度系统。
1 y (k ) ( x(k ) x(k 1) x(k 2) x(k 3) .......... . x(k 9) 10
x(t ) u(t ) v(t )
为两个分量组成，因此可有
1 y (k ) (u (k ) u (k 1) u (k 2) u (k 3) .......... . u (k 9) 10
f1 50Hz f 2 350Hz
要求保留基波部分，滤除的谐波（7次）部分。
滤除高次谐波
x(n) u(t ) v(t )
u(t ) U sin 2f1t v(t ) V sin 2f 2t
若采样频率=3500Hz，则对于基波，每周期有 70个采样值；对于7次谐波，则每周期有10个采样值。 现将相对于基波一周期的70个采样值分成7组，每 组10个采样值求取平均值。 令y(k)是x(t)连续10个采样值的平均值，即
译码和驱动把地址译为通道号代码
模拟开关，对应通道的模拟开关导通，将该通道的输入模拟电压引至 输出端。
多路转换器
若输入模拟通道数目超过16，需多片AD7506，这时需要增加译码器进
行片选。
AD7506导通时导通电阻约400Ω，由于不接近0，所以负载电阻一定要 比较大，一般在输出后增加一级电压跟随器以提高输入阻抗。
K
• i ——滤波因子 • K ——K个采样间隔 • y ——输出 • x ——输入 非递归数字滤波的输出只与当前和过去的输入值有关， 与过去的输出值无关。 非递归数字滤波器是有限冲击响应滤波器，优点是设计比较 灵活，可以实行理想的线性相位，缺点是计算量比较大。
数字滤波
• 非递归滤波
差分滤波器 y(n) = x(n) － x(n－K) 设信号频率为f，采样频率为fs，谐波频率为mf，N是每周波采样点数， 则可滤除的谐波频率为： s
7 11
+Vs -Vs AD574A
双极性接法
+5V
1
R2 100Ω
REF-IN AN-GND BPLRof 10Vspn 20Vspn REFout
V CC
10 9 12 R1 100Ω ±5V ±10V 13 14 8
lsbDB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 DB8 DB9 DB10 msb-11 STATUS CE CS A0/SC R/C 12/8
V CC
10 9 12
1
lsbDB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 DB8 DB9 DB10 msb-11 STATUS CE CS A0/SC R/C 12/8
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 6 3 4 5 2
＋15V －15V
微机变送器的工作过程
这种过程在一个交流信号周期内重复 CPU对一周期内每路输入信号的N个采样值， 进行数据处理，并计算出线路上的各种电气 量值。
模拟量采集的处理
数字滤波
标度变换
越限判别 交流采样算法
数字滤波
• 非递归滤波
一般形式
y ( n ) i x ( n i )
i 0
计数脉冲与电能的关系
若将U0进行电压／频率（U/f）变换，使之成为 与U0成正比，频率为f的脉冲信号，即 f=K2U0 在时间t0～t1内，计得以f为频率的脉冲数为N， 则N/（t1-t0）代表在时间t0～t1内频率f平均值fav。 因此可求得相应时间内U0的平均值U0av，即
f av N 1 U av K 2 (t1 t0 ) K 2
全波线性整流电路图
恒压输出电路
二 交流电压变送器
三、电能变送器
三、电能变送器
1、功率与电能的关系 三相电路的瞬时功率为P（t），则该电路的有功电 能W就是P（t）的时间积分。 设在时间t0～t1内的平均功率为Pav则
W P(t )dt Pav (t1 t0 )
t0
t1
在时间t0～t1之间的电能量等于该时间内平均功 率与时间的乘积。 三相有功功率变送器输出电压U0与有功功率P成 正比，U0=K1P
不同类型的变送器
第二章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
交流数据采集与处理
电量变送器 模拟交流量的变换 微机变送器与交流采样 电力系统数据预处理 标度变换
模拟量
三种模拟量（在时间上或数值上都是连续的物理量） 快速变化的交流量：如交流电压、电流、功率等。 缓慢变化的直流量：如控制母线的直流电压、操作母线 的直流电压。 缓慢变化的非电量：如温度、压力、水位等。
f N ml l Kf K
பைடு நூலகம் 数字滤波
• 非递归滤波
加法滤波器 y(n) = x(n) ＋ x(n－K) 设信号频率为f，采样频率为fs，谐波频率为mf，N是每周波采样点数， 则可滤除的谐波频率为：
fs 1 1 N m ( l) ( l) 2 Kf 2 K
数字滤波
• 非递归滤波
电量变送器的采样方式
直流采样 • 直流电量：利用直流电量变送器将实际的电压电流值转换为0～5V的 直流电压。 • 交流电量：采用交流电压、电流和功率变送器将相应原始信号转换为 0～5V或0～±5V的直流电压信号。 • 非电量：利用专用的温度变送器、压力变送器 交流采样 只针对交流信号的采集。直接将交流信号变送为0～5V的交流电压信 号送至A/D转换器进行转换，即采集交流信号的瞬时值，然后采用算 法计算电压、电流的有效值及利用电压电流计算功率。
U av N 1 Pav K1 K1K 2 (t1 t0 )
N W Pav (t1 t0 ) KN K1K 2
第三节 微机变送器与交流采样
交流采样电路
模拟量输入通道
信号处理电路 多路转换开关 采样保持器 A/D转换器
信号处理-低通滤波
无源低通滤波 有源低通滤波
多路转换器（多路开关）
1 (v(k ) v(k 1) v(k 2) v(k 3) .......... . v(k 9) 10
由于是350Hz的正弦波，采样频率为3500Hz，恰 好是每周期10次采样，因而计算式中的第二部分必然 等于零。 对于50Hz的基波，上述计算可得到7个分组值， 每个分组值恰好分别等于对基波进行每周期7次采样 的各个采样值，并且不包含任何7次谐波成分。
交流电流变送器
转换过程中需要解决的问题 输入信号大小 中间互感器 （作用） 交流 直流 全波线性整流 （重点：电路、工作 原理） 平滑滤波，整形
一、交流电流变送器
大电流变为小电流 电气隔离 精密交-直流变换电路将交流电压变为 0~5v的直流电压
经电阻变为电压信号 恒流输出电路得到0~1mA或4~20mA 直流输出信号。
转换速度快。
转换时间固定。
抗干扰能力较差。需要附加抗干扰电路。
A/D转换器
A/D转换器主要技术指标
分辨率
精度 转换时间
电源灵敏度
量程 输出逻辑电平 工作温度范围
A/D转换器
A/D转换器AD574
12位逐次逼近型A/D转换芯片，有片内输出数据锁存和三态
输出功能，可进行12位或8位转换，进行12位转换时可以一次读出
电量变送器的采样方式
直流采样的特点 对A/D转换器转换速率要求不高，软件算法简单，程序 可靠性高。 经过整流和滤波环节，抗干扰能力较强。 直流采样输入回路常采用RC电路滤去整流后的纹波， 采样实时性差，无法反映被测量的波形，因此不适用于 微机保护和故障录波。 需要变送器屏。
电量变送器的采样方式
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 6 3 4 5 2
+15V -15V
7 11
+Vs -Vs AD574A
集成化的数据采集芯片
A/D转换器、多路转换开关、采样保持器是模拟量输入通道中的
关键部分，已经由一些公司开发出集成了以上三个部分的集成化的数
据采集芯片。如MAXIM的MAX197它是一个多量程的12位数据采集芯 片，只需一个＋5V电源供电，片内含8路模拟通道，5MHz带宽的采样
积分滤波器 y(n) = x(n) ＋ x(n－1) ＋ … ＋ x(n－K) 设信号频率为f，采样频率为fs，谐波频率为mf，N是每周波采样点数， 则可滤除的谐波频率为：
fs N ml l ( K＋1) f K 1
举例：设一模拟信号
x(n) u(t ) v(t )
u(t ) U sin 2f1t v(t ) V sin 2f 2t
通一路。对多路开关的要求是断开时开路阻抗无穷大，导通时阻抗为0，切换
速度快，工作可靠。 常见的多路开关有： CD4051B（8路），AD7506（16路）等 。
多路转换器
模拟量多路开关由三部分组成
地址输入缓冲和电平转换使得输入端对TTL，CMOS逻辑电平兼容
A2
Aout
• 采样期间，S闭合，A1通过S向Ch充电，使输出随输入变化而变化。 • 保持期间，S断开，由于A2的高输入阻抗，使得输出保持充电时的最高 值。
A/D转换器
逐次逼近型的A/D转换器工作原理
逐次逼近寄存器SAR D/A转换器 比较器 时序和控制逻辑电路
A/D转换器
逐次逼近型的A/D转换器特点
保持器和12位的A/D转换器。
微机变送器硬件
参考电力自动化设备, 2000年 06期 《交流采样的微机电量变送器及其自检技术》
微机变送器的工作过程：
输入信号经相应的TVm或TAm变换成0～5V交 流电压信号；（单极性/双极性） 输入到多路模拟电子开关。选择多路信号 中一路输出； 采样保持器进行采样及保持； A／D转换器将采样保持器输出的模拟电压 转换成数字量； CPU读A／D输出数据； CPU再发地址选择输入信号；
12位数据，也可先读低8位，再读高4位，输入可接单极性或双极 性，有片内时钟。
单极性接法
＋5V －15V
R1 100kΩ R4 100KΩ R3 100KΩ 0～＋10V 0～＋20V 13 14 8
＋15V
R2 100Ω
REF-IN AN-GND BPLRof 10Vspn 20Vspn REFout
电量变送器样本
• • • • • • www.tkyb.com 单相交流电流/电压变送器 三相交流电流/电压变送器 三相四线有功、无功功率变送器 档位变送器 直流电压变送器
第二节 模拟交流量的变换
电流变换器
I1(t)
I2(t)
电流变送器
输出
电流变送器与电流互感器的连接图
交流信号转换成直流信号，直流信号的值为 交流信号的有效值或者是平均值。
采样保持的含义
采样保持器
A/D芯片完成一次转换需要时间，对于变化较快的模拟量，如不采取
措施会引起转换误差，一般增加一级采样保持器，在转换期间保持输
入A/D的模拟信号基本不变。 对于变化缓慢的模拟量，可以不设置这一级。
采样保持电路由保持电容和输入输出缓冲放大器和控制开关组成 ：
S A1 Ain Ch
电力系统调度自动化
第二章 交流数据采集与处理
生产实践中是通过何种设备完成交流数据采集？ 电压表 电流表 功率表 万用表？ 工作原理是什么？
交流数据采集的目标是什么？ 通过提取交流量的特征信息进行交流量的表征 幅值（有效值） 频率 相位
交流数据采集与变换中需要解决的问题？
硬件： 电流电压的幅值特点（变换器） 微处理器处理能力问题（采样方式） 路数问题 成本问题（多路开关） 转换精度 （采样保持、AD转换器） 频率问题（测频） 信号干扰问题(模拟滤波电路) 软件： 针对不同采样方式，所采取的方式 直流采样 交流采样
交流采样的特点 实时性好。 能反映实际波形。
可以省略功率变送器，功率由算法计算得到。
对A/D转换器和采样保持器要求较高，要求一个周期内必 须有足够的采样点数，要求A/D转换器转换速度高。 采样和计算的程序比较复杂。
第一节
电量变送器
电量变送器 是一种将被测量参数(交流电流、交流电压、有功功率、 无功功率、有功电能、无功电能、频率、相位、功率因数、 直流电压、直流电流等)按线性比例转换成直流电流或电压( 电能脉冲输出)的测量仪表。 它广泛应用于电力、石油、煤炭、冶金、铁道、市政 府等部门的电气测量、自动控制以及调度系统。
1 y (k ) ( x(k ) x(k 1) x(k 2) x(k 3) .......... . x(k 9) 10
x(t ) u(t ) v(t )
为两个分量组成，因此可有
1 y (k ) (u (k ) u (k 1) u (k 2) u (k 3) .......... . u (k 9) 10
f1 50Hz f 2 350Hz
要求保留基波部分，滤除的谐波（7次）部分。
滤除高次谐波
x(n) u(t ) v(t )
u(t ) U sin 2f1t v(t ) V sin 2f 2t
若采样频率=3500Hz，则对于基波，每周期有 70个采样值；对于7次谐波，则每周期有10个采样值。 现将相对于基波一周期的70个采样值分成7组，每 组10个采样值求取平均值。 令y(k)是x(t)连续10个采样值的平均值，即
译码和驱动把地址译为通道号代码
模拟开关，对应通道的模拟开关导通，将该通道的输入模拟电压引至 输出端。
多路转换器
若输入模拟通道数目超过16，需多片AD7506，这时需要增加译码器进
行片选。
AD7506导通时导通电阻约400Ω，由于不接近0，所以负载电阻一定要 比较大，一般在输出后增加一级电压跟随器以提高输入阻抗。
K
• i ——滤波因子 • K ——K个采样间隔 • y ——输出 • x ——输入 非递归数字滤波的输出只与当前和过去的输入值有关， 与过去的输出值无关。 非递归数字滤波器是有限冲击响应滤波器，优点是设计比较 灵活，可以实行理想的线性相位，缺点是计算量比较大。
数字滤波
• 非递归滤波
差分滤波器 y(n) = x(n) － x(n－K) 设信号频率为f，采样频率为fs，谐波频率为mf，N是每周波采样点数， 则可滤除的谐波频率为： s
7 11
+Vs -Vs AD574A
双极性接法
+5V
1
R2 100Ω
REF-IN AN-GND BPLRof 10Vspn 20Vspn REFout
V CC
10 9 12 R1 100Ω ±5V ±10V 13 14 8
lsbDB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 DB8 DB9 DB10 msb-11 STATUS CE CS A0/SC R/C 12/8
V CC
10 9 12
1
lsbDB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 DB8 DB9 DB10 msb-11 STATUS CE CS A0/SC R/C 12/8
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 6 3 4 5 2
＋15V －15V
微机变送器的工作过程
这种过程在一个交流信号周期内重复 CPU对一周期内每路输入信号的N个采样值， 进行数据处理，并计算出线路上的各种电气 量值。
模拟量采集的处理
数字滤波
标度变换
越限判别 交流采样算法
数字滤波
• 非递归滤波
一般形式
y ( n ) i x ( n i )
i 0
计数脉冲与电能的关系
若将U0进行电压／频率（U/f）变换，使之成为 与U0成正比，频率为f的脉冲信号，即 f=K2U0 在时间t0～t1内，计得以f为频率的脉冲数为N， 则N/（t1-t0）代表在时间t0～t1内频率f平均值fav。 因此可求得相应时间内U0的平均值U0av，即
f av N 1 U av K 2 (t1 t0 ) K 2
全波线性整流电路图
恒压输出电路
二 交流电压变送器
三、电能变送器
三、电能变送器
1、功率与电能的关系 三相电路的瞬时功率为P（t），则该电路的有功电 能W就是P（t）的时间积分。 设在时间t0～t1内的平均功率为Pav则
W P(t )dt Pav (t1 t0 )
t0
t1
在时间t0～t1之间的电能量等于该时间内平均功 率与时间的乘积。 三相有功功率变送器输出电压U0与有功功率P成 正比，U0=K1P
不同类型的变送器
第二章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
交流数据采集与处理
电量变送器 模拟交流量的变换 微机变送器与交流采样 电力系统数据预处理 标度变换
模拟量
三种模拟量（在时间上或数值上都是连续的物理量） 快速变化的交流量：如交流电压、电流、功率等。 缓慢变化的直流量：如控制母线的直流电压、操作母线 的直流电压。 缓慢变化的非电量：如温度、压力、水位等。
f N ml l Kf K
பைடு நூலகம் 数字滤波
• 非递归滤波
加法滤波器 y(n) = x(n) ＋ x(n－K) 设信号频率为f，采样频率为fs，谐波频率为mf，N是每周波采样点数， 则可滤除的谐波频率为：
fs 1 1 N m ( l) ( l) 2 Kf 2 K
数字滤波
• 非递归滤波
电量变送器的采样方式
直流采样 • 直流电量：利用直流电量变送器将实际的电压电流值转换为0～5V的 直流电压。 • 交流电量：采用交流电压、电流和功率变送器将相应原始信号转换为 0～5V或0～±5V的直流电压信号。 • 非电量：利用专用的温度变送器、压力变送器 交流采样 只针对交流信号的采集。直接将交流信号变送为0～5V的交流电压信 号送至A/D转换器进行转换，即采集交流信号的瞬时值，然后采用算 法计算电压、电流的有效值及利用电压电流计算功率。
U av N 1 Pav K1 K1K 2 (t1 t0 )
N W Pav (t1 t0 ) KN K1K 2
第三节 微机变送器与交流采样
交流采样电路
模拟量输入通道
信号处理电路 多路转换开关 采样保持器 A/D转换器
信号处理-低通滤波
无源低通滤波 有源低通滤波
多路转换器（多路开关）
1 (v(k ) v(k 1) v(k 2) v(k 3) .......... . v(k 9) 10
由于是350Hz的正弦波，采样频率为3500Hz，恰 好是每周期10次采样，因而计算式中的第二部分必然 等于零。 对于50Hz的基波，上述计算可得到7个分组值， 每个分组值恰好分别等于对基波进行每周期7次采样 的各个采样值，并且不包含任何7次谐波成分。
交流电流变送器
转换过程中需要解决的问题 输入信号大小 中间互感器 （作用） 交流 直流 全波线性整流 （重点：电路、工作 原理） 平滑滤波，整形
一、交流电流变送器
大电流变为小电流 电气隔离 精密交-直流变换电路将交流电压变为 0~5v的直流电压
经电阻变为电压信号 恒流输出电路得到0~1mA或4~20mA 直流输出信号。
转换速度快。
转换时间固定。
抗干扰能力较差。需要附加抗干扰电路。
A/D转换器
A/D转换器主要技术指标
分辨率
精度 转换时间
电源灵敏度
量程 输出逻辑电平 工作温度范围
A/D转换器
A/D转换器AD574
12位逐次逼近型A/D转换芯片，有片内输出数据锁存和三态
输出功能，可进行12位或8位转换，进行12位转换时可以一次读出
电量变送器的采样方式
直流采样的特点 对A/D转换器转换速率要求不高，软件算法简单，程序 可靠性高。 经过整流和滤波环节，抗干扰能力较强。 直流采样输入回路常采用RC电路滤去整流后的纹波， 采样实时性差，无法反映被测量的波形，因此不适用于 微机保护和故障录波。 需要变送器屏。
电量变送器的采样方式
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 6 3 4 5 2
+15V -15V
7 11
+Vs -Vs AD574A
集成化的数据采集芯片
A/D转换器、多路转换开关、采样保持器是模拟量输入通道中的
关键部分，已经由一些公司开发出集成了以上三个部分的集成化的数
据采集芯片。如MAXIM的MAX197它是一个多量程的12位数据采集芯 片，只需一个＋5V电源供电，片内含8路模拟通道，5MHz带宽的采样
积分滤波器 y(n) = x(n) ＋ x(n－1) ＋ … ＋ x(n－K) 设信号频率为f，采样频率为fs，谐波频率为mf，N是每周波采样点数， 则可滤除的谐波频率为：
fs N ml l ( K＋1) f K 1
举例：设一模拟信号
x(n) u(t ) v(t )
u(t ) U sin 2f1t v(t ) V sin 2f 2t