摘要：鑒于電力系統(tǒng)保護(hù)測(cè)控設(shè)備對(duì)多路電流和電壓的測(cè)量精度有較高的要求，設(shè)計(jì)一種基于AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的高精度電參數(shù)采集系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)過程。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與分析，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有采樣同步性好、抗干擾能力強(qiáng)、采樣精度高等特點(diǎn)，適用于多通道、高精度采集場(chǎng)景及繼電保護(hù)場(chǎng)景，能很好地滿足電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的需求。

關(guān)鍵詞：調(diào)理電路；AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；離散傅里葉變換；電參數(shù)

中圖分類號(hào)：TD67"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""" 文章編號(hào)：1674-0688（2024）01-0098-05

【作者簡(jiǎn)介】蔣海鵬，男，廣西桂林人，碩士，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)；蔣海洪，男，廣西桂林人，碩士，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)；黃偉寧，男，廣西玉林人，本科，研究方向：智能儀表；劉坷嘉，女，廣西南寧人，本科，工程師，研究方向：智慧水務(wù)。

【引用本文】蔣海鵬，蔣海洪，黃偉寧，等.基于AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的高精度電參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（1）：98-101，105.

0 引言

城市電網(wǎng)的不斷發(fā)展及電力系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提高，不僅對(duì)電力系統(tǒng)保護(hù)測(cè)控設(shè)備的電參數(shù)采集實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求越來越高，而且對(duì)其控制方式、測(cè)量范圍、抗干擾性等提出了更高的要求［1］。準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定地采集和監(jiān)測(cè)電力參數(shù)成為確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，輸入通道少、分辨率較低的AD（模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換）模塊已經(jīng)不能勝任單片機(jī)多通道同步采樣任務(wù)，例如32位單片機(jī)自帶的AD分辨率一般為10～12位，無法保證多通道同步采樣，而且內(nèi)置AD會(huì)占用單片機(jī)的內(nèi)核算力，導(dǎo)致采樣及計(jì)算的實(shí)時(shí)性不高；如果配合使用外部專用的電能芯片，雖然能保證單片機(jī)的采樣精度，但是其實(shí)時(shí)性得不到保證。因此，提升電參數(shù)精度和數(shù)據(jù)處理速度是解決以上問題的關(guān)鍵。肖李歡等［2］針對(duì)單片機(jī)內(nèi)部AD模塊分辨率低以及不能同步采樣的問題，以AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為核心，設(shè)計(jì)多通道采集系統(tǒng)，并測(cè)試分析AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片各通道的性能；王小進(jìn)等［3］利用AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的引腳特性及轉(zhuǎn)換時(shí)序，通過DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的GPIO（通用輸入/輸出）引腳編程實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制采樣，并通過外部中斷觸發(fā)讀取采樣數(shù)據(jù)，完成8通道數(shù)據(jù)的采集和處理。欒劍釗等［4］通過研究電參數(shù)測(cè)量原理，比較FFT（快速傅里葉變換）與DFT（離散傅里葉變換）算法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傅里葉變換在電參數(shù)計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文以AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片（以下簡(jiǎn)稱AD7606）為硬件核心、以離散傅里葉變換算法為軟件核心，設(shè)計(jì)一種高精度的電參數(shù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過精心設(shè)計(jì)的硬件電路和高效的軟件算法，可實(shí)現(xiàn)多通道電流和電壓信號(hào)的同步及跟隨采樣，解決電參數(shù)采集過程中常見的采樣精度不高、多通道信號(hào)采樣同步性差、計(jì)算精度不高及系統(tǒng)抗干擾能力不足等問題。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程

1.1 電壓調(diào)理電路

電壓調(diào)理電路采用電壓互感器降壓隔離的方式，將外部高電壓隔離轉(zhuǎn)換成低電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性；此外，電壓互感器良好的準(zhǔn)確性和線性度也能消除部分來自電網(wǎng)雜波的干擾，能在一定程度上保證測(cè)量精度。電壓調(diào)理電路原理圖如圖1所示，圖1中的UA、UB、UC、U0為交流A相、B相、C相及零序電壓輸入。以A相為例，對(duì)電壓調(diào)理電路原理進(jìn)行說明：A相交流220 V電壓接入后，首先經(jīng)過限流電阻R20、R21，將輸入電流轉(zhuǎn)換成2 mA，其次經(jīng)過一個(gè)電流型精密電壓互感器（變比為2 mA∶2 mA），實(shí)現(xiàn)其采樣信號(hào)的隔離，最后利用并聯(lián)采樣電阻R13，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)UAP（圖紙網(wǎng)絡(luò)連接標(biāo)號(hào)）輸出到AD7606。D13為TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）管，用于電路雙向過壓保護(hù)，C13電容，用于濾波，其采樣電阻[Rsam]的選取應(yīng)遵循以下原則：

[UinRlim ×Rsam ≤ A3]"""""""""""""""""""""" （1）

其中：[Uin]為輸入電壓有效值，[Rlim]為限流電阻阻值，A為AD輸入最大電壓幅值。其他各相的電壓調(diào)理原理與A相相同。

1.2 電流調(diào)理電路

電流調(diào)理電路的設(shè)計(jì)是將輸入的大電流通過電流互感器轉(zhuǎn)換成小電流，再通過采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出至AD7606采樣通道。電流互感器的抗干擾能力強(qiáng)，能降低外界干擾對(duì)電流信號(hào)采樣的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且其溫度特性好，能在不同溫度條件下保持較高的測(cè)量準(zhǔn)確性，工作范圍廣，可滿足不同頻率下的電流測(cè)量需求。電流調(diào)理電路原理圖如圖2所示。

圖2的電路中IA*、IB*、IC*、I0*表示電流輸入端，IAN、IBN、ICN、I0N表示電流輸出端，IAP、IBP、ICP、I0P表示電流采樣信號(hào)輸出端。電路中的電阻用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，TVS管用于線路電壓保護(hù)，電容用于濾波，如果濾波電容取值過大，會(huì)引起一定的相位偏移，因此濾波電容的大小不宜超過10 nf。采樣電阻[Rsam]的選取應(yīng)遵循以下原則：

[IinCT ×Rsam ≤ A3]"""""""""""""""""""" （2）

其中：[Iin]為輸入電流有效值，CT為互感器變比，A為AD7606通道輸入的最大電壓幅值。采樣電阻及電流互感器如果選型得當(dāng)，就可以采集瞬時(shí)超過100 A的電流，滿足20倍額定電流的采集需求。

1.3 AD7606硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 AD7606簡(jiǎn)介

AD轉(zhuǎn)換電路中選用的AD7606數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片是亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司生產(chǎn)的雙極性輸入、8通道同步采樣的16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC芯片），該芯片內(nèi)置模擬輸入鉗位保護(hù)電路、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源及高速串行和并行接口［5］。

AD7606采用5 V單電源供電，可處理±10 V和±5 V的真雙極性輸入信號(hào)，不用將外部帶有負(fù)半周的交流信號(hào)經(jīng)過復(fù)雜的電路調(diào)理成正極性信號(hào)輸入；芯片內(nèi)具有濾波和輸入高阻抗特性，不需要驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器和外部雙極性電源。同時(shí)，所有的通道均能以最高200 ksps的吞吐速率采樣。無論以何種采樣頻率工作，模擬輸入阻抗均為1 MΩ，輸入的鉗位保護(hù)電路可以耐受高達(dá)±16.5 V的電壓［6］。

1.3.2 AD7606引腳介紹

AD7606有并行和串行2種通信接口，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要選用不同的通信方式。圖3 為AD7606外圍電路及接口示意圖，其中V1～V8引腳連接模擬量輸入通道；PAR/SER引腳為通信模式選擇腳，接低電平選擇并行通信模式；DB0～DB15為并行數(shù)據(jù)位輸出引腳；RANGE引腳為模擬輸入電壓范圍選擇，接高電平設(shè)置所有通道的模擬輸入范圍為±10 V，接低電平的輸入范圍為±5 V；CONVST-A和CONVST-B為通道采樣啟動(dòng)控制引腳，引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，相應(yīng)模擬輸入的前端采樣電路設(shè)置為保持；RD/SCLK引腳選擇并行接口時(shí)，為并行數(shù)據(jù)讀取控制引腳；CS引腳表示片選信號(hào)輸入，為低電平時(shí)有效；BUSY引腳表示輸出繁忙，為高電平時(shí)表示所有通道轉(zhuǎn)換過程未完成，下降沿表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被鎖存至輸出數(shù)據(jù)寄存器中。REF SELECT引腳為內(nèi)/外部基準(zhǔn)電壓輸入選擇，為高電平時(shí)表示選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。

1.3.3 AD7606硬件配置及MCU連接

本設(shè)計(jì)采用的MCU（微控制器）為STM32F4系列單片機(jī)，工作電壓為3.3 V，為保持MCU的引腳電平與AD7606的引腳邏輯電平一致，VDRIVE引腳直接與3.3 V電源相連；此外，為提升數(shù)據(jù)傳輸效率，AD7606與MCU采用并行通信接口（見圖4），PAR/SER引腳接地；BUSY引腳接MCU具有外部中斷能力的引腳；為保持所有通道采樣一致并能調(diào)整采樣周期，將CONVST-A和CONVST-B引腳連接在一起并接到MCU具有PWM輸出的GPIO引腳；CS引腳接8080總線片選；RD引腳接8080總線讀信號(hào)；DB0～DB15依次接入MCU的8080總線數(shù)據(jù)位［7］。

在設(shè)計(jì)硬件PCB（進(jìn)程控制塊）時(shí)，針對(duì)AD轉(zhuǎn)換部分的電路，做了抗干擾處理，電流電壓輸入信號(hào)均采用互感器隔離采樣，外部輸入信號(hào)與采集系統(tǒng)完全隔離，并且?guī)VS保護(hù)鉗位，數(shù)字地與模擬地分開，8個(gè)模擬輸入通道中的接地腳全部接入模擬地AGND，數(shù)字地與模擬地采用單點(diǎn)接地方式連接，芯片電源輸入端均設(shè)置了去耦電容，增強(qiáng)了電路的抗干擾能力［8］。此外，DB0～DB15并行數(shù)據(jù)總線上均串聯(lián)了小阻值電阻，目的是減少總線上的信號(hào)反射和信號(hào)衰減，提升信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕岣呖偩€的抗干擾能力。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程

2.1 軟件采樣設(shè)計(jì)

根據(jù)AD7606手冊(cè)給出的時(shí)序圖，控制程序首先給復(fù)位引腳RESET一個(gè)不小于50 ns的高電平，將AD7606復(fù)位，其次給CONVST-A/B引腳一個(gè)低電平，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換過程中BUSY引腳變?yōu)楦唠娖?，轉(zhuǎn)換完成后，BUSY引腳變?yōu)榈碗娖?；此時(shí)，對(duì)AD7606進(jìn)行讀操作，就可讀取到轉(zhuǎn)換通道的16位數(shù)據(jù)。圖5為本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件采樣流程圖，在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先對(duì)MCU內(nèi)核進(jìn)行初始化，其次配置好MCU的各個(gè)外設(shè)功能模塊、定時(shí)器及引腳外部中斷，再次給AD7606一個(gè)復(fù)位信號(hào)將其復(fù)位，MCU控制PWM信號(hào)按一定的脈寬及頻率控制CONVST引腳啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，在BUSY引腳觸發(fā)外部中斷時(shí)，讀取8個(gè)通道的采樣值，如此反復(fù)執(zhí)行直到采樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到設(shè)置的數(shù)量，最后將采集到的所有數(shù)據(jù)取出進(jìn)行處理。

2.2 軟件數(shù)據(jù)處理

傅里葉變換（FFT）是一種數(shù)學(xué)工具，用于將一個(gè)信號(hào)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域。離散傅里葉變換（DFT）是傅里葉變換在離散數(shù)據(jù)集上的應(yīng)用，通常用于數(shù)字信號(hào)處理和其他數(shù)字計(jì)算應(yīng)用，DFT表達(dá)式如下：

[X（k） = n=0N?1X（n）×e?j2πNkn]""""""""""""""" （3）

其中：X（k）是頻率為[k/N] 的頻譜分量；X（n）是時(shí)域信號(hào)；N是信號(hào)的長(zhǎng)度。在軟件編程時(shí)，需注意對(duì)算法原理的理解，雖然在計(jì)算效率上FFT更高效，但是FFT對(duì)輸入數(shù)組的長(zhǎng)度有要求，必須是2的冪，而MCU時(shí)鐘配置時(shí)無法取整數(shù)，當(dāng)固定頻率采樣時(shí)的誤差累積到一定量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致采樣結(jié)果偏移，因此本設(shè)計(jì)采用DFT算法并進(jìn)行編程優(yōu)化。為了便于MCU時(shí)鐘配置，采樣頻率設(shè)置為4 k，即250 μs采樣一個(gè)點(diǎn)，一個(gè)工頻周期（50 Hz）采樣80個(gè)點(diǎn)，采樣滿80個(gè)點(diǎn)后將采樣通道內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸出去進(jìn)行處理。在計(jì)算電參數(shù)時(shí)，使用DFT變換處理采集到的離散瞬時(shí)值，將時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域信息。利用FFT的基本原理，根據(jù)公式計(jì)算出電流、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

在計(jì)算電流有效值時(shí)，對(duì)電流通道數(shù)組中80個(gè)點(diǎn)的離散瞬時(shí)值進(jìn)行傅里葉變換，得到電流通道基波電流復(fù)數(shù)振幅的實(shí)部與虛部，分別用[IR]和[II]表示，則輸入電流有效值[IRMS]的求取公式為

[IRMS = I2R+I2I]""""""""""""""""""""""""" （4）

同理，求取AD7606電壓輸入通道的電壓有效值[URMS]的公式為

[URMS = U2R+U2I]"""""""""""""""""""""""" （5）

單相的有功功率P及無功功率Q的計(jì)算方法為

[P = IR×UR + II×UI]"""""""""" """""""""""""""（6）

[Q = IR×UI ? II×UR]""""""""""""""""""""""""" （7）

視在功率S及功率因數(shù)[cosφ]的計(jì)算公式為

[S = P2+Q2]"""""""""""""""""""""""""""" （8）

[cosφ = PS]"""""""""""""nbsp;"""""""""""""""""" （9）

通過公式（4）至公式（9）即可計(jì)算出所需的基礎(chǔ)電參數(shù)。需要強(qiáng)調(diào)的是，采集的目標(biāo)信號(hào)頻率并不是長(zhǎng)時(shí)間保持不變的，而是存在一定的頻率波動(dòng)，如果目標(biāo)信號(hào)頻率發(fā)生了變化，采樣頻率沒有跟隨變化，就會(huì)造成采樣誤差，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了保證采樣精準(zhǔn)、可靠，消除采樣周期累計(jì)偏移的誤差及相位偏移，離散采樣時(shí)需要跟蹤采樣。MCU在獲取信號(hào)頻率后，根據(jù)頻率值確定每個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔，配置定時(shí)器的定時(shí)值，以此控制PWM保持AD7606采樣的頻率，系統(tǒng)通過這樣的方式根據(jù)信號(hào)頻率的變化實(shí)時(shí)調(diào)整AD7606的采樣頻率，實(shí)現(xiàn)跟隨采樣。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)完成軟件校準(zhǔn)后，使用繼保儀對(duì)系統(tǒng)輸出的三相電流、電壓及零序電流碼進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，比較系統(tǒng)計(jì)算出的轉(zhuǎn)換值與繼保儀輸出的真實(shí)值。表1為電壓、電路精準(zhǔn)度測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)8通道的電壓、電流測(cè)試數(shù)據(jù)，在不經(jīng)過多次計(jì)算取平均值濾波的情況下，僅用一個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣瞬時(shí)值進(jìn)行計(jì)算，本系統(tǒng)能將采樣精度誤差控制在0.2%以內(nèi)，由此可以推斷出功率、功率因數(shù)等電參數(shù)值的理論精度在0.5級(jí)以內(nèi)?？梢?，基于“AD7606+MCU”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)電參數(shù)的高精度采集及快速計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于AD7606的高精度電參數(shù)采集系統(tǒng)，結(jié)合電壓、電流調(diào)理電路，運(yùn)用合理的電路設(shè)計(jì)高效的軟件算法，以及利用頻率跟隨采樣的方式實(shí)現(xiàn)了8通道同步數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過離散傅里葉變換處理后，結(jié)合公式即可計(jì)算出電參數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于多通道、高精度的電參數(shù)采集場(chǎng)景，尤其適用于測(cè)控一體化保護(hù)、繼電保護(hù)等領(lǐng)域，為電參數(shù)監(jiān)測(cè)提供了可靠的解決方案。

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