本文介紹了一種在DSP平臺(tái)下對(duì)多路交流信號(hào)采樣時(shí)采用的一種異步采樣方法。
　　引言
　　在對(duì)電力線路的電壓和電流進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為使測(cè)量值具有較高的精度，一般都采用交流采樣技術(shù)。目前，比較常用的交流采樣方法是：在交流信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，等間隔采樣N點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后利用傅立葉變換，計(jì)算出基波及一些諧波的有效值，為衡量供電質(zhì)量通常還要求計(jì)算出各信號(hào)的相位。但由于同一測(cè)量裝置要同時(shí)對(duì)很多路電壓和電流量進(jìn)行采樣，而采樣所用的A/D的輸入又有限，不可能對(duì)電壓和電流量同時(shí)進(jìn)行采樣，所以，一般將所有的交流通過(guò)多路開關(guān)的切換依次送入A/D進(jìn)行采樣。由于采用的是異步采樣，所以同一個(gè)線路中的A、B、C三相之間的相位就會(huì)產(chǎn)生誤差，所測(cè)出的同一個(gè)交流量的電壓值和電流值之間的相位也會(huì)產(chǎn)生誤差，如果不對(duì)相位采取一定的處理措施，就不能有效的提高計(jì)算值的精度。
　　硬件系統(tǒng)
　　硬件系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。外部輸入的電壓電流經(jīng)過(guò)電壓互感器或電流互感器，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理，變換成小電壓信號(hào)，把這些小電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大處理之后送入模擬多路開關(guān)。接入多路開關(guān)的信號(hào)AIN1、AIN2、…AIN15的切換由DSP通過(guò)FPGA來(lái)控制。多路開關(guān)的輸出接電壓跟隨器，以降低信號(hào)源的輸出阻抗，保證得到較高的采集精度。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)由DSP芯片進(jìn)行采集處理。
　　
　　A/D可以選用Linear公司的16位雙極性高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC1609。
　　如果進(jìn)行N點(diǎn)傅立葉變換，應(yīng)該在一個(gè)周期內(nèi)等間隔均勻采樣N個(gè)點(diǎn)。但如果以固定的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，當(dāng)電網(wǎng)中交流信號(hào)頻率偏離50Hz時(shí)，所采集到的N個(gè)點(diǎn)就不一定恰好為一個(gè)周期的數(shù)據(jù)。所以，在本系統(tǒng)中，DSP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流信號(hào)周期的變化，根據(jù)當(dāng)前最新的周期值TAC計(jì)算出兩個(gè)采集點(diǎn)之間的間隔時(shí)間為：
　　TSMP=TAC/N
　　DSP將TSMP送給FPGA，F(xiàn)PGA經(jīng)過(guò)運(yùn)算，產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)：一個(gè)是采樣命令信號(hào)SMP、另一個(gè)是啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)R/C，這兩個(gè)信號(hào)都是低電平有效。圖2是用MAX-PLUS II軟件仿真出的SMP與R/C信號(hào)的波形關(guān)系。
　　
　　圖2 SMP和R/C的波形示意圖
　　當(dāng)SMP信號(hào)到來(lái)時(shí)，表示新一輪采樣的開始。SMP信號(hào)后緊跟15個(gè)R/C信號(hào)，依次負(fù)責(zé)對(duì)15路輸入信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。所以每一輪采樣可以對(duì)15路信號(hào)各采集一個(gè)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)64階有限沖激響應(yīng)濾波器濾除高次諧波之后存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)。
　　當(dāng)A/D采用內(nèi)部時(shí)鐘模式時(shí)，先將A/D的片選/CS置為低電平，在R/C信號(hào)的下降沿，A/D將當(dāng)前輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換為保持狀態(tài)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)A/D開始將上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果向DSP發(fā)送。轉(zhuǎn)換開始后R/C必須在1ms內(nèi)跳回至高電平，以確保輸出結(jié)果不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。本系統(tǒng)中，R/C信號(hào)的低電平持續(xù)0.5ms。兩個(gè)R/C信號(hào)的下降沿之間的間隔TRC設(shè)置為12ms，以保證A/D啟動(dòng)下一路轉(zhuǎn)換時(shí)當(dāng)前的轉(zhuǎn)換能夠結(jié)束，以及上一次轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送入DSP。
　　校準(zhǔn)
　　經(jīng)過(guò)N個(gè)SMP信號(hào)之后，DSP就為15路信號(hào)各收集了一個(gè)周波共點(diǎn)的數(shù)據(jù)。對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到各路信號(hào)的基波和若干次諧波所對(duì)應(yīng)的頻域值。從而可以求出有效值、相角等各個(gè)量。但實(shí)際上由于信號(hào)的幅度和相位經(jīng)過(guò)變換、濾波、放大、采樣、量化后處理時(shí)都要偏離理論值，所以，對(duì)于FFT運(yùn)算的結(jié)果要進(jìn)行校準(zhǔn)處理。
　　可以用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)三相交流電源，將它的輸出電壓調(diào)整為電壓100V、輸出電流調(diào)整為5A、頻率為50Hz、ABC三相各相差120度，然后將電壓電流信號(hào)接入系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的輸入端，通過(guò)上層軟件向DSP發(fā)送校準(zhǔn)命令，開始計(jì)算幅度和相位的校準(zhǔn)參數(shù)。
　　幅度校準(zhǔn)
　　如果有效值為100V、頻率為50Hz的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值大約在P左右，那么，我們就可以用P作為一個(gè)標(biāo)度，用它來(lái)代表100V。同樣，我們可以Q代表有效值為5A、頻率為50Hz的電流。
　　在校準(zhǔn)過(guò)程中，假定得到的m路電壓的有效值的數(shù)字量為=［V1，V2，。..Vm］，得到的電流的數(shù)字量為=［I1，I2，。..，I15-m］，則我們把它們通過(guò)一個(gè)電壓校正系數(shù)=diag［a1，a2，。..，am］和電流校正系數(shù)=diag［b1，b2，。..，b15-m］將其校正到標(biāo)度上去。即有如下公式：
　　可求得
　　ai=P/Vi，b=Q/Ij 其中i=1，2，…，m;j=1，2，…，15-m
　　在系統(tǒng)正常工作時(shí)，將得到的信號(hào)的幅度有效值乘以校準(zhǔn)系數(shù)可以得到比較精確的數(shù)值。
　　相位校準(zhǔn)
　　交流電的相位關(guān)系是反映供電質(zhì)量的比較重要的參數(shù)。相位校準(zhǔn)從兩個(gè)方面進(jìn)行：一方面要補(bǔ)償多個(gè)信號(hào)由于異步采樣造成的相位偏差;另一方面要校準(zhǔn)信號(hào)調(diào)理過(guò)程中造成的相位偏移。