三相電信號采集電路設計

摘要：本文設計了一種三相電信號采集電路，可以實現三相電壓／電流的六路同步采樣。A／D轉換芯片采用的是ADI公司產的A／D7656芯片。以鎖相環HEF4046和CD4060構成采樣的倍頻信號作為A／D轉換的控制信號，可以實現每周波動態等間距信號采集。本電路的輸出接口電壓可以根據需要調整為3.3v或者5v，直接與DSP或MCU相連。

關鍵詞：三相電；A／D7656；硬件同步采樣；HEF4046

引言

當前，電力電子裝置和非線性設備的廣泛應用，使得電網中的電壓、電流波形發生畸變、電能質量受到嚴重影響和威脅；同時，各種高性能家用電器、辦公設備、精密試驗儀器、精密生產過程的自動控制設備等對供電質量敏感的用電設備不斷普及對電力系統供電質量的要求越來越高，電能質量問題成為近年來各個方面關注的焦點：電能質量監測是當前國際上的一個研究熱點，有必要對三相電信號進行高精度采集，便于進一步分析控制，提高電能質量。對電力參數的采樣方法主要有兩種、即直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法采樣的是整流變換后的直流量，軟件設計簡單、計算方便，但測量精度受整流電路的影響，調整困難。交流采樣法則是按一定規律對被測信號的瞬時值進行采樣，再按一定算法進行數值處理，從而獲得被測量，因而較之直流采樣法更易獲得高精度、高穩定性的測量結果。

三相電信號采集電路設計

三相電信號采集電路框架

三相電信號采集電路的框架如圖1所示。三相電壓電流信號經過電壓電流互感器轉換為較低的電壓信號。其中A相的電壓信號經過波形調整成為頻率與A相電壓信號相同的方波信號，用于測量頻率。同時將轉換后方波頻率信號進行頻率的整數倍放大作為A／D轉換的控制信號。經過六路互感器降壓后，將信號送入AD7656進行A／D轉換，轉換完的數字信號就可以供于DSP／MCU進行數據分析。

電壓電流互感器的選用

電壓／電流互感器均采用湖北天瑞電子有限公司TR系列檢測用電壓輸出型變換器。電壓互感器采用檢測用電壓輸出型電壓變換器TR1102-1C，如圖2為其結構圖，規格為300V／7.07V，非線性度比差<+／-0.1％，角差<=+／-5分。電流互感器采用檢測用電壓輸出型電流變換器TR0102-2C，規格為5A／7.07V，非線性度比差<+／-0.1％，角差<=+／-5分。

電源電路

AD7656共有兩種模擬信號輸入模式、一是模擬輸入信號為二倍的參考電壓(2.5V)即+／-5V之間，另一種是四倍的參考電壓即+／-10V之間。為提高采樣的精度，本電路采用輸入信號為+／-10V之間，因此需要+／-10V～+／-16.5V之間電源供電。AD7656同時需要5V的AVCC和DVCC電源及3.3V的接口電壓電源VDRIVE(也可以是5V，可根據需要進行調整)。因此，該電路共需要+／-10V～+／-16.5V，5V，3.3V三種電壓。電源電路共采用三種電源芯片7805，REG1117-3.3V，和MAX865。外用直流變壓器產生約15V的直流電源，接入7805經電容濾波調理、輸出5V電壓。AD7656的AVCC和DVCC可接受電源極限為7V。7805產生的電壓作為施密特觸發器的電源，故接入的頻率信號經處理后為0到3.3V之間的方波信號。7805產生的電壓接入REG1117-3.3V，REG1117-3.3V產生的電壓直接接入AD7656的VDRIVE。MAX865是一種高效電荷泵，能夠用一種直流電壓輸入，產生2倍的正負兩種電壓。輸入電壓的范圍為1.5～6v之間，7856產生的5V電壓接入MAX865產生+／-10V。

頻率調整電路

交流電力參數的頻率并不是固定不變的，電力系統的頻率有一定的波動范圍，特別對小功率供電系統，其供電電網的信號頻率將隨負載有較大范圍內的波動。頻率波形調理電路如圖4，A相電壓信號經互感器轉換成+／-7.07V左右的正弦電壓信號V1。為了不影響輸入信號V1的波形，先使用電壓跟隨器將V1引入調理電路。因電壓跟隨器的輸入信號為+／-7.07V之間，故需要采用+／-10V為供電電源的運算放大器。D1對采入的信號進行整流，使輸入信號只有正半波，負半波為0。D2為5.01V穩壓管，限制輸入到施密特觸友器7414，如果需要接口電壓為+5V，也可采用施密特觸發器HCC40106BF。

鎖相倍頻電路

電網的頻率在正常情況下是在一定范圍內變化、采取硬件鎖相倍頻的方法能夠實現每周期內采樣的等間隔，提高采樣的準確性，電路原理圖如圖5。鎖相環HEF4046的6、7管腳必須外接振蕩電容：11、12管腳必須外接振蕩電阻。這是因為在鎖相環HEF4046的內部采用RC型壓控振蕩器，必須外接電阻和電容作為充放電元件。其內部的VCO是一個電流控制振蕩器，對定時電容的充電電流與從9腳輸入的控制電壓成正比，使得VCO的振蕩頻率也正比于該控制電壓。13腳接電容和電阻起濾波作用。R1和C1決定了VCO的頻率范圍，再結合CD4060電路一起實現鎖相倍頻的功能，頻率的放大倍數可以接在CD4060的Q4～Q14不同管角上加以選擇VCO OUT接入A／D轉換CONVST口控制采樣。

A／D轉換電路

AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC，它具有每通道達250kSPS的采樣率，并且在片內包合一個2.5V內部基準電壓源和基準緩沖器。AD7656的電源包括AVCC、DVCC、VDD、VSS和VDRIVE。AVCC和DVCC分別為模擬電源和數字電源，范圍為4.75～5.25V。VDD／VSS為采集到的模擬信號部分的供電電源，范圍為+／-5V到+／-16.5V之間。AD7656允許的模擬輸入信號有兩種量程，一種是輸入信號為+／-5V之間，另外一種為+／-10V之間。為提高采樣的精度，采用輸入信號范圍為+／-10V之間的電路接法。因此VDD／VSS至少為+／-10V。RANGE口決定的模擬信號輸入的范圍，當RANGE接地時，輸入范圍為4倍的參考電壓(2.5V)，當RANGE接VDRIVE時，模擬輸入范圍為2倍的參考電壓，因此RANGE信號端接地。參考電壓采用的是內部參考電壓。AD7656和DSP之間的通信采用并口方式。片選信號CS接地，始終保持接通。始終保持AD7656運行，STBY直接接VDRIVE。AD與DSP之間采用的是16位并口進行數據傳輸，所以SER／PAR，H／S，W／B均接地。為完成六路信號同步采樣，故A／D轉換通道控制開關CONVSTA，B，C連接到一起。所有的數字電源，模擬電源，接口驅動電壓等電源，均通過兩個電容(100nF／／10μF)并聯后與就近的地連接去耦。

總結

該電路采樣精度高，可根據電網頻率變化，實時實現對每一周波的等間隔采樣。通過同時控制A／D7656的CONVST轉換開關，實現三相電壓電流六路信號的同步采樣，輸出為16位數字信號?？筛鶕煌膽铆h境采用不同的接口電壓，另外在DSP／MCU數字接口有限的情況下，A／D7656也可以采用SPI通訊，或僅用8位數字并口，傳輸16位的數字信號。