多路交流異步采樣及DSP軟件校準(zhǔn)技術(shù)

1、多路交流異步采樣及dsp軟件校準(zhǔn)技術(shù) 本文介紹了一種在平臺(tái)下對(duì)多路溝通信號(hào)采樣時(shí)采納的一種異步采樣辦法。在對(duì)電力線路的和舉行測(cè)量時(shí)，為使測(cè)量值具有較高的精度，普通都采納溝通采樣技術(shù)。目前，比較常用的溝通采樣辦法是：在溝通信號(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。但因?yàn)橥粶y(cè)量裝置要同時(shí)對(duì)無(wú)數(shù)路電壓和電流量舉行采樣，而采樣所用的a/d的輸入又有限，不行能對(duì)電壓和電流量同時(shí)舉行采樣，所以，普通將全部的溝通通過(guò)多路開(kāi)關(guān)的切換依次送入a/d舉行采樣。因?yàn)椴杉{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

2、就會(huì)產(chǎn)生誤差，所測(cè)出的同一個(gè)溝通量的電壓值和電流值之間的相位也會(huì)產(chǎn)生誤差，假如不對(duì)相位實(shí)行一定的處理措施，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)的暗示圖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(kāi)關(guān)。接入多路開(kāi)關(guān)的信號(hào)ain1、ain2、ain15的切換由dsp通過(guò)來(lái)控制。多路開(kāi)關(guān)的輸出接電壓尾隨器，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芯片舉行采集處理。a/d可以選用公司的16位雙極性高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ltc1609。假如舉行n點(diǎn)傅立葉變換，應(yīng)當(dāng)在一個(gè)

3、周期內(nèi)等間隔勻稱采樣n個(gè)點(diǎn)。但假如以固定的時(shí)光間隔舉行采樣，當(dāng)電網(wǎng)中溝通信號(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)溝通信號(hào)周期的變幻，按照當(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)光為：tsmp=tac/ndsp將tsmp送給fpga，fpga經(jīng)過(guò)運(yùn)算，產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)：一個(gè)是采樣指令信號(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軟件出的smp與r/c信號(hào)的波形關(guān)系。當(dāng)smp信號(hào)到來(lái)時(shí)，表示新一輪采樣的開(kāi)頭。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)

4、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)濾除高次諧波之后存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)。當(dāng)a/d采納內(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(kāi)頭舉行a/d轉(zhuǎn)換，同時(shí)a/d開(kāi)頭將上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果向dsp發(fā)送。轉(zhuǎn)換開(kāi)頭后r/c必需在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

5、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)舉行迅速傅立葉變換，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。但事實(shí)上因?yàn)樾盘?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)果要舉行校準(zhǔn)處理?？梢杂靡粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)三相溝通電源，將它的輸出電壓調(diào)節(jié)為電壓100v、輸出電流調(diào)節(jié)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)指令，開(kāi)頭計(jì)算幅度和相位的校準(zhǔn)參數(shù)。幅度校準(zhǔn)假如有效值為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

6、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)=diaga1,a2,.,am和電流校正系數(shù)=diagb1,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)溝通電的相位關(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)方面舉行：一

7、方面要補(bǔ)償多個(gè)信號(hào)因?yàn)楫惒讲蓸釉斐傻南辔黄?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。3所示，假定在t時(shí)刻對(duì)一個(gè)信號(hào)采樣的結(jié)果如(a)所示，但假如延遲到t+dt采樣的話，其結(jié)果如(b)所示，(b)與(c)的相位是一樣的。通過(guò)對(duì)照可知，(c)的相位比(a)的相位超前，即，延遲采樣的結(jié)果會(huì)使相位超前。我們主要關(guān)懷溝通信號(hào)相位之間的相對(duì)關(guān)系，所以，以中間第8路信號(hào)ain8為基準(zhǔn)，其它信號(hào)的相位都向它校準(zhǔn)。那么第8路信號(hào)以前的信號(hào)的相位都是滯后的，而第8路以后的各信號(hào)的相位都是超前的。對(duì)于滯后的相位要加上一個(gè)校準(zhǔn)相位，對(duì)于超前的相位要減去一個(gè)校準(zhǔn)相位。所以，第i(i=1，2，.，15)路信號(hào)的基波

8、需要校準(zhǔn)的角度q為：qi=(8-i)×(trc/tac)×360o=(8-i)×g;設(shè)g=(trc/tac)×360o其中，tac是溝通的正常工頻周期20ms，trc是相鄰兩個(gè)r/c信號(hào)的間隔時(shí)光。諧波的校準(zhǔn)角度應(yīng)當(dāng)再乘以諧波次數(shù)，假設(shè)只計(jì)算到n次諧波，則可得第一組校準(zhǔn)參數(shù)為：其中，第i行代表第路信號(hào)的基波與各次諧波需要校準(zhǔn)的角度。假如利用傅氏算法求出信號(hào)的頻域表示，那么對(duì)它的相位補(bǔ)償角度后信號(hào)可表示經(jīng)過(guò)上述對(duì)相位的校正，全部的信號(hào)都相當(dāng)于在同一時(shí)刻被采樣。然后，再對(duì)各路信號(hào)校準(zhǔn)因?yàn)樵谛盘?hào)調(diào)理過(guò)程中造成的相位偏移。先求出各路信號(hào)基波的相位，然后將接入a相

9、的第1、4、7、10、13路信號(hào)基波的相位減去120度，將接入c相的第3、6、9、12、15路信號(hào)基波的相位加上120度。這樣各信任號(hào)之間就消退了本身固定的120度的相位差。這時(shí)候得到的“對(duì)照相位”是因?yàn)楦髀沸盘?hào)經(jīng)過(guò)的物理通道不同而產(chǎn)生的。仍以第8路信號(hào)為基準(zhǔn)，將各路信號(hào)的對(duì)照相位減去第8路信號(hào)的相位之后的值作為另一組相位校準(zhǔn)參數(shù)：最后將兩組相位校準(zhǔn)參數(shù)相加，即為終于的相位校準(zhǔn)參數(shù)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，利用對(duì)信號(hào)舉行相位校準(zhǔn)。仿真驗(yàn)證利用matlab工具以一路信號(hào)為例解釋對(duì)幅度的校準(zhǔn)辦法。假定有一包含有高斯白噪聲的正弦信號(hào)x=sin(2pft)+0.1×randn(1,n)，其中f=0.25，fs=1，n=64。randn()函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)均值為1呈正態(tài)分布的隨機(jī)信號(hào)。信號(hào)x的頻譜及64點(diǎn)采樣后的值4所示。通過(guò)對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的64點(diǎn)數(shù)據(jù)舉行fft運(yùn)算，利用公式求得信號(hào)的幅度值為ac=1.104。其中ar和ai分離是第次諧波的實(shí)部和虛部，n是計(jì)算中所用法到的最高諧波次數(shù)(n32，這里取n=16)。假如預(yù)先通過(guò)前面所述求得校準(zhǔn)系數(shù)a，就可以得到校準(zhǔn)后的幅度值。在這里，按照信號(hào)x是由幅值為1的正弦波和均值為0.1的加性高斯白噪聲組成的特點(diǎn)，由前面求校準(zhǔn)系數(shù)的公式，我們可以假定a=1/(1+0.1)=0.909，