微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)-楊奇遜

1、緒論一、計(jì)算機(jī)在繼電保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用和開(kāi)展概況電子計(jì)算機(jī)特別是微型計(jì)算機(jī)以下簡(jiǎn)稱(chēng)微型機(jī)技術(shù)開(kāi)展很快,其應(yīng)用已廣泛而深入地影響著科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)和生活等各個(gè)領(lǐng)域.它使各行業(yè)的面貌發(fā)生了巨大的,往往是質(zhì)的變化,繼電保護(hù)技術(shù)也不例外.在繼電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域,除了離線(xiàn)地應(yīng)用計(jì)算機(jī)作故障分析和繼電保護(hù)裝置的整定計(jì)算、動(dòng)作行為分析外,60年代末期已提出用計(jì)算機(jī)構(gòu)成保護(hù)裝置的建議.最早的兩篇幾乎同時(shí)發(fā)表的關(guān)于計(jì)算機(jī)保護(hù)的研究報(bào)告1,2,揭示了它的巨大潛力,引起了世界各國(guó)繼電保護(hù)工作者的興趣.在70年代,掀起了研究熱潮,僅公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)論文就有200余篇3,在此期間提出了各種不同的算法原理和分析方法.但是限于計(jì)算機(jī)

2、硬件的制造水平以及價(jià)格過(guò)高,故當(dāng)時(shí)還不具備商業(yè)性地生產(chǎn)這類(lèi)保護(hù)裝置的條件.早期的研究工作是以小型計(jì)算機(jī)為根底的,出于經(jīng)濟(jì)上的考慮,曾試圖用一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)電氣設(shè)備或整個(gè)變電站的保護(hù)功能.這種想法使可靠性難以得到保證,由于一旦當(dāng)該臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障,所有的被保護(hù)設(shè)備都將失去保護(hù),同時(shí),根據(jù)當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的接口條件和內(nèi)部資源來(lái)說(shuō),也無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種設(shè)想.到了70年代末期,出現(xiàn)了一批功能足夠強(qiáng)的微型機(jī),價(jià)格也大幅度降低,因而無(wú)論在技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上,已具備用一臺(tái)微型機(jī)來(lái)完成一個(gè)電氣設(shè)備保護(hù)功能的條件.甚至為了增加可靠性,還可以設(shè)置多重化的硬件,用幾臺(tái)微型機(jī)互為備用地構(gòu)成一個(gè)電氣設(shè)備的保護(hù)裝置,從而大大提

3、升了可靠性.美國(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)IEEE的教育委員會(huì)在1979年曾組織過(guò)一次世界性的計(jì)算機(jī)保護(hù)研究班其講義有中譯本4.這個(gè)研究班之后,世界各大繼電器制造商都先后推出了各種定型的商業(yè)性微機(jī)保護(hù)裝置產(chǎn)品.由于微機(jī)保護(hù)裝置具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),這些產(chǎn)品問(wèn)世后很快受到用戶(hù)的歡送.國(guó)內(nèi)在微型機(jī)保護(hù)方面的研究工作起步較晚,但進(jìn)展卻很快.1984年國(guó)內(nèi)第一套微機(jī)距離保護(hù)樣機(jī)在經(jīng)過(guò)試運(yùn)行后,通過(guò)了科研鑒定5.1986年,全國(guó)第一臺(tái)微機(jī)高壓線(xiàn)路保護(hù)裝置研制成功,并在遼寧省遼陽(yáng)供電局投入試運(yùn)行.為了檢驗(yàn)微機(jī)高壓線(xiàn)路保護(hù)在實(shí)際短路情況下的動(dòng)作行為,河北省電力局還于1987年9月26日在邯鄲供電局下屬的店頭變電站

4、和王鳳變電站之間進(jìn)行了一次人工短路試驗(yàn),試驗(yàn)說(shuō)明：微機(jī)保護(hù)動(dòng)作可靠、迅速,抗弧光電阻水平強(qiáng),測(cè)距較為準(zhǔn)確.隨即,河北省電力局在石家莊、定州、保定之間的兩條雙回線(xiàn)上全部采用了微機(jī)保護(hù).經(jīng)過(guò)研究、制造人員和東北電管局、河北省電力局及繼電保護(hù)領(lǐng)域許多技術(shù)人員的積極配合與共同努力下,微機(jī)保護(hù)很快就進(jìn)入了推廣和應(yīng)用階段,翻開(kāi)了國(guó)內(nèi)微機(jī)保護(hù)應(yīng)用的新篇章.經(jīng)過(guò)十幾年的研究、應(yīng)用、推廣與實(shí)踐,現(xiàn)在,新投入使用的高中壓等級(jí)繼電保護(hù)設(shè)備幾乎均為微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品,繼電保護(hù)領(lǐng)域的研究部門(mén)和制造廠(chǎng)家已經(jīng)完全轉(zhuǎn)向進(jìn)行微機(jī)保護(hù)的研究與制造,出現(xiàn)了百花齊放、百家爭(zhēng)鳴的競(jìng)爭(zhēng)與開(kāi)展共存的良好局面.與此同時(shí),在微機(jī)保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)

5、結(jié)合后,變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)也已經(jīng)在全國(guó)電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,將保護(hù)、測(cè)量、限制、錄波、監(jiān)視、通訊、調(diào)節(jié)、報(bào)表和防誤操作等多種功能融為一體,為電力系統(tǒng)的平安、穩(wěn)定和可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定了根底,為電網(wǎng)高質(zhì)量的電能傳輸和供電提供了良好的技術(shù)保證,也為變電站實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人值班創(chuàng)造了必要的條件.預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi),微機(jī)保護(hù)將朝著高可靠性、簡(jiǎn)便性、開(kāi)放性、通用性、靈活性和網(wǎng)絡(luò)化、智能化、模塊化、動(dòng)作過(guò)程透明化方向開(kāi)展,并可以方便地與電子式互感器、光學(xué)互感器195,220實(shí)現(xiàn)連接,同時(shí),要跳出傳統(tǒng)的“繼電器概念,充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、數(shù)據(jù)處理水平、通信水平和硬件集成度不斷提升等各方面的

6、優(yōu)勢(shì),結(jié)合模糊理論、自適應(yīng)原理、行波原理、小波技術(shù)和波形特征等,設(shè)計(jì)出性能更為優(yōu)良和維護(hù)工作量更少的微機(jī)保護(hù)設(shè)備.二、微機(jī)繼電保護(hù)裝置的特點(diǎn)1 .維護(hù)調(diào)試方便在微機(jī)保護(hù)應(yīng)用之前,整流型或晶體管型繼電保護(hù)裝置的調(diào)試工作量很大,尤其是一些復(fù)雜的保護(hù),例如超高壓線(xiàn)路的保護(hù)設(shè)備,調(diào)試一套保護(hù)常常需要一周,甚至更長(zhǎng)的時(shí)間.究其原因,這類(lèi)保護(hù)裝置都是布線(xiàn)邏輯的,保護(hù)的每一種功能都由相應(yīng)的硬件器件和連線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn).為確認(rèn)保護(hù)裝置是否完好,就需要把所具備的各種功能都通過(guò)模擬試驗(yàn)來(lái)校核一遍.微機(jī)保護(hù)那么不同,它的硬件是一臺(tái)計(jì)算機(jī),各種復(fù)雜的功能是由相應(yīng)的軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的.換言之,它是用一個(gè)只會(huì)做幾種單調(diào)的、簡(jiǎn)單操作

7、如讀數(shù),寫(xiě)數(shù)以及簡(jiǎn)單的運(yùn)算的硬件,配以軟件,把許多簡(jiǎn)單操作組合而完成各種復(fù)雜功能的.因而只要用幾個(gè)簡(jiǎn)單的操作就可以檢驗(yàn)微機(jī)的硬件是否完好.或者說(shuō)如果微機(jī)硬件有故障,將會(huì)立即表現(xiàn)出來(lái).如果硬件完好,對(duì)于已成熟的軟件,只要程序和設(shè)計(jì)時(shí)一樣這很容易檢查,就必然會(huì)到達(dá)設(shè)計(jì)的要求,用不著逐臺(tái)做各種模擬試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)每一種功能是否正確.實(shí)際上如果經(jīng)檢查,程序和設(shè)計(jì)時(shí)的完全一樣,就相當(dāng)于布線(xiàn)邏輯的保護(hù)裝置的各種功能已被檢查完畢.第四章將介紹微機(jī)保護(hù)裝置具有很強(qiáng)的自診斷功能,對(duì)硬件各局部和程序包括功能、邏輯等不斷地進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)異常就會(huì)發(fā)出警報(bào).通常只要給上電源后沒(méi)有警報(bào),就可確認(rèn)裝置是完好的.所以對(duì)微機(jī)

8、保護(hù)裝置可以說(shuō)幾乎不用調(diào)試,從而可大大減輕運(yùn)行維護(hù)的工作量.2 .可靠性高計(jì)算機(jī)在程序指揮下,有極強(qiáng)的綜合分析和判斷水平,因而它可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)保護(hù)很難辦到的自動(dòng)糾錯(cuò),即自動(dòng)地識(shí)別和排除干擾,預(yù)防由于干擾而造成誤動(dòng)作.另外它有自診斷水平,能夠自動(dòng)檢測(cè)出本身硬件的異常局部,配合多重化可以有效地預(yù)防拒動(dòng),因此可靠性很高.目前,國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)與制造的微機(jī)保護(hù)均根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容試驗(yàn)EMC來(lái)考核,進(jìn)一步保證了裝置的可靠性.3 .易于獲得附加功能應(yīng)用微型機(jī)后,如果配置一個(gè)打印機(jī),或者其它顯示設(shè)備,或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到后臺(tái)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),可以在電力系統(tǒng)發(fā)生故障后提供多種信息.例如保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和各局部的動(dòng)作順序記錄,

9、故障類(lèi)型和相別及故障前后電壓和電流的波形記錄等.對(duì)于線(xiàn)路保護(hù),還可以提供故障點(diǎn)的位置測(cè)距.這將有助于運(yùn)行部門(mén)對(duì)事故的分析和處理.4 .靈活性大由于微機(jī)保護(hù)的特性主要由軟件決定不同原理的保護(hù)可以采用通用的硬件,因此只要改變軟件就可以改變保護(hù)的特性和功能.從而可靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化.5 .保護(hù)性能得到很好改善由于微型機(jī)的應(yīng)用,使很多原有型式的繼電保護(hù)中存在的技術(shù)問(wèn)題,可找到新的解決辦法.例如對(duì)接地距離保護(hù)的允許過(guò)渡電阻的水平,距離保護(hù)如何區(qū)別振蕩和短路,大型變壓器差動(dòng)保護(hù)如何識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障等問(wèn)題都已提出了許多新的原理和解決方法.可以說(shuō),只要找出特征的區(qū)別方案,微機(jī)保護(hù)根本上都能

10、予以實(shí)現(xiàn).第一章微型機(jī)保護(hù)的硬件原理1-1概述微型機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件一般包括以下三大局部.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或稱(chēng)模擬量輸入系統(tǒng)包括電壓形成、模擬濾波、采樣保持S/H、多路轉(zhuǎn)換MPX以及模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D等功能塊,完成將模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為所微型機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字量.2微型機(jī)主系統(tǒng)包括微處理器MPU、只讀存儲(chǔ)器ROM或閃存內(nèi)存FLASH、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、定時(shí)器、并行接口以及串行接口等.微型機(jī)執(zhí)行編制好的程序,對(duì)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至RAM區(qū)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,完成各種繼電保護(hù)的測(cè)量、邏輯和限制功能.3開(kāi)關(guān)量或數(shù)字量輸入/輸出系統(tǒng)由微型機(jī)的并行接口PIA或PIO、光電隔離器件及有觸點(diǎn)的中間繼電器等

11、組成,以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號(hào)警報(bào)、外部觸點(diǎn)輸入、人機(jī)對(duì)話(huà)及通訊等功能.圖11為一種典型的硬件結(jié)構(gòu)示意框圖.目前,隨著集成電路技術(shù)的不斷開(kāi)展,已有許多單一芯片將微處理器MPU、只讀存儲(chǔ)器EPROM隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D、并行接口適配器PIO、閃存單元FLASH、數(shù)字信號(hào)處理單元DSPDigitalSignalProcessor、通訊接口等多種功能集成于一個(gè)芯片內(nèi),構(gòu)成了功能齊全的單片微型機(jī)系統(tǒng),為微機(jī)保護(hù)的硬件設(shè)計(jì)提供了更多的選擇.其中,還出現(xiàn)了芯片對(duì)外連線(xiàn)已沒(méi)有了任何數(shù)據(jù)、地址和限制總線(xiàn)的微型機(jī),實(shí)現(xiàn)了“總線(xiàn)不出芯片的設(shè)計(jì),這種芯片的應(yīng)用將有利于提升微機(jī)保護(hù)設(shè)備的可

12、靠性和抗干擾性能.在集成電路技術(shù)飛速開(kāi)展、單芯片功能越來(lái)越強(qiáng)的情況下,本書(shū)不對(duì)微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、微限制器等幾個(gè)概念進(jìn)行界定,而統(tǒng)一稱(chēng)為微型機(jī),或沿用CPU的簡(jiǎn)稱(chēng).由于介紹微型機(jī)方面的書(shū)籍很多,讀者可自行參考,所以,本書(shū)只分別介紹除微型機(jī)主系統(tǒng)以外的各子系統(tǒng)的電路構(gòu)成原理及其設(shè)計(jì)原那么.1-2模擬量輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、電壓形成回路微機(jī)保護(hù)模擬量的設(shè)置應(yīng)以滿(mǎn)足保護(hù)功能為根本準(zhǔn)那么,輸入的模擬量與計(jì)算方法結(jié)合后,應(yīng)能夠反響被保護(hù)對(duì)象的所有故障特征.以高壓線(xiàn)路保護(hù)和三卷變壓器差動(dòng)保護(hù)為例,由于高壓線(xiàn)路保護(hù)一般具備了全線(xiàn)速動(dòng)保護(hù)如高頻保護(hù)或光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)、零序保護(hù)和重合閘的功能,所

13、以,模擬量一般設(shè)置為Ia、Ib、Ic、3I0、Ua、UbUc、Ux共8個(gè)模擬量,其中,Ia、Ib、Ic、3I0、Ua、UbUc用于構(gòu)成保護(hù)的功能,Ux為斷路器的另一側(cè)電壓,用于實(shí)現(xiàn)重合閘功能；對(duì)于三卷變壓器的差動(dòng)保護(hù),至少應(yīng)該接入三側(cè)的三相電流,共9個(gè)模擬量.微機(jī)保護(hù)要從被保護(hù)的電力線(xiàn)路或設(shè)備的電流互感器、電壓互感器或其它變換器上取得信息,但這些互感器的二次數(shù)值、輸入范圍對(duì)典型的微機(jī)電路卻不適用,故需要降低和變換.在微機(jī)保護(hù)中,通常根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍的要求,將輸入信號(hào)變換為土5V或±10V的電壓信號(hào).因此,一般采用中間變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)以上的變換.交流電壓信號(hào)可以采用電壓變換器；而將交

14、流電流信號(hào)變換為成比例的電壓信號(hào),可以采用電抗變換器或電流變換器,二者各有優(yōu)缺點(diǎn).1 .電抗變換器具有阻止直流、放大高頻分量的作用,因此當(dāng)一次流過(guò)非正弦電流時(shí),其二次電壓波形將發(fā)生嚴(yán)重的畸變,這是所不希望的.電抗變換器的優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)性范圍較大,鐵芯不易飽和,有移相作用,另外,其抑制非周期分量的作用在某些應(yīng)用中也可能成為優(yōu)點(diǎn).2 .電流變換器最大優(yōu)點(diǎn)是,只要鐵芯不飽和,那么其二次電流及并聯(lián)電阻上的二次電壓的波形可根本保持與一次電流波形相同且同相,即它的傳變可使原信息不失真.這點(diǎn)對(duì)微機(jī)保護(hù)是很重要的,由于只有在這種條件下作精確的運(yùn)算或定量分析才是有意義的.至于移相、提取某一分量或抑制某些分量等,在微機(jī)

15、保護(hù)中,根據(jù)需要可以容易地通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn).電流中間變換器的缺點(diǎn)是,在非周期分量的作用下容易飽和,線(xiàn)性度較差,動(dòng)態(tài)范圍也較小,這在設(shè)計(jì)和使用中應(yīng)予以注意.綜合比較電抗變換器和電流變換器的優(yōu)缺點(diǎn)后,在微機(jī)保護(hù)中,一般采用電流變換器將電流信號(hào)變換為電壓信號(hào),當(dāng)然,也有采用電抗變換器的.采用電流變換器時(shí),連接方式如圖12所示.圖中,Z為模擬低通濾波器及A/D輸入端等回路構(gòu)成的綜合阻抗,在工頻信號(hào)條件下,該綜合阻抗的數(shù)值可達(dá)80KQ以上；RLH為電流變換器二次側(cè)的并聯(lián)電阻,數(shù)值為幾歐姆到十幾歐姆,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Z.由于RLH與Z的數(shù)值差異很大,所以,由圖12可得：于是,在設(shè)計(jì)時(shí),相關(guān)參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：式11

16、和12中,RLH并聯(lián)電阻；nLH為電流變換器的變比；ilmax為電流變換器原邊電流的最大瞬時(shí)值；Umax為A/D轉(zhuǎn)換器在雙極性輸入情況下的最大正輸入范圍,例如A/D的輸入范圍為土5V,那么Umax=5V.通常,在中間變換器的原邊和副邊之間,應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)屏蔽層,并將屏蔽層可靠地與地網(wǎng)連接,以便提升交流回路抗共模干擾的水平.在共模干擾情況下差模和共模干擾的示意圖參閱圖41,等效電路如圖13所示,其中,C1、C2為變換器兩側(cè)與屏蔽層之間的等效電容,ZL為交流輸入傳輸導(dǎo)線(xiàn)的等效阻抗,Zf為設(shè)備對(duì)地的等效阻抗,Zg為接地阻抗一般要求Zg小于0.5a.由于Zg很小,所以,由電路的根本分析可以知道,共模干擾信

17、號(hào)對(duì)變換器二次側(cè)的影響得到了極大的抑制.這樣,這些中間變換器還起到屏蔽和隔離的作用,可提高交流回路的可靠性.順便指出,在一些需要采集直流信號(hào)的場(chǎng)合,通常采用霍爾元件實(shí)現(xiàn)變換和隔離.二、采樣保持電路和模擬低通濾波器一S/H電路的作用及原理S/HSample/Hold電路的作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值,并在模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間內(nèi)保持其輸出不變.S/H電路的工作原理可用圖1 4a來(lái)說(shuō)明.它由一個(gè)電子模擬開(kāi)關(guān)AS保持電容Ch以及兩個(gè)阻抗變換器組成.模擬開(kāi)關(guān)AS受邏輯輸入端的電平限制,該邏輯輸入就是采樣脈沖信號(hào).在邏輯輸入為高電平時(shí)AS閉合,此時(shí),電路處于采樣狀態(tài).C

18、h迅速充電或放電到usr在采樣時(shí)刻白電壓值.AS的閉合時(shí)間應(yīng)滿(mǎn)足使Ch有足夠的充電或放電時(shí)間即采樣時(shí)間,顯然希望采樣時(shí)間越短越好.這里,應(yīng)用阻抗變換器I的目的是,它在輸入端呈現(xiàn)高阻抗,對(duì)輸入回路的影響很?。欢敵鲎杩购艿?使充放電回路的時(shí)間常數(shù)很小,保證Ch上的電壓能迅速跟蹤到usr在采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值.AS翻開(kāi)時(shí),電容Ch上保持住AS閉合時(shí)刻的電壓,電路處于保持狀態(tài).同樣,為了提高保持水平,電路中應(yīng)用了另一個(gè)阻抗變換器n,它在Ch側(cè)呈現(xiàn)高阻抗,使Ch對(duì)應(yīng)充放電回路的時(shí)間常數(shù)很大,而輸出阻抗usc側(cè)很低,以增強(qiáng)帶負(fù)載水平.阻抗變換器I和n可由運(yùn)算放大器構(gòu)成.圖l4b中,TC稱(chēng)為采樣脈沖寬度,TS

19、稱(chēng)為采樣間隔或稱(chēng)采樣周期.采樣保持的過(guò)程如圖l4b所示.由微型機(jī)限制內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)等間隔的采樣脈沖,如圖中的“采樣脈沖,用于對(duì)“信號(hào)模擬量進(jìn)行定時(shí)采樣,從而得到反映輸入信號(hào)在采樣時(shí)刻的信息,即圖中的“采樣信號(hào),隨后,在一定時(shí)間內(nèi)保持采樣信號(hào)處于不變的狀態(tài),以便進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.二對(duì)采樣保持電路的要求高質(zhì)量的采樣保持電路應(yīng)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn).1） Ch上電壓按一定的精度如誤差小于0.1%跟蹤上usr所需要的最小采樣寬度Tc或稱(chēng)為截獲時(shí)間,對(duì)快速變化的信號(hào)采樣時(shí),要求Tc盡量短,以便可用很窄的采樣脈沖,這樣才能更準(zhǔn)確地反映某一時(shí)刻的usr值.2保持時(shí)間要長(zhǎng).通常用下降率必來(lái)表示保持水平.Ts-Tc3模

20、擬開(kāi)關(guān)的動(dòng)作延時(shí)、閉合電阻和開(kāi)斷時(shí)的漏電流要小.上述1和2兩個(gè)指標(biāo)一方面決定于圖14a中所用阻抗變換器的質(zhì)量,另一方面也和電容器Ch的容量有關(guān).就截獲時(shí)間來(lái)說(shuō),希望Ch越小越好,但必須遠(yuǎn)大于雜散電容；就保持時(shí)間而言,Ch大一些更有利.因此設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)合的特點(diǎn),在二者之間權(quán)衡后,選擇適宜的Ch值,同時(shí),要求選擇漏電流小的Ch電容.下面通過(guò)圖l5所示的一種典型采樣保持器的特性曲線(xiàn),進(jìn)一步說(shuō)明采樣保持電路的性能與電容Ch大小的關(guān)系.由圖l5可見(jiàn),Ch不宜用太小的值,這不僅由于保持水平隨Ch下降而下降圖中曲線(xiàn)1,還由于Ch和采樣脈沖輸入電路之間不可預(yù)防地會(huì)通過(guò)一定的分布電容產(chǎn)生耦合.因而,從采樣

21、狀態(tài)轉(zhuǎn)到保持狀態(tài)的瞬間,采樣脈沖由高電平變到低電平,這種電平的跳變可能要通過(guò)分布電容的耦合影響Ch的保持值,由于這種原因造成的誤差叫保持跳變誤差holdstep.不難理解,Ch值越小,保持跳變誤差越大圖中的曲線(xiàn)2.對(duì)微機(jī)保護(hù)來(lái)說(shuō),通常可選用Ch=0.0l?F,此時(shí)從曲線(xiàn)l可見(jiàn),保持下降率約為2mVZs,完全可以忽略以后將看到保護(hù)系統(tǒng)的采樣間隔一般不大于2ms,而到達(dá)0.1%的采樣跟蹤精度所需的最小截獲時(shí)間約為20S,僅相當(dāng)于工頻的0.36o,這是完全允許的.應(yīng)當(dāng)說(shuō),隨著集成電路技術(shù)的開(kāi)展,最小截獲時(shí)間可以大大縮小.目前,已有將整個(gè)采樣保持電路集成在一塊芯片上的器件,但其中不包括采樣電容Ch需外

22、接,一方面是由于用集成電路構(gòu)成電容困難,另一方面是為了增加設(shè)計(jì)的靈活性.可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,選用不同容量的電容Ch圖16就是一種型號(hào)為L(zhǎng)F-398的采樣保持電路芯片的原理圖.其他型號(hào)采樣保持器的工作原理大同小異.電路主要由兩只高性能的運(yùn)算放大器A1、A2構(gòu)成的跟隨器組成.其中A2是典型的跟隨器接法,其反相端直接與輸出端相連.由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)極高,兩個(gè)輸入端之間的電位差實(shí)際上為零,所以輸出端對(duì)地電壓能跟蹤上輸入端對(duì)地電壓,也就是保持電容Ch兩端的電壓.A1的接法和A2實(shí)質(zhì)相同,在采樣狀態(tài)AS接通時(shí),A1的反相輸入端從A2輸出端經(jīng)電阻R獲得負(fù)反響,使輸出跟蹤輸入電壓.在AS斷開(kāi)后的保

23、持階段,雖然模擬量輸入仍在變化,但A2的輸出電壓卻不再變化,這樣,A1不再能從A2的輸出端獲得負(fù)反饋,為此,在A1的輸出端和反相輸入端之間跨接了兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管,直接從A1的輸出端經(jīng)過(guò)二極管獲得負(fù)反響,以預(yù)防A1進(jìn)入飽和區(qū),同時(shí),配合電阻R起到隔離第二級(jí)輸出與第一級(jí)的聯(lián)系.跟隨器的輸入阻抗很高達(dá)1010,輸出阻抗很低最大6Q,因而A1對(duì)輸入信號(hào)usr來(lái)說(shuō)是高阻,而在采樣狀態(tài)時(shí),對(duì)電容Ch為低阻充放電,故可快速采樣.又由于A2的緩沖和隔離作用,使電路有較好的保持性能.圖l6b中的端子2用于調(diào)零.實(shí)際上,零漂一般很小,在要求不是特別高的情況下,可將端子2開(kāi)路.AS為場(chǎng)效應(yīng)晶體管模擬開(kāi)關(guān),由運(yùn)算

24、放大器A型區(qū)動(dòng).A3的邏輯入端S/H由外部電路通常可由定時(shí)器按一定時(shí)序限制,進(jìn)而限制著C毗于采樣或保持狀態(tài).符號(hào)S/H表示該端子有雙重功能,即S/H="1電平為采樣Sample功能,S/H="0電平為保持Hold功能.某個(gè)符號(hào)上面帶一橫,表示該功能為低電平有效,這是數(shù)字電路的習(xí)慣表不法.(三)采樣頻率的選擇和模擬低通濾波器的應(yīng)用由于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)較小,所以,通常根據(jù)時(shí)間等間隔來(lái)設(shè)計(jì)采樣間隔Ts,完全滿(mǎn)足工程的實(shí)際要求,這種方法的Ts限制方式很簡(jiǎn)單.另外,在測(cè)量正常運(yùn)行參數(shù)等場(chǎng)合,為了進(jìn)一步提升計(jì)算精度,還有根據(jù)電氣角度等間隔的方法設(shè)計(jì)采樣間隔,此時(shí),需要跟蹤電網(wǎng)的基波周期來(lái)

25、調(diào)整采樣間隔.采樣間隔Ts的倒數(shù)稱(chēng)為采樣頻率fs.采樣頻率的選擇是微機(jī)保護(hù)硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,為此,要綜合考慮很多因素,并從中作出權(quán)衡.采樣頻率越高,要求微型機(jī)的速度越高.由于微機(jī)保護(hù)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向微型機(jī)輸人數(shù)據(jù),微型機(jī)必須要來(lái)得及在兩個(gè)相鄰采樣間隔時(shí)間Ts內(nèi),處理完對(duì)每一組采樣值所必須作的各種操作和運(yùn)算,否那么微型機(jī)將跟不上實(shí)時(shí)節(jié)拍而無(wú)法工作.相反,采樣頻率過(guò)低,將不能真實(shí)地反映被采樣信號(hào)的情況.由采樣定理：fs>2fmax可以知道,如果被采樣信號(hào)中所含最高頻率成份的頻率為fmax,那么采樣頻率fs必須大于fmax的二倍.采樣頻率的設(shè)置在滿(mǎn)足采樣定

26、理后,才能通過(guò)一定的計(jì)算方法,從采樣信號(hào)中獲取連續(xù)時(shí)間信號(hào)的有關(guān)信息.當(dāng)然,還應(yīng)考慮采樣信號(hào)整量化的影響.這里僅從概念上來(lái)說(shuō)明采樣頻率過(guò)低造成頻率混疊的原因.設(shè)被采樣信號(hào)x(t)中含有的最高頻率為fmax,現(xiàn)將x(t)中這一頻率成份xfmax(t)單獨(dú)畫(huà)在圖17(a)中.從圖17(b)可以看出,當(dāng)fs=fmax時(shí),采樣所看到的為一直流成份,而從圖17(c)看出,當(dāng)fs略小于fmax時(shí),采樣所看到的是一個(gè)差拍低頻信號(hào).這就是說(shuō),一個(gè)高于fs/2的頻率成份在采樣后將被錯(cuò)誤地認(rèn)為是一低頻信號(hào),或稱(chēng)高頻信號(hào)“混疊到了低頻段.顯然,滿(mǎn)足采樣定理fs>2fmax后,將不會(huì)出現(xiàn)這種混疊現(xiàn)象.工程中,一

27、般?。篺s=(2.53)fmax.對(duì)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),在故障初瞬,電壓、電流中可能含有相當(dāng)高的頻率分量(例如2kHz以上),為預(yù)防混疊,fs將不得不用得很高,從而對(duì)硬件速度提出過(guò)高的要求.但實(shí)際上,目前大多數(shù)的微機(jī)保護(hù)原理都是反映工頻量的,在這種情況下,可以在采樣前用一個(gè)低通模擬濾波器(LPF,LowPassFilter)將高頻分量濾掉,這樣就可以降低fs,從而降低對(duì)硬件提出的要求.實(shí)際上,在第二章將看到,由于數(shù)字濾波器有許多優(yōu)點(diǎn),因而通常并不要求圖11中的模擬低通濾波器濾掉所有的高頻分量,而僅用它濾掉fs/2以上的分量,以消除頻率混疊,預(yù)防高頻分量混疊到工頻附近來(lái).低于了fs/2的其他暫態(tài)頻

28、率分量,可以通過(guò)數(shù)字濾波來(lái)濾除.還應(yīng)當(dāng)提出,實(shí)際上電流互感器、電壓互感器對(duì)高頻分量已有相當(dāng)大的抑制作用,因此不必對(duì)抗混疊的低通模擬濾波器的頻率特性提出很?chē)?yán)格的要求,例如不一定要求很陡的過(guò)渡帶,也不一定要求阻帶有理想的衰耗特性,否那么高階的模擬濾波器將帶來(lái)較長(zhǎng)的過(guò)渡過(guò)程,影響保護(hù)的快速動(dòng)作.最簡(jiǎn)單的低通模擬濾波器如圖18所示,其中的一種參數(shù)設(shè)計(jì)為：R=4.3K,C=0.1科F.采用低通濾波器消除頻率混疊問(wèn)題后,采樣頻率的選擇在很大程度上取決于保護(hù)的原理和算法的要求,同時(shí)還要考慮硬件的速度問(wèn)題.例如一種常用的采樣頻率是使采樣間隔fs=5/3ms,這正好相當(dāng)于工頻30°,因而可以很方便地實(shí)

29、現(xiàn)30°、60°、或90°移相,從而構(gòu)成負(fù)序?yàn)V過(guò)器等.考慮到硬件目前實(shí)際可到達(dá)的速度和保護(hù)算法的要求,絕大多數(shù)微機(jī)保護(hù)的采樣間隔Ts都在0.12ms的范圍內(nèi).三、模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)對(duì)于反映兩個(gè)量以上的繼電保護(hù)裝置,例如阻抗、功率方向等,都要求對(duì)各個(gè)模擬量同時(shí)采樣,以準(zhǔn)確地獲得各個(gè)量之間的相位關(guān)系,因而圖ll中要對(duì)每個(gè)模擬輸入量設(shè)置一套電壓形成、抗混疊低通濾波和采樣保持電路.所有采樣保持器的邏輯輸入端并聯(lián)后,由定時(shí)器同時(shí)供應(yīng)采樣脈沖.但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器價(jià)格相對(duì)較貴,通常不是每個(gè)模擬量輸入通道設(shè)一個(gè)A/D,而是公用一個(gè),中間經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MPXMultiplex切換,輪

30、流由公用的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入給微機(jī).多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)包括選擇接通路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和由它限制的各路電子開(kāi)關(guān),它們被集成在一個(gè)集成電路芯片中.以16路多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)芯片AD750防例,其內(nèi)部電路組成框圖示于圖l9.由于要選擇16路輸人量,所以它有A0A3四個(gè)路數(shù)選擇線(xiàn),以便由微型機(jī)通過(guò)并行接口或其他硬件電路給A0A3賦以不同的二進(jìn)制碼,選通AS1AS16中相應(yīng)的一路電子開(kāi)關(guān)AS,從而將被選中的某一路模擬量接通至公共的輸出端,供應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器.圖l9中的ENEnable端為芯片選擇線(xiàn),也稱(chēng)為允許端,只有在EN端為高電平時(shí)多路開(kāi)關(guān)才接通,否那么不管A0A3在什么斗犬態(tài),AS1AS16均處于斷開(kāi)狀態(tài).

31、設(shè)置EN端是為了便于限制二個(gè)或更多個(gè)的AD7506,將其輸出端并聯(lián),以擴(kuò)充多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的路數(shù).MPX中的模擬電子開(kāi)關(guān)AS在D/A、A/D、S/H電路中應(yīng)用甚廣,現(xiàn)作簡(jiǎn)單介紹.它是用電子邏輯數(shù)字限制模擬信號(hào)通、斷的一種電路.通常有雙極型晶體管BJT、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOS-FET組成的電子開(kāi)關(guān).BJT模擬電子開(kāi)關(guān)是用得最早的一種,電路舉例如圖l10所示,這是一種反接晶體管模擬開(kāi)關(guān),該電路可直接用TTL數(shù)字邏輯電路限制.當(dāng)限制信號(hào)為低電平時(shí),T1、T2截止,T3導(dǎo)通.當(dāng)限制信號(hào)為高電平時(shí),T1、T2導(dǎo)通,T3截止.這種電路導(dǎo)通誤差電壓大約為l2mV精度不高.為了提

32、升精度,還可以采用并聯(lián)互補(bǔ)、串聯(lián)補(bǔ)償?shù)入娐?J-FET組成的模擬開(kāi)關(guān)性能更好,導(dǎo)通電阻小,截?cái)鄷r(shí)只有極微小的漏電流,因此應(yīng)用廣泛.其電路舉例如圖l11所示.這是一個(gè)互補(bǔ)雙路開(kāi)關(guān).當(dāng)Uc為高電平時(shí),T1、T2導(dǎo)通,T3截止,T4導(dǎo)通,U0=Ui2.當(dāng)Uc為低電壓時(shí),T1、T2截止,T3導(dǎo)通,T4截止,U0=Ui1.MOS-FET組成的模擬開(kāi)關(guān)性能和JFET類(lèi)似,但它更容易制成集成電路,本錢(qián)低,因此使用越來(lái)越廣泛.其電路舉例如圖l12所示.這是一個(gè)互補(bǔ)型MOS-FET的模擬開(kāi)關(guān)AS電路簡(jiǎn)稱(chēng)CMOSFETAS,它用兩個(gè)增強(qiáng)型的MOS"FET并聯(lián),一個(gè)是P溝道,一個(gè)是N溝道.為使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,要

33、求PMOSP勾道的MOS-FET的限制電壓為負(fù)值,同時(shí)要求NMOSN溝道的MO&FET的限制電壓為正值,圖中分別用向下及向上的箭頭來(lái)表示.當(dāng)輸入電壓Ui為零時(shí),PMOS的UGS=15V,NMOS的UGS二+15V,故PMOSNMOSW者均導(dǎo)通.開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻為兩個(gè)FE硒電阻并聯(lián),電阻很低.當(dāng)輸入電壓Ui=15V時(shí),PMOS白UGS=-30V,NMOSUGS=0V此時(shí)PMOS導(dǎo)通,NMOS截止,有一個(gè)FET導(dǎo)通,電阻也很低.當(dāng)輸入電壓Ui=+15V時(shí),PMOS白UGS=0VNMOSUGS斗30V,此時(shí)NMOSI通,PMOS截止,電阻也很低.因此不管輸入電壓如何變化,導(dǎo)通時(shí),導(dǎo)通電阻根本不受

34、輸入電壓Ui變化的影響.在應(yīng)用中,不管是哪種電路構(gòu)成的模擬開(kāi)關(guān),一般分成電壓開(kāi)關(guān)和電流開(kāi)關(guān)兩種.電流開(kāi)關(guān)比電壓開(kāi)關(guān)的工作速度高得多.四、模數(shù)轉(zhuǎn)換器一ADC的一般原理模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器,或簡(jiǎn)稱(chēng)ADC是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)限制的關(guān)鍵技術(shù),是將模擬量轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字量的橋梁.由于計(jì)算機(jī)只能對(duì)數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算,而電力系統(tǒng)中的電流、電壓信號(hào)均為模擬量,因此必須采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字量.模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以認(rèn)為是一個(gè)編碼電路.它將輸入的模擬量Usr相對(duì)于模擬參考量URg一編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出.一個(gè)理想的A/D轉(zhuǎn)換器,其輸出與輸入的關(guān)系式為：式中,D一般為小于1的二進(jìn)制數(shù)與A/D的進(jìn)

35、位技術(shù)有關(guān)；Usr輸入信號(hào)；UR參考電壓,也反映了模擬量的最大輸入值.對(duì)于單極性的模擬量,小數(shù)點(diǎn)在最高位前,即要求輸入U(xiǎn)sr必須小于UR叩表示為：式中B1為其最高位,常用英文縮寫(xiě)MSBMostSignificantBit表示；Bn為最低位,英文縮寫(xiě)為L(zhǎng)SBLeastSignificantBit.BlBn均為二進(jìn)制碼,其值只能是“1或“0.因而,式13又可寫(xiě)為：以上即為A/D轉(zhuǎn)換器中,將模擬信號(hào)進(jìn)行量化的表示式.由于編碼電路的位數(shù)總是有限的,例如式15中有n位,而實(shí)際的模擬量公式Usr/UR卻可能為任意值,因而對(duì)連續(xù)的模擬量用有限長(zhǎng)位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)表示時(shí),不可預(yù)防地要舍去比最低位LSB更小的數(shù),從

36、而引入一定的誤差.顯然,單從數(shù)學(xué)的角度看,這種量化誤差的絕對(duì)值最大不會(huì)超過(guò)和LSB相當(dāng)?shù)闹?因而模數(shù)轉(zhuǎn)換編碼的位數(shù)越多,即數(shù)值分得越細(xì),所引入的量化誤差就越小,或稱(chēng)分辨率就越高.量化誤差為:模數(shù)轉(zhuǎn)換器有線(xiàn)性變換、雙積分、逐次逼近等多種工作方式,這里僅以逐次逼近方式為例,介紹A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理.二數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC或D/A轉(zhuǎn)換器由于逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器,同時(shí),繼電保護(hù)測(cè)試儀中,也廣泛將D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于模擬量輸出的限制,因此,先介紹一下D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器.數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量D經(jīng)一解碼電路變成模擬電壓或電流輸出.數(shù)字量是用代碼按數(shù)位的權(quán)組合起來(lái)表示的,每一位代碼

37、都有一定的權(quán),即代表一具體數(shù)值.因此,為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量,必須將每一位代碼按其權(quán)的值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量,然后,將代表各位的模擬量相加,即得到與被轉(zhuǎn)換數(shù)字量相當(dāng)?shù)哪M量,亦即完成了數(shù)模轉(zhuǎn)換.圖l13為一個(gè)4位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理圖,更多位數(shù)的情況與此類(lèi)似.圖中,電子開(kāi)關(guān)K0K3分別受輸入四位數(shù)字量B4B1限制.在某一位為“0時(shí),其對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)合向右側(cè),即接地.而為“1時(shí),開(kāi)關(guān)合向左側(cè),即接至運(yùn)算放大器A的反相輸入端虛地.流向運(yùn)算放大器反相端的總電流I2反映了四位輸入數(shù)字量的大小,它經(jīng)過(guò)帶負(fù)反響電阻RF勺運(yùn)算放大器,變換成電壓usc輸出.由于運(yùn)算放大器A的+端接參考地,所以,其負(fù)端為“虛地,這樣,運(yùn)

38、算放大器A的反相輸入端的電位實(shí)際上也是地電位,因此不管圖中各開(kāi)關(guān)合向哪一側(cè),對(duì)圖中電阻網(wǎng)絡(luò)的電流分配是沒(méi)有影響的.圖113中,電阻網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)特點(diǎn)：從一URa、b、c四點(diǎn)分別向右看,網(wǎng)絡(luò)的等值阻抗都是R因而a點(diǎn)電位必定是1/2UR,b點(diǎn)電位那么為1/4UR,c點(diǎn)為1/8UR.相應(yīng)的圖中各電流為：I1=UR/2R,I2=1/2I1,I3=1/4I1,I4=1/8I1各電流之間的相對(duì)關(guān)系正是二進(jìn)制數(shù)每一位之間的權(quán)的關(guān)系,因而圖113中,總電流I2必然正比于數(shù)字量Do式14已給出由圖113得而輸出電壓為：可見(jiàn)輸出模擬電壓正比于限制輸入的數(shù)字量D,比例常數(shù)為年如圖1-13所示的數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路通常被集成在

39、一塊芯片上.由于采用激光技術(shù),集成電阻值可以做得相當(dāng)精確.因而數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度主要取決于參考電壓或稱(chēng)基準(zhǔn)電壓UR的精度和紋波情況,當(dāng)然,也與電路的線(xiàn)路布置有關(guān).很多芯片在內(nèi)部設(shè)有一個(gè)經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)凝R納二極管穩(wěn)壓回路,將外加給芯片的電源電壓經(jīng)過(guò)進(jìn)一步穩(wěn)壓后提供UR因而精度很高.圖113所示D/A轉(zhuǎn)換器的電路只是很多方案中的一種.目前D/A芯片種類(lèi)很多,有的是電流輸出的,也有的是用正極性參考電壓的,以適應(yīng)各種不同場(chǎng)合的需要.三逐次逼近法模數(shù)轉(zhuǎn)換器的根本原理圖114示出了一個(gè)應(yīng)用微型機(jī)限制一片16位D/A轉(zhuǎn)換器和一個(gè)比較器,實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的根本原理框圖.該圖是在微型機(jī)限制下由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)逐次逼近的,僅作

40、為理解A/D逐次逼近過(guò)程使用.實(shí)際上,逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程的限制、比較都是由硬件限制電路自動(dòng)實(shí)現(xiàn)逐次逼近的,并且整個(gè)電路都集成在一塊芯片上.但從圖l14可以很清楚地理解逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換的根本原理.圖114的工作原理如下.并行接口的PB1片PB0用作輸出,由微型機(jī)通過(guò)該口往15位D/A轉(zhuǎn)換器試探性的送數(shù).每送一個(gè)數(shù),微型機(jī)通過(guò)讀取并行口的PA0用作輸入的狀態(tài)“1或“0來(lái)觀(guān)察試送的16位數(shù)相對(duì)于模擬輸入量是偏大還是偏小.如果偏大,即D/A的輸出usc大于待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓,那么比較器輸出“0,否那么為“1.通過(guò)軟件方法,如此不斷地修正送往D/A的16位二進(jìn)制數(shù),直到找到最相近的二進(jìn)制數(shù)值

41、,這個(gè)二進(jìn)制數(shù)就是A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果.逼近的步驟通常采用二分搜索法,對(duì)于16位的轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō),最大可能的轉(zhuǎn)換結(jié)果為二進(jìn)制數(shù)1111'1111'1111'1111,用16進(jìn)制表示為FFFFHH為16進(jìn)制符號(hào),為了簡(jiǎn)便起見(jiàn),下面的轉(zhuǎn)換過(guò)程均用16進(jìn)制數(shù)表示.第一步試探,先試最大可能值的1/2,即試送8000H,如果比較器輸出為“1,即說(shuō)明D/A輸出偏小,那么可以肯定模擬量大于最大量值的一半,最高位的最終結(jié)果必定為1;反之,最高位為0.第二步應(yīng)當(dāng)試送次高位為1.如果第一次試送已確定最高位為1后,那么第二步應(yīng)試送C000H即1100'0000'0000'00

42、00.如果第一次試送已確定最高位為0后,那么第二步應(yīng)試送4000Ho如此逐位確定,直至最低位,完成全部比較.圖115示出一個(gè)三位轉(zhuǎn)換器的二分搜索法的示意圖,圖中,大于、小于符號(hào)的判別是指：D/A輸出的值輸入模擬量.二分搜索法是一種最快的逼近方法,n位轉(zhuǎn)換器只要比較n次即可,比較次數(shù)與輸入模擬量的大小無(wú)關(guān).從上述工作原理可以看出,圖114中,輸入模擬電壓的允許最大值等于對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器輸入最大數(shù)字量FFFFH時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓.由式16可見(jiàn),它決定于參考電壓UR以及電阻R和RF.大多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器的R和RF采用相同阻值,因而輸入電壓的最大值通常就是參考電壓值,一般為10V或20V.如果輸入電

43、壓超過(guò)這個(gè)最大值,那么A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果將保持在最大值FFFFH,從而造成平頂波,這種現(xiàn)象叫溢出,如圖118a中的曲線(xiàn)1,其原始信號(hào)的虛線(xiàn)局部被削掉了.溢出現(xiàn)象在設(shè)計(jì)電路時(shí),應(yīng)予以考慮.此外,這種原理原那么上只適用于單極性輸入電壓.對(duì)圖114所示的接法,輸入電壓必須是正的,如果為負(fù),那么不管負(fù)值多大,比較結(jié)果必然是0000H.但繼電保護(hù)所反映的交流電流、交流電壓都是雙極性的,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雙極性模擬量的模數(shù)轉(zhuǎn)換,需要設(shè)置一個(gè)直流偏置量,其值為最大允許輸入量的一半.將此偏置直流量同交變的輸入量相加,變成單極性模擬量后再接到比較器,接法如圖116所示.顯然雙極性接法時(shí),允許的最大輸入電壓幅值將比單極性時(shí)縮

44、小一半.如單極性時(shí)允許電壓的輸入范圍為0+10V,那么接成雙極性時(shí),偏置電壓應(yīng)當(dāng)取十5V,這樣,輸入雙極性電壓白最大允許范圍為土5V.這一點(diǎn)可以從圖l17清楚地看出.加上偏置電壓后,A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸出實(shí)際反映的是usr和U偏之和.只要減去同U偏所相當(dāng)?shù)臄?shù)字量,就能復(fù)原成用補(bǔ)碼形式表示的與雙極性輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出.以16位的A/D轉(zhuǎn)換器為例,如果10V相當(dāng)于單極性的最大輸出FFFFH那么+5V的偏置相當(dāng)于8000H.任何16位二進(jìn)制數(shù)減去8000H,相當(dāng)于把最高位倒相即“1變“0,或“0變“1.表11給出了usr為0V、+5Vffi5V三種情況下A/D轉(zhuǎn)換器的輸出.將A/D轉(zhuǎn)換器的輸出減

45、去偏置分量,從而復(fù)原成不帶偏置的補(bǔ)碼形式,其大小和符號(hào)均與輸入模擬量對(duì)應(yīng),這種操作可以由微型機(jī)用軟件來(lái)進(jìn)行.也可以由硬件來(lái)完成,這只要在A/D輸出的最高位MSB處接一個(gè)反相器即可.實(shí)際上,大局部A/D轉(zhuǎn)換器在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮了雙極性輸入的情況,可以直接以2的補(bǔ)碼形式輸出,不必再進(jìn)行減去偏置分量的操作.表1-1A/D轉(zhuǎn)換器的輸出usr為0V、+5V、-5V從表1l的補(bǔ)碼形式可以看出,最高位實(shí)際是符號(hào)位0000H也被當(dāng)作符號(hào)為正,小數(shù)點(diǎn)在最高位后面.就絕對(duì)值來(lái)說(shuō),16位A/D轉(zhuǎn)換器的有效位只是15位,用十進(jìn)制數(shù)表示其數(shù)字量的范圍是：3276832767.n位的A/D轉(zhuǎn)換器,其十進(jìn)制數(shù)的范圍是：2n-1

46、2n-11.微機(jī)保護(hù)中,當(dāng)輸入模擬量極大時(shí),出現(xiàn)小局部平頂波溢出的危害并不是特別嚴(yán)重,因?yàn)?在微型機(jī)得到采樣值后,還可以經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器詳見(jiàn)第二章,從而將圖118a中曲線(xiàn)1的平頂波信號(hào)修正成為曲線(xiàn)2信號(hào),這里,假定將采樣信號(hào)復(fù)原為模擬信號(hào).于是,基波幅值和相位均得到了有效的修正,對(duì)電流保護(hù)和阻抗保護(hù)的影響較小.但是,應(yīng)當(dāng)指出,不允許出現(xiàn)圖118b中所示的溢出現(xiàn)象,這種現(xiàn)象對(duì)微機(jī)保護(hù)的危害是致命的.如果電流信號(hào)出現(xiàn)這種溢出情況,那么出口短路可能會(huì)被計(jì)算成區(qū)外短路,導(dǎo)致拒動(dòng).預(yù)防這種溢出現(xiàn)象的常用方法有：1采用類(lèi)似于逐次逼近方式的A/D轉(zhuǎn)換器；2在A/D轉(zhuǎn)換器之前,采用限幅舉措；3調(diào)整模擬量回路的增

47、益.四A/D轉(zhuǎn)換器舉例A/D轉(zhuǎn)換的類(lèi)型有：并行、積分型、逐次逼近型、流水線(xiàn)型和2A型等.在A/D轉(zhuǎn)換器件中,AD7665是一種逐次逼近型的16位快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換速率為500kSPSSamplesPerSecond或570kSPS.器件內(nèi)部包含了一個(gè)高速的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC電路,一個(gè)采樣/保持電路,一個(gè)適用于不同輸入范圍的電阻電路,一個(gè)用于限制轉(zhuǎn)換的內(nèi)部時(shí)鐘,一個(gè)糾錯(cuò)電路,輸出方式既可以是串行接口也可以是并行接口,便于和各種微型機(jī)接口.AD7665勺溫度范圍從40c到+85C,最大的非線(xiàn)性誤差在土2.5LSB以?xún)?nèi),轉(zhuǎn)換噪聲的典型值為0.7LSB,其功能框圖如圖119所示.AD7665器件對(duì)

48、外連接可以分成以下幾局部來(lái)說(shuō)明.1. 電源DVDDDGNGDigitalGround分別為器件內(nèi)部的數(shù)字工作電源+5V和數(shù)字地.OVDDOGNDOutputGround分別為數(shù)字接口的電源端和零線(xiàn).一般情況下,如果AD7665器件直接與微型機(jī)連接時(shí),可以將這兩個(gè)端子與數(shù)字電源和數(shù)字地直接相連.AVDDAGNDAnalogGround為模擬量輸入側(cè)的電源和模擬地,僅需要單一的5V電源.在器件內(nèi)部,AGNDWDGNDOGND完全分開(kāi)的.對(duì)于所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,均應(yīng)在器件外部將所有模擬地先與輸入模擬量的零線(xiàn)直接相連,此后,只允許有一點(diǎn)與數(shù)字地連接,以免數(shù)字地回路上通過(guò)電流造成的壓降串入模擬量輸入回路,

49、從而引起模數(shù)轉(zhuǎn)換的噪聲.REFREFGNM參考電源及其地線(xiàn)端子.為了保證A/D的高精度和高穩(wěn)定性,RE端應(yīng)接高精度和溫度特性?xún)?yōu)良的參考電源模塊,作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電源；REFGNg與模擬地AGND直接相連.2 .模擬量輸入AD7665在輸入回路中設(shè)計(jì)了電阻網(wǎng)絡(luò),使得輸入方式十分靈活,適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合.雙極性輸入范圍：土10V、±5V、±2.5V;單極性輸入范圍：010V、05V、02.5V.對(duì)于不同的輸入方式和輸入范圍,AD7665模擬量輸入端應(yīng)根據(jù)表12的方法連接,顯然,為了做到輸入方式靈活,也帶來(lái)了單一輸入方式下的接線(xiàn)復(fù)雜一些.表12輸入方式與輸入端子的連接3 .

50、方式選擇OB/2c(OutputBinary/2'sComplement用于選擇是二進(jìn)制的直接輸出,還是以2的補(bǔ)碼方式輸出.當(dāng)OB/2C端子接0電平時(shí),選擇為2的補(bǔ)碼方式輸出；接1電平時(shí),選擇二進(jìn)制的直接輸出.對(duì)于雙極性輸入的方式,宜采用2的補(bǔ)碼方式輸出,此時(shí),輸出數(shù)據(jù)中已減去了偏移量的影響,保證了輸出的數(shù)值大小與輸入模擬量成正比,且符號(hào)也一致,可以直接使用A/D的輸出結(jié)果.WARPIMPULSE為方式選擇.當(dāng)WARP1、IMPULSE0時(shí),AD7665選擇最快速的轉(zhuǎn)換方式,以便完成最多的轉(zhuǎn)換次數(shù),當(dāng)然,為了保證精度,應(yīng)限定一個(gè)最小的轉(zhuǎn)換速率；當(dāng)WARP=0、IMPULSE1時(shí),采用普

51、通的觸發(fā)轉(zhuǎn)換方式,這種方式可以減少功耗.SER/PAR(Serial/Parallel)為串行或并行輸出方式的選擇.當(dāng)SER/PAR接1電平時(shí),輸出為串行方式；當(dāng)SER/PAR接0電平時(shí),輸出為并行方式.BYTESWAP1于并行輸出方式的限制.當(dāng)BYTESWAP0時(shí),A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果按器件標(biāo)明的D15D0管腳一一對(duì)應(yīng)輸出；當(dāng)BYTESWAP1時(shí),A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果將高八位與低八位交換位置,提供一種方便印刷電路板布線(xiàn)的選擇,預(yù)防過(guò)多的交叉布線(xiàn).具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1一3所不表1-3并行數(shù)據(jù)輸出與管腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系4 .限制信號(hào)RESET為復(fù)歸輸入.當(dāng)該端子輸入邏輯1時(shí),無(wú)論A/D器件處于什么狀態(tài),

52、均被強(qiáng)制復(fù)歸,任何正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換工作都不再繼續(xù)進(jìn)行.RD(Read)、CS(ChipSe拒ct)分別為讀數(shù)據(jù)和片選限制信號(hào).當(dāng)RD和衣均為0電平時(shí),輸出數(shù)據(jù)才有效.其中,CS還可以用于開(kāi)放串行時(shí)鐘.CNTSTSStartConversion)為起動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換輸入端.在CVEST下降沿時(shí),先觸發(fā)內(nèi)部的采樣/保持電路,隨即開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換.PD(PowerDown為睡眠方式限制端.在睡眠狀態(tài),可以降低器件功耗.由于微機(jī)保護(hù)每時(shí)每刻都在監(jiān)視電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況,所以,不允許A/D工作在睡眠方式,應(yīng)將P端接地.BUSY在1電平時(shí),表示A/D正在轉(zhuǎn)換,處于“忙狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束,且數(shù)據(jù)鎖存到緩沖存放器后,BUS

53、Y產(chǎn)生一個(gè)下降沿,并處于0電平狀態(tài),說(shuō)明輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒,可以讀取.5 .并行輸出方式的數(shù)據(jù)信號(hào)DATA15-DATA06 .串行輸出方式的接口信號(hào)由于采用串行輸出方式,所以取消并行接口的DATA15DATA0信號(hào),將相應(yīng)的管腳設(shè)置為串行接口信號(hào).1)SYNC用作串行數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程的同步信號(hào),保證串行數(shù)據(jù)工作在同步狀態(tài)下.2)sclk為串行時(shí)鐘信號(hào),由選擇采用內(nèi)部時(shí)鐘還是外部時(shí)鐘.3) SDOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端.傳輸順序是先送高位、后送低位.4) RDERRO的讀數(shù)出錯(cuò)信號(hào).5) DIVSCLK當(dāng)=0、RDC/SDIN=0時(shí),DIVSCLK用于降低內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)；在其他串行方式時(shí),該信號(hào)無(wú)效.6

54、) EXTINT為內(nèi)部和外部時(shí)鐘選擇.當(dāng)EXTINT=0時(shí),將器件內(nèi)部時(shí)鐘送至SCLK端,作為時(shí)鐘輸出；當(dāng)EXTINT=1時(shí),輸出數(shù)據(jù)將與連至SCLK端的輸入時(shí)鐘同步,外部時(shí)鐘還受片選CS開(kāi)放限制.7) INVSYNC用于選擇同步信號(hào)SYNC的有效狀態(tài).當(dāng)INVSYNC=0時(shí),SYNC為“1有效；當(dāng)INVSYNC=1時(shí),SYNC為"0有效.8) INSCLK是一個(gè)與串行時(shí)鐘SCLK反相的信號(hào),便于不同方式的選擇.9) RDC/SDIN與EVT'ZVT信號(hào)組合在一起,既可選擇外部數(shù)據(jù)輸入,還可選擇讀的方式.在EXTJNT=0情況下,RDC/SDIN用于選擇讀方式,其中,RDC/

55、SDIN=1時(shí),就可以將上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果直接輸出到SDOUT端,可以構(gòu)成連續(xù)轉(zhuǎn)換；RDC/SDIN=0時(shí),只能在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,才可以將數(shù)據(jù)輸出到SDOUT端.在ETT-'ZVT=1情況下,RDC/SDIN可以用于構(gòu)成多A/D芯片的菊花鏈(DaisyChain)方式,此時(shí),RDC/SDIN的輸入數(shù)據(jù)可以是其他ADC的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)SDOUT,這樣多片ADC就可以共用一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)SDOUT,便于和一個(gè)微型機(jī)連接.(五)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件與微型機(jī)的接口圖120、21、22分別為模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665與微型機(jī)的并行接口、串行接口和菊花鏈方式的典型連接電路示意圖.由于AD7665器件的轉(zhuǎn)換速度和微

56、型機(jī)的指令速度都較快,因此,A/D轉(zhuǎn)換與微型機(jī)的接口方式常用查詢(xún)方式或中斷方式.無(wú)論采取何種接口和讀取數(shù)據(jù)方式,都要求實(shí)時(shí)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果.下面以圖1-20并行接口和查詢(xún)方式為例,介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過(guò)程,其他的工作方式與此差異不大.圖120中,'CSoOB/交、WARP、SERR&RBYTESWAP、RESET、PD和IMPULSE等管腳的“0或“1設(shè)置,主要是將AD7665器件設(shè)置為并行工作,且輸出為2的補(bǔ)碼方式.為了實(shí)現(xiàn)圖120的電路功能,微型機(jī)還應(yīng)在初始化程序中,將PA口(PA0PA15)和PB7設(shè)置為輸入方式,將PB0PB5設(shè)置為輸出方式,設(shè)計(jì)定時(shí)器采樣間隔Ts和采樣脈沖信號(hào),同時(shí),將存數(shù)指針(POINT)設(shè)置為等于采樣值存儲(chǔ)區(qū)的首地址.如前所述,微機(jī)保護(hù)的采樣脈沖由定時(shí)器產(chǎn)生.為了實(shí)時(shí)、快速地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,在微機(jī)保護(hù)中,可以利用采樣脈沖的下降沿作為微型機(jī)的中斷信號(hào),從而觸發(fā)微型機(jī)響應(yīng)中斷,保證中斷效勞程序能夠快速地與采樣脈沖實(shí)現(xiàn)同步.在微型機(jī)的多個(gè)中斷源中,一般將完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的中斷設(shè)置為優(yōu)先級(jí)最高.這樣,就可以將需要實(shí)時(shí)、快速、與采樣脈沖同步的功能程序放在優(yōu)先級(jí)最高