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互感器主要用于電力系統基本參數的測量,同時為電力系統的計量､保護與監控單元提供信號｡隨著電力系統輸電容量的增長和電網電壓等級的提高,基于電磁式原理的傳統互感器漸漸不能滿足電力系統飛速發展的需要,呈現出一系列自身難以克服的缺陷｡隨著信息技術和計算機技術的高速發展,數字信號處理技術已逐漸成為一門主流技術,并在許多領域得到廣泛應用｡再加上光纖通信技術和傳感技術的日趨成熟完善,使得研制新型的電力互感器成為可能｡本文介紹的電子式互感器是運用Rogowski線圈測量電流?利用電容分壓原理測量電壓,采用高速低耗A/D芯片和DSP處理器完成高壓側數據的實時處理,再經E/O變換,以光纖作為信號傳輸媒質,把高壓側轉換的脈沖信號傳輸到低壓側進行測量保護的混合型電子式光電組合互感器｡ 1 電子式互感器高壓側數據處理系統 電子式互感器高壓側數據處理系統主要由信號預處理､A/D轉換､DSP主控和E/O轉換四部分組成｡信號預處理部分接收各種傳感頭測量的模擬信號并對其進行一些預處理｡比如:Rogowski線圈感應的電動勢需經一積分器變換成與一次電流同相位成正比的電壓信號;傳感頭測量的模擬信號必須經過調壓,且要考慮一定的裕度,使其符合A/D芯片模擬通道的允許輸入范圍｡A/D轉換部分主要是在DSP主控芯片的控制下實時將模擬信號變換成數字信號｡E/O轉換部分是將數字信號經過調制變成光脈沖信號,然后由光纖傳輸到低壓側｡ 2 ADS8344的主要特點 2.1 ADS8344的結構特點 ADS8344是一個高速､低功耗､16位逐次逼近型ADC,采用2.7V至5V單電源供電,最大采樣速率為100kHz,信噪比達84dB?帶有串行接口,它包含8個單端模擬輸入通道(CH0~CH7)?也可合成為4個差分輸入｡100kHz時的典型功耗為10mV｡參考電壓VREF的范圍從500mV到VCC,相應的每個模擬通道的輸入從0V到VREF｡自帶采樣/保持功能,采用20引腳QSDP封裝或20引腳SSOP封裝,工作溫度范圍為-40℃~+85℃｡該芯片適合應用在電池供電系統(如個人數字助理､移動通信)和測試裝置中｡ ADS8344主要由多路轉換開關､采樣/保持器､參考電壓､A/D轉換器､比較器､控制邏輯電路和逐次逼近寄存器(SAR)等部分組成,其內部結構原理如圖1所示｡ 2.2 ADS8344的引腳排列及說明 ADS8344的引腳排列如圖2所示,各引腳說明如下: CH0~CH7:模擬輸入通道的輸入端,8個單端模擬輸入通道可合用為雙端差分輸入,所有通道的輸入范圍從0V到+VREF,未用的輸入通道應接GND以避免噪聲輸入｡ COM:模擬輸入的參考地,單端輸入通道的零地位點,直接接地或接地電位參考點｡ SHDN:掉電控制位,當為低時,芯片切換到低功耗掉電模式｡ +VCC:電源輸入端,范圍為+2.7V~+5V｡ DOUT:串行數據輸出端,在DCLK的下降沿時數據輸出,當CS為高時,輸出為高阻態｡ DIN:串行數據輸入端,當CS為低時,數據在DCLK的上升沿被鎖存｡ DCLK:外部時鐘輸入端,該外部時鐘決定了芯片的轉換率(fDCLK=24fSAMPLE)｡ CS:片選端,為低電平時,選中該芯片｡ GND:參考地｡ VREF:參考電源輸入端｡ BUSY:模數轉換狀態輸出引腳｡當進行模數轉換時,該引腳輸出低電平,當BUSY端產生一下降沿時,表示模數轉換結束,數據輸出有效｡ 2.3 ADS8344的工作特點 ADS8344的控制寄存器是一個8位只寫寄存器,數據從DIN引腳輸入,當微機讀取完上次轉換結果時,下一個轉換通道的控制字節就寫到了DIN引腳,需要8個DCLK時鐘才能將完整的控制信息寫到控制寄存器｡控制寄存器各位功能說明如下: S:控制字節的開始位,為高時才表示輸入的字節有效｡ A2~A0:模擬輸入通道選擇位｡ SGL/DIF:模擬通道輸入方式選擇位｡當為高時,為單端輸入;為低時,為雙端差分輸入｡ PD1~PD0:功率管理選擇位｡ (1)模擬通道的輸入方式 ADS8344的8個模擬輸入通道可以設置成單端輸入或差分輸入｡單端輸入時,各個模擬通道均輸入+IN信號,而從COM引腳接入-IN信號｡雙端差分輸入時,通道CHO和CH4､CH1和CH5､CH2和CH6､CH3和CH7組合成差分輸入｡當芯片進入保持階段時,+IN和-IN的差分輸入信號送到內部的電容器陣列上｡-IN輸入的電壓范圍為-0.2V~+1.25V,+IN輸入電壓范圍為-0.2V到+VCC+0.2V｡例如:若參考基準電壓為1.25V, 而COM引腳接地,則單端輸入通道的電壓范圍為0V~+1.25V;若基準輸入電壓為3.3V,而COM引腳接+0.5V,則單端輸入通道的輸入電壓范圍為+0.5V ~+3.8V｡ (2)功率管理方式 ADS8344提供了靈活的功率管理模式,允許用戶在給定的通過率下獲得最佳的功率性能,可以通過對控制寄存器功率位PD0和PD1的編程設置來進行芯片的功耗管理｡PD0=0,PD1=0時為自動關斷模式｡在這種模式下,ADS8344在每次轉換結束時自動進入低功耗模式,當下一次轉換開始時,芯片立即全部上電,不需要額外的延時,并且第一次轉換是有效的;PD0=0,PD1=1時為內部時鐘模式;PD0=1,PD1=0時為預留模式;PD0=1,PD1=1時為完全功率模式,這種模式下的芯片總是上電的｡ (3)時鐘方式 ADS8344可以由內部時鐘執行逐次轉換,也可以由外部時鐘來執行,而在這兩種模式下,都是由外部時鐘來控制芯片數據的輸入/輸出｡如果用戶想更換芯片的時鐘模式,則在芯片轉換到新的模式之前需要一個額外的轉換周期,因為PD0和PD1功率管理選擇位必須在時鐘模式轉換前被提前寫入到ADS8344的控制寄存器｡ 在外部時鐘模式下,外部輸入時鐘不僅控制了數據輸入/輸出芯片,而且也決定了A/D芯片的轉換速率｡在內部時鐘模式下,ADS8344芯片自行產生時鐘信號,這樣所連接的微機就不需產生SAR的轉換時鐘,轉換結果可以方便地輸出到微機｡ 3 ADS8344的典型應用 本文介紹的電子式互感器高壓側數據采集系統采用TMS 320LC545作為主控芯片,選用ADS8344芯片實現對傳感頭輸出的各路模擬信號的實時采集和模數變換｡高壓側數據處理系統的主要工作流程是:接收傳感頭輸出的模擬信號并進行預處理,然后送到A/D芯片轉換成數字信號,最后經過E/O變換成光信號輸出到光纖傳輸系統｡ TMS320LC545是16位定點低功耗的數字處理器,工作電壓為+3.3V,片內RAM為6kB,片外ROM為48kB,內含一個標準串行口和一個緩沖串行口｡兩者的接口設計如圖3所示｡TMS320LC545的串行端口用內部的CLKX?串行時鐘 和FSX(幀同步時鐘)配置為突發模式下工作,串行口寄存器SPC設置如下:FO=0,串行口發送和接收數據都是16位;FSM=1,串行口工作在字符組方式,每發送/接收一個字都要求一個幀同步脈沖FSX/FSR;MCM=0,CLKX采用外部時鐘,該外部時鐘由低壓側通過光纖送上來,可確保高､低壓側時鐘一致;TXM=1,將FSX設置成輸出,每次發送數據時由片內產生一個幀同步脈沖輸出｡ADS8344的CS接TMS320LC545的FSX和FSR,使數據輸入和輸出的幀脈沖信號均由DSP產生;ADS8344的DCLK接TMS320LC545的CLKX和CLKR,從而使數據輸入和輸出的同步時鐘均來自DSP;ADS8344的BUSY接TMS320LC545的BIO,當BUSY產生下降沿信號時,則通知DSP可以開始接收轉換結果了｡ ADS8344的串行接口時序如圖4所示｡當CS為低時,ADS8344 通過DIN引腳接收由DSP芯片DX引腳發送過來的串行數據,并寫入A/D芯片的控制寄存器,這需要8個DCLK時鐘,前4個時鐘周期用于接收控制字節的開始位和通道選擇位,當接收接下來的4個控制位時芯片同時對所選通道采樣,采樣完成后進行模數轉換,當 BUSY產生一下降沿信號后DSP開始接收由DOUT輸出的轉換結果,16位串行數據需要16個DCLK時鐘,在接收串行數據的LSB位時,下一個通道的控制字開始輸入到A/D芯片｡這樣,ADS8344完成一次完整的數據采樣保持､轉換和輸出共需要25個DCLK時鐘｡ 4 結論 電子式互感器具有傳統電磁式互感器無可比擬的優勢,在電力系統電壓､電流測量保護中有著廣闊的發展潛力｡ADS8344所具有的高精度､低功耗､多通道特性使之很適合應用在電子式互感器高壓側來完成數據的實時采集和轉換｡ |
