三相电信号采集电路设计方案
引言
当前，电力电子装置和非线性设备的广泛应用，使得电网中的电压、电流波形发生畸变，电能质量受到严重影响和威胁;同时，各种高性能家用电器、办公设备、精密试验仪器、精密生产过程的自动控制设备等对供电质量敏感的用电设备不断普及对电力系统供电质量的要求越来越高，电能质量问题成为近年来各个方面关注的焦点，电能质量监测是当前国际上的一个研究热点［1］，有必要对三相电信号进行高精度采集，便于进一步分析控制，提高电能质量。对电力参数的采样方法主要有两种，即直流采样法和交流采样法。直流采样法采样的是整流变换后的直流量，软件设计简单，计算方便，但测量精度受整流电路的影响，调整困难。交流采样法则是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量，因而较之直流采样法更易获得高精度、高稳定性的测量结果［2］。
三相电信号采集电路设计
三相电信号采集电路框架
三相电信号采集电路的框架如图1所示。三相电压电流信号经过电压电流互感器转换为较低的电压信号。其中a相的电压信号经过波形调整成为频率与a相电压信号相同的方波信号，用于测量频率。同时将转换后方波频率信号进行频率的整数倍放大作为a/d转换的控制信号。经过六路互感器降压后，将信号送入ad7656进行a/d转换，转换完的数字信号就可以供于dsp/mcu进行数据分析。
电压电流互感器的选用
电压/电流互感器均采用湖北天瑞电子有限公司tr系列检测用电压输出型变换器。电压互感器采用检测用电压输出型电压变换器tr1102-1c，如图2为其结构图，规格为300v/7.07v，非线性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。电流互感器采用检测用电压输出型电流变换器tr0102-2c，规格为5a/7.07v，非线性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。
电源电路
ad7656共有两种模拟信号输入模式，一是模拟输入信号为二倍的参考电压（2.5v）即+/-5v之间，另一种是四倍的参考电压即+/-10v之间。为提高采样的精度，本电路采用输入信号为+/-10v之间，因此需要+/-10v~+/-16.5v之间电源供电。ad7656同时需要5v的avcc和dvcc电源及3.3v的接口电压电源vdrive（也可以是5v，可根据需要进行调整）。因此，该电路共需要+/-10v~+/-16.5v，5v，3.3v三种电压。电源电路共采用三种电源芯片7805，reg1117-3.3v，和max865。外用直流变压器产生约15v的直流电源，接入7805经电容滤波调理，输出5v电压。ad7656的avcc和dvcc可接受电源极限为7v。7805产生的电压作为施密特触发器的电源，故接入的频率信号经处理后为0到3.3v之间的方波信号。7805产生的电压接入reg1117-3.3v，reg1117-3.3v产生的电压直接接入ad7656的vdrive。max865是一种高效电荷泵，能够用一种直流电压输入，产生2倍的正负两种电压。输入电压的范围为1.5~6v之间，7856产生的5v电压接入max865产生+/-10v。
频率调整电路
交流电力参数的频率并不是固定不变的，电力系统的频率有一定的波动范围，特别对小功率供电系统，其供电电网的信号频率将随负载有较大范围内的波动［3］。频率波形调理电路如图4，a相电压信号经互感器转换成+/-7.07v左右的正弦电压信号v1。为了不影响输入信号v1的波形，先使用电压跟随器将v1引入调理电路。因电压跟随器的输入信号为+/-7.07v之间，故需要采用+/-10v为供电电源的运算放大器。d1对采入的信号进行整流，使输入信号只有正半波，负半波为0。d2为5.01v稳压管，限制输入到施密特触发器7414，如果需要接口电压为+5v，也可采用施密特触发器hcc40106bf。
锁相倍频电路
电网的频率在正常情况下是在一定范围内变化，采取硬件锁相倍频的方法能够实现每周期内采样的等间隔，提高采样的准确性，电路原理图如图5。锁相环hef4046的6、7管脚必须外接振荡电容;11、12管脚必须外接振荡电阻。这是因为在锁相环hef4046的内部采用rc型压控振荡器，必须外接电阻和电容作为充放电元件。其内部的vco是一个电流控制振荡器，对定时电容的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使得vco的振荡频率也正比于该控制电压。13脚接电容和电阻起滤波作用。r1和c1决定了vco的频率范围［4］ ， 再结合cd4060电路一起实现锁相倍频的功能，频率的放大倍数可以接在cd4060的q4~q14不同管角上加以选择.vco out 接入a/d转换convst口控制采样。
a/d转换电路
ad7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近（sar）型adc，它具有每通道达250ksps的采样率，并且在片内包含一个2.5v内部基准电压源和基准缓冲器。ad7656的电源包括avcc、dvcc、vdd、vss和vdrive。avcc和dvcc分别为模拟电源和数字电源，范围为4.75~5.25 v。vdd/vss为采集到的模拟信号部分的供电电源，范围为+/-5v到+/-16.5v之间。ad7656允许的模拟输入信号有两种量程，一种是输入信号为+/-5v之间，另外一种为+/-10v之间。为提高采样的精度，采用输入信号范围为+/-10v之间的电路接法。因此vdd/vss至少为+/-10v。range口决定的模拟信号输入的范围，当range接地时，输入范围为4倍的参考电压（2.5v），当range接vdrive时，模拟输入范围为2倍的参考电压，因此range信号端接地。参考电压采用的是内部参考电压。ad7656和dsp之间的通信采用并口方式。片选信号cs接地，始终保持接通。始终保持ad7656运行，stby直接接vdrive。ad与dsp之间采用的是16位并口进行数据传输，所以ser/par，h/s，w/b均接地。为完成六路信号同步采样，故a/d转换通道控制开关convsta，b，c连接到一起。所有的数字电源，模拟电源，接口驱动电压等电源，均通过两个电容（100nf//10mf）并联后与就近的地连接去耦［5］。
总结
该电路采样精度高，可根据电网频率变化，实时实现对每一周波的等间隔采样。通过同时控制a/d7656的convst转换开关，实现三相电压电流六路信号的同步采样，输出为16位数字信号。可根据不同的应用环境采用不同的接口电压，另外在dsp/mcu数字接口有限的情况下，a/d7656也可以采用spi通讯，或仅用8位数字并口，传输16位的数字信号［4］。
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三相电信号采集电路设计
三相电信号采集电路框架
三相电信号采集电路的框架如图1所示。三相电压电流信号经过电压电流互感器转换为较低的电压信号。其中a相的电压信号经过波形调整成为频率与a相电压信号相同的方波信号，用于测量频率。同时将转换后方波频率信号进行频率的整数倍放大作为a/d转换的控制信号。经过六路互感器降压后，将信号送入ad7656进行a/d转换，转换完的数字信号就可以供于dsp/mcu进行数据分析。
电压电流互感器的选用
电压/电流互感器均采用湖北天瑞电子有限公司tr系列检测用电压输出型变换器。电压互感器采用检测用电压输出型电压变换器tr1102-1c，如图2为其结构图，规格为300v/7.07v，非线性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。电流互感器采用检测用电压输出型电流变换器tr0102-2c，规格为5a/7.07v，非线性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。
电源电路
ad7656共有两种模拟信号输入模式，一是模拟输入信号为二倍的参考电压（2.5v）即+/-5v之间，另一种是四倍的参考电压即+/-10v之间。为提高采样的精度，本电路采用输入信号为+/-10v之间，因此需要+/-10v~+/-16.5v之间电源供电。ad7656同时需要5v的avcc和dvcc电源及3.3v的接口电压电源vdrive（也可以是5v，可根据需要进行调整）。因此，该电路共需要+/-10v~+/-16.5v，5v，3.3v三种电压。电源电路共采用三种电源芯片7805，reg1117-3.3v，和max865。外用直流变压器产生约15v的直流电源，接入7805经电容滤波调理，输出5v电压。ad7656的avcc和dvcc可接受电源极限为7v。7805产生的电压作为施密特触发器的电源，故接入的频率信号经处理后为0到3.3v之间的方波信号。7805产生的电压接入reg1117-3.3v，reg1117-3.3v产生的电压直接接入ad7656的vdrive。max865是一种高效电荷泵，能够用一种直流电压输入，产生2倍的正负两种电压。输入电压的范围为1.5~6v之间，7856产生的5v电压接入max865产生+/-10v。
频率调整电路
交流电力参数的频率并不是固定不变的，电力系统的频率有一定的波动范围，特别对小功率供电系统，其供电电网的信号频率将随负载有较大范围内的波动［3］。频率波形调理电路如图4，a相电压信号经互感器转换成+/-7.07v左右的正弦电压信号v1。为了不影响输入信号v1的波形，先使用电压跟随器将v1引入调理电路。因电压跟随器的输入信号为+/-7.07v之间，故需要采用+/-10v为供电电源的运算放大器。d1对采入的信号进行整流，使输入信号只有正半波，负半波为0。d2为5.01v稳压管，限制输入到施密特触发器7414，如果需要接口电压为+5v，也可采用施密特触发器hcc40106bf。
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电网的频率在正常情况下是在一定范围内变化，采取硬件锁相倍频的方法能够实现每周期内采样的等间隔，提高采样的准确性，电路原理图如图5。锁相环hef4046的6、7管脚必须外接振荡电容;11、12管脚必须外接振荡电阻。这是因为在锁相环hef4046的内部采用rc型压控振荡器，必须外接电阻和电容作为充放电元件。其内部的vco是一个电流控制振荡器，对定时电容的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使得vco的振荡频率也正比于该控制电压。13脚接电容和电阻起滤波作用。r1和c1决定了vco的频率范围［4］ ， 再结合cd4060电路一起实现锁相倍频的功能，频率的放大倍数可以接在cd4060的q4~q14不同管角上加以选择.vco out 接入a/d转换convst口控制采样。
a/d转换电路
ad7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近（sar）型adc，它具有每通道达250ksps的采样率，并且在片内包含一个2.5v内部基准电压源和基准缓冲器。ad7656的电源包括avcc、dvcc、vdd、vss和vdrive。avcc和dvcc分别为模拟电源和数字电源，范围为4.75~5.25 v。vdd/vss为采集到的模拟信号部分的供电电源，范围为+/-5v到+/-16.5v之间。ad7656允许的模拟输入信号有两种量程，一种是输入信号为+/-5v之间，另外一种为+/-10v之间。为提高采样的精度，采用输入信号范围为+/-10v之间的电路接法。因此vdd/vss至少为+/-10v。range口决定的模拟信号输入的范围，当range接地时，输入范围为4倍的参考电压（2.5v），当range接vdrive时，模拟输入范围为2倍的参考电压，因此range信号端接地。参考电压采用的是内部参考电压。ad7656和dsp之间的通信采用并口方式。片选信号cs接地，始终保持接通。始终保持ad7656运行，stby直接接vdrive。ad与dsp之间采用的是16位并口进行数据传输，所以ser/par，h/s，w/b均接地。为完成六路信号同步采样，故a/d转换通道控制开关convsta，b，c连接到一起。所有的数字电源，模拟电源，接口驱动电压等电源，均通过两个电容（100nf//10mf）并联后与就近的地连接去耦［5］。
总结
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