数据采集系统ppt课件.ppt

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1、 12 微机保护的数据采集系统 一、数据采集系统概述 数据采集系统：将模拟量变换成数字量的系统。 模拟信号随时间作连续变化的信号。 数字信号如果信号的定义域是一些离散的点，则称这种信号为离散信号 。如果函数的值也是一些离散点的集合，则称这种信号为数字信号。 对一个时域连续的信号进行采样。可以使其变为离散信号，对各个采样值进行模/数变换，可将其转换为数字信号。数字信号可以存贮在存贮器中，供微机保护用。 1、信号的采样 采样在给定的时刻对参数量进行测量记录。 (将连续时间信号变为对应离散信号的过程.) 采样的过程可以分为等间隔采样与不等间隔采样。微机保护一般采用等间隔采样。图1-8示 采样周期Ts

2、 相邻两个采样的矩形脉冲之间的时间间隔。 采样频率 fs 即：每秒钟内的采样脉冲数。 在微机保护中，通常是对工频信号进行处理，通过对每工频周期采样多少点，可间接求出采样周期和采样频率。 如每工频周期采样12点，N=12， Ts20ms/12=5/3ms fsN50=1250=600 HZTs1tttX（t）S（t）XS(t）等间隔采样过程的示意图被采样的信号采样脉冲采样信号 2、采样定理 当fs2fc 时，采样信号完全能代表原始信号；临界条件是fs2fc ；当fs2fc 时，频普之间发生交错，称为频普交错现象，这样采样信号xs（t）的频谱函数xs（f）中所含信息将发生畸变。 满足临界条件的采样

3、频率fs称为奈奎斯特频率。 fs 采样频率。 fc 输入信号（原始信号）频谱中所含的最高频率。 频谱 相关频率的集合 采样定理：采样频率fs必须大于输入信号（原始信号）频谱中所含最高频率fc的2倍，采样后的离散信号才能真实的代表输入的模拟信号。 3、数据采集系统的模数变换方式有两种 （1）ADC变换方式直接将模拟量转换为数字量。 （2）VFC变换方式将模拟量变换为等幅脉冲。通过脉冲记数变换为数字量。作业： 1、什么叫采样？ 什么是采样周期？什么是采样频率？如何计算采样频率和采样周期？2、什么叫采样定理？ 3、模数变换有哪两种方式？ 二、ADC式数据采集系统 图1-5 P10 由电压形成回路、模

4、拟低通滤波器（ALF）采样保持电路（S/H）、模数变换器 及多路开关（MPX）组成。 1、电压形成回路（交流变换器） 交流变换器的作用： 1）变换作用 将LH和YH二次电流或电压的幅值进一步降低，使之与模/数变换芯片所允许的信号电平匹配； 2)将电流信号转换为电压信号； 3）隔离作用 使互感器回路与微机保护的模/数变换系统完全隔离，以提高抗干扰能力。 2、前置模拟低通滤波器（ALF） （1）为什么要采用模拟低通滤波器？ 根据采样定理，当fs2fc 时采样频率才能完全代表原始信号。为了不至于使采样频率fs定得太高，要将原始信号中高于某一频率值的信号滤掉。例如：采样频率为1000HZ，必须将信号中

5、频率大于500HZ的成分滤掉。 采样频率不能定得过高的原因： 采样及数据处理的任务是必须在一个采样间隔内完成。采样频率越高，采样周期越短，会造成数据积压。 （2）作用 阻止频率高于某一数值的信号进入模/数变换系统。（或：将模拟信号中大于1/2 fs的谐波滤掉，以使采样信号真实的代表原始信号。） （3）组成：由R、C或R、C加运算组成采用A/D芯片构成的数据采集系统的方框图变换器S/HMPXA/DALF-低通滤波器。 S/H采样/保持器。MPX多路开关A/D模/数变换器Vi至微机系统ALF 3、采样保持器 图1-7 作用： 在一个极短的时间内，测量模拟信号在该时刻的瞬时值，并在模/数转换器转换为

6、数字量的过程中保持不变。图1-7示S采样保持器工作原理图电子开关S开断为采样保持UsrUscC 4、多路转换开关 图1-11 P13是一个多个输入单一输出的逻辑电路芯片。 其功能是：从多个输入中确定一个输出。译码/驱动器ENA0A1A2A3+15V-15VAS1AS16输出A1A16 编码 用一组编码去表示特定信号的编制过程。 译码 编码的逆过程，即：把编码的特定含义翻译出来。 图 为AD7506多路开关芯片。有16个输入端，一 输出端。 EN 为片选端，EN0，未选通，输入、输出端均断开。EN=1，该芯片选通。选通信号CPU送来。由四个地址端的地址码决定输出端与哪一个输入端接通。 采用多路开

7、关的原因： A/D芯片的价格较贵，一般是多路模拟信号公用一片A/D芯片的方式。故利用多路开关，使其在任一时刻，只有一路已采样的模拟信号接入A/D芯片 的输入端，进行模/数变换。转换结束后，将结果存入指定的存贮区，然后由CPU控制，使下一路信号输入到A/D芯片直至将全部模拟信号转换完成。 5、模/数转换电路 （1）作用：完成模拟量到数字量的转换。 （2）ADC （模 /数转换器）的工作原理 其基本原理是将输入的模拟量UA与参考量UR进行比较，确定输出的数字量。 ADC 模/数转换器可以认为是一种编码电路。它将输入的模拟量UA相对于参考量UR经一编码电路转换成数字量D输出。其输入、输出的关系式为：

8、 D=UA/UR D是小于1的二进制数，对于单极性模拟量，小数点在最高位前面，即：要求UA必须小于UR 。D可以表示为： DB121B222Bn2n B1为二进制数最高位，用MSB表示；Bn为最低位，用 LSB表示。B1Bn为二进制码，其值只能取0或1。A/D转换器中模拟信号量化表达式为： UAUR（B121B222Bn2n） (3)逐次逼近式模/数转换器的工作原理 转换开始由控制器首先给数码设定器设定一个数码。数码先设定为最大二进制数的一半，假若是四位数/摸转换器。最大数为1111，设定为1000将此二进制数由D/A转换器转换为模拟信号输出，输出的模拟信号与待转换的模拟信号同时加入比较器进行

9、比较，确定该位为0还是为1。然后，比较下一位，如此循环。数码设定器中的数码总值即为转换结果。控制器 数码设定器 D/A转换输入信号USRU0比较器数字量输出将数字量变为模拟量图1-12 逐次逼近式A/D转换原理图 转换的过程： 1、先将设定器的最高位置1，为100，将其由D/A转换器转换为模拟信号输出U0，为整个量程的一半。 2、将U0输入比较器与输入的模拟量USR比较，若USRU0 保留该位，若USRU0Usr VINmax/R 。在t0期间，电容C反充电，使VINT线性上升到某一电压值，单稳定时器返回，S断开，t0结束。电容C变为由VIN充电，使VINT下降至0时，重复前面的过程。如此反复

10、，输入的模拟电压变换为一串等幅脉冲输出。 在其它参数不变的情况下，输入电压VIN越大，电容充电越快，从而使输出脉冲的频率越高。反之VIN越小，输出脉冲的频率越低。 输出频率 RTtIVRIN0out1f 改变CT，可改变输出的频率，当CT增大时，t0增加，f0减小。 AD654输出的最高频率为500HZ 最高输出频率为：CRVfTTINout10图214 电荷平衡式V/F转换原理图+-A1+A2-VINR积分器SIR-VSVINT电压比较器单稳定时器RTCTV0FOUTVSTVINTV0FOUTt0反充电充电 A/D芯片只能转换单极性信号，当待转换信号为双极性时，应在输入信号上迭加一个偏置信号

11、，使双极性信号变换为单极性信号。 偏置信号fout输入电压合成电压0510500kHZ250kHZ (中心频率输入电压为0 时的输出频率） （3）采样计数 存入循环存贮区的数是每隔Ts读得的当时计数器的值，此值与输入的模拟信号无对应关系。需要进行计算时，取相邻N个采样间隔的计数器的计数值相减，其差值为NTS（N为采样间隔的个数）期间的脉冲数,此脉冲数与NTS期间的模拟信号的积分值有对应关系。 1）计算间隔NTS的选择： 进行计算时，从计数器中取几个TS期间的脉冲数。 N为采样间隔的个数。 VFC芯片具有低通滤波器的特征，其截止频率（通过 低通滤波器的最高频率）为： 根据采样定理，低通滤波器的截

12、止频率应小于或等于采样频率的一半。 ffS121NS N应取大于或等于2的值。 为了使VFC系统得到的数字信号不失真的代表模拟信号，在用于各种算法时，至少要用2TS期间的脉冲数计算。f11SSNNTffcs2ffcs21 2）VFC 式 数据采集系统的分辨率 分辨率 ：模数转换时数字量对模拟量的辨别能力。 量化误差小,分辨率高。 常用的ADC芯片，以其输出的数字信号的位数来衡量分辨率，位数越高，测量范围越大，量化误差相对值越小，分辨率越高。 VFC式数据采集系统的分辨率决定于两个因素： VFC芯片的最高输出频率；AD654（VFC）芯片输出的最 高频率为： Fmax500KHZ VFC110输

13、出的最高频率：Fmax =4MHz 是AD654芯片的8倍。计算间隔NTS的大小 。 在NTS期间计数值的大小为： DK=Fmax NTS （Dk在NTS期间计数器计到的脉冲个数。） 在微机保护中，如果每个工频周期采样12个点ms35TSFmax500KHZ 考虑符号后，为250kHZ。 FmaxTS=416 当N=2时，DK=833。 相当于A/D芯片为10.5位。当 N=4 时，DK=1666 相当于A/D芯片11.5位。 可见要提高VFC式数据采集系统的分辨率：一是选择转换频率高的芯片。需要增加投资。二是增大计算间隔NTS的值。只需要改变软件，但要增加保护的延时。一般近处故障注重速度，保

14、护范围末端故障强调精度。选4TS能较好解决二者的矛盾。（三）光隔处理 1、光隔电路 图1-18 主要由发光二极管和光敏三极管组成。 2、原理 数字脉冲使发光二极管导通发光，光脉冲照射光敏三极管，三极管立即导通，使输出放大器输出一个同相脉冲。 发光二极管和光敏三极管均有快速响应特性，适应VFC输出的高频脉冲要求。输入和输出无电的联系也无磁的联系，有极好的抗干扰及隔离作用。 3、作用： 完成电信号的耦合和传递，并达到两侧信号在电气上的隔离、绝缘作用。 （四）计数器电路 用于对VFC转换的脉冲信号进行计数。 因为每个CPU插件需要接收8路VFC 数据采集系统转换的脉冲信号，故计数器电路由3片8253

15、计数器芯片组成。每片8253计数器芯片内部有三个16位计数器。 由VFC芯片转换的脉冲信号经6N137光电隔离芯片后接至相应计数器的输入端CLK端，当门控端GATE端低电平时，停止计数。当GATE为高电平时，允许计数。 为片选端（选通端）由译码电路74LS139控制。 A0、A1为地址端。 R、C 为抗干扰电路。 CS 8253的极限计数频率为2.5MHZ。VFC芯片的最高转换频率为500KHZ。 在计数过程中，读计数器的值，不影响计数，只要往命令寄存器中写入一个锁存命令即可。 8253是16为计数器，而数据总线为8位，在读计数器的值时，要分两次读出。 在本装置中8253采用连续实时累计递减方式计数。 计数器电路VaibicVbia3i0Vc3U0(VxL)（1）8253（2）8253（3）8253D0D7数据总线A1A0A3A274LS139 2Y074LS1392Y174LS1392Y2GATE(门控端高电平计数）CSCSCS 作业： 1、VFC式数据采集系统有什么优点？ 2、简述V/F变换式数据采集系统的构成元 件及作用。 3、如何将双极性信号变换为单极性信号？ 4、VFC式数据采集系统的分辨率由哪些因素决定？如何选择采样间隔的个数N？ 5、8253芯片采样什么方式计数