变电站模拟量输入输出原理 (5)

1、 电气化3111 雷岩飞一、模拟量输入及输出电路简述一、模拟量输入及输出电路简述 变电站综合自动化的微机系统所采集的变电站测控变电站综合自动化的微机系统所采集的变电站测控对象的电流、电压、有功和无功功率、温度等都属于模对象的电流、电压、有功和无功功率、温度等都属于模拟量。模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电拟量。模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与压及完成模数变换，以便与CPUCPU接口完成数据采集任务。接口完成数据采集任务。 模拟量输入电路有两种方式：模拟量输入电路有两种方式：（1 1）逐次逼近型）逐次逼近型A/DA/D转换方式转换方式直接将模拟量转换为数

2、直接将模拟量转换为数字量的变换方式；字量的变换方式；（2 2）利用电压）利用电压/ /频率变化（频率变化（VFCVFC）原理进行模数变换方）原理进行模数变换方式式将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。数变换为数字量的一种变换方式。变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回二、逐次逼近型二、逐次逼近型A/DA/D变换的模拟量输入电路变换的模拟量输入电路变换器多路转换开关存 储 器采 样 保 持低 通 滤 波电 压 形 成 回 路/电 压 形 成 回 路低 通 滤 波采 样 保 持总 线 逐次逼近型模拟量输入电路

3、框图逐次逼近型模拟量输入电路框图变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回 （一）电压形成回路（一）电压形成回路 来自来自TATA、TVTV的电流或电压量不适应模数变换器的的电流或电压量不适应模数变换器的范围，故需要进行变换。范围，故需要进行变换。C 2V 2变换器R 1R 2U图1 模拟量输入电流变换原理图T A 二次侧i ( t )C 1V 1R 模拟量输入电压变换原理图模拟量输入电压变换原理图（a)a)电压接口电压接口 （b) b) 电流接口电流接口（a)a)（b)b)100V5A/1A ？变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回电压形成电路作用：电压形成电路作用：

4、 起电量变换起电量变换 将一次设备的将一次设备的TATA、TVTV的二次回路与微机的二次回路与微机A/DA/D转转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。换系统完全隔离，提高抗干扰能力。电路中的稳压管电路中的稳压管V1V1和和V2V2的作用？的作用？ 稳压管稳压管V1V1和和V2V2组成双向限幅，使后面环节的采组成双向限幅，使后面环节的采样保持器、样保持器、A/DA/D转换芯片的输入电压限制在峰转换芯片的输入电压限制在峰峰值峰值10V10V（或（或5V5V）以内。）以内。变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回 （二）低通滤波器和采样定理（二）低通滤波器和采样定理、低通滤波、低通滤波 电力

5、系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的频率，需在采用之前将最高频率分量限制在一定的频的频率，需在采用之前将最高频率分量限制在一定的频带内，以降低采样频率带内，以降低采样频率fs,fs,这样一方面降低了对硬件的这样一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需要的最高频率信号的采样不速度要求，另一方面对所需要的最高频率信号的采样不至于发生失真。至于发生失真。 模拟低通滤波器可以做成有源或无源的，最常用的模拟低通滤波器可以做成有源或无源的，最常用的是是RCRC低通滤波器，阶数根据具体的情况而定。低通滤波器，阶数根据具体的情况而定。常用的滤波电常用的滤波

6、电路的类型？路的类型？变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回、采样和采样定理、采样和采样定理 模拟量的采样可分为直流采样和交流采样两种类型。模拟量的采样可分为直流采样和交流采样两种类型。（1 1）直流采样）直流采样 直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量先转换直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量先转换成直流电压信号，再送至成直流电压信号，再送至A AD D转换器进行转换；即转换器进行转换；即A AD D转换器采样的模拟量为直流信号。转换器采样的模拟量为直流信号。（）交流采样（）交流采样 指对交流电流和交流电压采集时，输入至指对交流电流和交流电压采集时，输入至A AD D转换转换

7、器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率，器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率，大小成比例的交流电压信号。如下页图所示。大小成比例的交流电压信号。如下页图所示。变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回交流电压电流输入通道结构框图交流电压电流输入通道结构框图（a a）电压输入通道（）电压输入通道（b b）电流输入通道）电流输入通道变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回采样定理采样定理一个随时间连续变化的物理量一个随时间连续变化的物理量f(t)f(t)，如图（，如图（a a），经过采），经过采样后，得到一系列的脉冲序列样后，得到一系列的脉冲序列f f* *(t)(

8、t)，它是离散的信号，它是离散的信号，被称为采样信号，如图被称为采样信号，如图(c) (c) 。 根据香农（根据香农（ShannonShannon）定理：如果随时间变化的模拟信）定理：如果随时间变化的模拟信号（包括噪声干扰在内）的最高频率为号（包括噪声干扰在内）的最高频率为f fmaxmax，只要按照采，只要按照采样频率样频率f2ff2fmaxmax进行采样，那么所给出的样品系列就足以进行采样，那么所给出的样品系列就足以代表（或恢复）代表（或恢复）f(t)f(t)了，实际应用中常采用了，实际应用中常采用f(5-f(5-10)f10)fmaxmax。变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原

9、理返回 采采样样过过程程变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回（三）采样保持器（三）采样保持器 连续时间信号的采样及其保持是指在采样时刻上，连续时间信号的采样及其保持是指在采样时刻上，把输入模拟信号的瞬时值记录下来，并按所需的要求把输入模拟信号的瞬时值记录下来，并按所需的要求准确地保持一段时间，供模数转换器准确地保持一段时间，供模数转换器A/DA/D使用。使用。 在在t0t0时，时，s s开关闭合，开关闭合，电容被迅速充电，电容被迅速充电，ui=uoui=uo。t0-t1t0-t1是采样阶段。是采样阶段。 在在t1t1时，时，s s断开，断开，uouo为此刻为此刻的输入值，的输入

10、值，t1-t2 t1-t2 是保持是保持阶段，供阶段，供A/DA/D使用。使用。 0t2t0 t1t3 t4 t5 t6采样阶段采样阶段保持阶段保持阶段采样采样采样采样 采样保持示意图采样保持示意图变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回（四）多路转换开关（）（四）多路转换开关（）以以AD7506为例说明多路转换开关的工作原理。为例说明多路转换开关的工作原理。通道数选择输入 多路转换开关多路转换开关AD7506ui0变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回（五）模数（五）模数(A/D)(A/D)变换变换 A/DA/D变换器主要有变换器主要有逐次逼近型、积分型、计数型和并

11、逐次逼近型、积分型、计数型和并行比较型行比较型等几种类型。等几种类型。 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换的实质是：逐次把设定的转换的实质是：逐次把设定的SAR SAR 寄寄存器的数字量经存器的数字量经D/AD/A转换后得到的电压转换后得到的电压UcUc与待转换的模与待转换的模拟电压拟电压UxUx进行比较。比较时，先从进行比较。比较时，先从SAR SAR 最高位开始，逐最高位开始，逐次的确定各位的数码是次的确定各位的数码是“1”1”还是还是 “ “0” 0” 。变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理/时序及控制逻辑比较器

12、数字量输出第一次 预测第二次 预测第三次 预测第四次 预测电压01000 0100 0110 0101终值( )原理框图( )逐次逼近过程变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回三、基于三、基于V/FV/F转换的模拟量输入回路转换的模拟量输入回路（一）（一）VFCVFC型型A/DA/D变换变换 VFCVFC的原理是将输入的电压模拟量的原理是将输入的电压模拟量uiui线性地变换线性地变换为数字脉冲式的频率为数字脉冲式的频率f f，使产生的脉冲频率正比，使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后再固定的时间内用计于输入电压的大小，然后再固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数，使数器对脉

13、冲数目进行计数，使CPUCPU读入，其原理读入，其原理如图所示。如图所示。电 压形 成V F C计 数 器C P UUi n二 进 制数 字 量总 线数 字 脉 冲 波 VFCVFC型型A/DA/D变换原理框图变换原理框图变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回（二）（二）AD654AD654的结构及工作原理的结构及工作原理AD654AD654是单片是单片VFCVFC变换芯片，中心频率为变换芯片，中心频率为50Hz50Hz。在。在装置中一般采用负端输入方式，如图装置中一般采用负端输入方式，如图2-162-16，AD654AD654只能转换单极性，所以对交流电压的信号只能转换单极性，

14、所以对交流电压的信号输入，必须有个负的偏置电压，它在输入，必须有个负的偏置电压，它在3 3端输入。端输入。AD654AD654工作电路图工作电路图VFC快速光隔+UsUin-5 -15 Rp1Rp2R1至各插件34零漂零漂调整调整变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回RRVFC光隔至各插件 fout020MHzR交流输入C零漂调整零漂调整变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回 此偏置电压为此偏置电压为-5V-5V，其压控震荡频率与网络电阻，其压控震荡频率与网络电阻的关系为的关系为 可见输出频率与输入电压呈线性关系。可见输出频率与输入电压呈线性关系。 R RP1P1用

15、来调整偏置值，使外部输入电压为零时用来调整偏置值，使外部输入电压为零时输出频率为输出频率为250kHz,250kHz,从而使交流电压的测量范围从而使交流电压的测量范围控制在控制在5V5V的峰值内，这也叫零漂调整。各通道的峰值内，这也叫零漂调整。各通道的平衡度及刻度比可用电位器的平衡度及刻度比可用电位器R RP2P2来调整。来调整。 )()(5101211PinPToutRRuRRCf变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回 VFCVFC的变换特性与输入交流信号的变换关系的变换特性与输入交流信号的变换关系如图。如图。 VFC VFC变换关系图变换关系图0-5 -10 Uint5002

16、50输入输入-5V输入输入0V输入输入+5V变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回 当输入电压当输入电压 时，由于偏置时，由于偏置电压电压-5V-5V加在输入端加在输入端3 3上，输出信上，输出信号是频率为号是频率为250kHz250kHz的等幅等宽的的等幅等宽的脉冲波，见图（脉冲波，见图（a a），当输入信），当输入信号是交流信号时，经号是交流信号时，经VFCVFC变换后变换后输出的信号是被交变信号调制了输出的信号是被交变信号调制了的等幅脉冲调频波，见图（的等幅脉冲调频波，见图（b b）。）。0 inu变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回Rk(a)(b)uin=

17、0u0u0uintk-2Ts tk2Ts Dk Rk-2 VFC VFC工作原理和计数采样工作原理和计数采样（a a）uin=0 uin=0 （b b）uinuin为交变信号为交变信号250kHz的等幅的等幅等宽脉冲等宽脉冲-5V500kHzT小小稠稠密密变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回 在在 至至 的这一段时间内计数器计到的脉冲的这一段时间内计数器计到的脉冲数为数为 ，如果每个脉冲对应的电压值为，如果每个脉冲对应的电压值为K Kb b系数，则输入电压可用下式表示系数，则输入电压可用下式表示 式中：式中： 为为250kHz250kHz中心频率对应的脉冲常数。中心频率对应的脉

18、冲常数。 SkNTt kt)(NkkkRRD bkinKDDu)(0 0D瞬时值瞬时值变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理返回四、模拟量输出电路四、模拟量输出电路（一）模拟量输出电路组成（一）模拟量输出电路组成总线输出接口/ 转 换 器锁存器放大驱动工业生产过程 模拟量输出通道结构框图模拟量输出通道结构框图 由于由于D/AD/A需要一定时间，在转换期间，输入待转换的数需要一定时间，在转换期间，输入待转换的数字量应保持不变，而数据在总线上稳定的时间很短，因此字量应保持不变，而数据在总线上稳定的时间很短，因此必须用锁存器来保持数据量的稳定。必须用锁存器来保持数据量的稳定。 锁存器：锁存器：本质是一种触发器，具有记忆功