变电站模拟量输入输出原理

1、变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理一、模拟量输入及输出电路简述二、电压形成回路三、低通滤波器和采样定理四、模数(A/D)变换五、AD654的结构及工作原理六、模拟量输出电路 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CPU接口完成数据采集任务。模拟量输入电路有两种方式：（1）逐次逼近型A/D转换方式直接将模拟量转换为数字量的变换方式；（2）利用电压/频率变化（VFC）原理进行模数变换方式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。一

2、、模拟量输入及输出电路简述逐次逼近型A/D变换的模拟量输入电路存 储 器多路转换开关变换器总 线采 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 持图2-7 逐次逼近型模拟量输入电路框图来自TA、TV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。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？（a)a)（b)b)100V5A/1A 图2-8 模拟量输入电压变换原理图（a)电压接口 （b) 电流接口二、电压形成回路电压形成电路作用：起电量变换将一次设备的TA、TV的二次回路与微机A

3、/D转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。电路中的稳压管V1和V2的作用？ 稳压管V1和V2组成双向限幅，使后面环节的采样保持器、A/D转换芯片的输入电压限制在峰峰值10V（或5V）以内。二、电压形成回路、低通滤波 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带内，以降低采样频率fs,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，最常用的是RC低通滤波器，阶数根据具体的情况而定。三、低通滤波器和采样定理三、低通滤波器和采样定理、采样和采样定理 模拟量的采样可分为直流采样和交

4、流采样两种类型。（1）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成直流电压信号，再送至AD转换器进行转换；即 AD转换器采样的模拟量为直流信号。（）交流采样 指对交流电流和交流电压采集时，输入至AD转换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。 图2-9 交流电压电流输入通道结构框图（a）电压输入通道（b）电流输入通道三、低通滤波器和采样定理采样定理一个随时间连续变化的物理量f(t)，如图2.10（a），经过采样后，得到一系列的脉冲序列f*(t)，它是离散的信号，被称为采样信号，如图2.10(c) 。 根据香农（Shannon）定理：如果随

5、时间变化的模拟信号（包括噪声干扰在内）的最高频率为fmax，只要按照采样频率f2fmax进行采样，那么所给出的样品系列就足以代表（或恢复）f(t)了，实际应用中常采用f(5-10)fmax。三、低通滤波器和采样定理图 2.10 采样过程三、低通滤波器和采样定理在t0时，s开关闭合，电容被迅速充电，ui=uo。t0-t1是采样段。在t1时，s断开，uo为此刻的输入值，t1-t2 是保持阶段，供A/D使用。 0t2t0t1t3t4t5t6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器 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，并按所需的要求准确地保持一

6、段时间，供模数转换器A/D使用。三、低通滤波器和采样定理通道数选择输入图图 2.13 2.13 多路转换开关多路转换开关多路转换开关（）以AD7506为例说明多路转换开关的工作原理。三、低通滤波器和采样定理 A/D变换器主要有逐次逼近型、积分型、计数型和并行比较型等几种类型。 逐次逼近型A/D转换的实质是：逐次把设定的SAR 寄存器的数字量经D/A转换后得到的电压Uc与待转换的模拟电压Ux进行比较。比较时，先从SAR 最高位开始，逐次的确定各位的数码是“1”还是 “0” 。四、模数(A/D)变换/时 序 及 控 制 逻 辑比 较 器数字量输出第 一 次 预 测第 二 次 预 测第 三 次 预

7、测第 四 次 预 测电 压01000010001100101终 值()原 理 框 图()逐 次 逼 近 过 程图 2.14 逐次逼近型A/D转换器的工作原理四、模数(A/D)变换电 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 波基于V/F转换的模拟量输入回路 VFC型A/D变换 VFC的原理是将输入的电压模拟量ui线性地变换为数字脉冲式的频率f，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数器对脉冲数目进行计数，使CPU读入，其原理如同2-15所示。VFC型A/D变换原理框图四、模数(A/D)变换VFC快速光隔+UsUin-5 -15

8、 Rp1Rp2R1至各插件34 AD654工作电路图五、AD654的结构及工作原理 AD654是单片VFC变换芯片，中心频率为50Hz。在装置中一般采用负端输入方式，如图2-16，AD654只能转换单极性，所以对交流电压的信号输入，必须有个负的偏置电压，它在3端输入。RRVFC光隔至各插件 fout020MHzR交流输入C零漂调整零漂调整五、AD654的结构及工作原理五、AD654的结构及工作原理此偏置电压为-5V，其压控震荡频率与网络电阻的关系为 fout= 可见输出频率与输入电压呈线性关系。 RP1用来调整偏置值，使外部输入电压为零时输出频率为250kHz,从而使交流电压的测量范围控制在5

9、V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RP2来调整。2115101PinPTRRuRRC VFC的变换特性与输入交流信号的变换关系如图2-17。0-5 -10 Uint500250输入输入-5V输入输入0V输入输入+5V五、AD654的结构及工作原理0 inu五、AD654的结构及工作原理 当输入电压 时，由于偏置电压-5V加在输入端3上，输出信号是频率为250kHz的等幅等宽的脉冲波，见图2-18（a），当输入信号是交流信号时，经VFC变换后输出的信号是被交变信号调制了的等幅脉冲调频波，见图2-18（b）。Rk(a)(b)uin=0u0u0uintk-2Ts tk2Ts

10、 Dk Rk-2 VFC工作原理和计数采样（a）uin=0 （b）uin为交变信号250kHz的等幅等宽脉冲-5V500kHzT小稠密五、AD654的结构及工作原理kt)(NkkkRRD bkinKDDu)(0五、AD654的结构及工作原理在 至 的这一段时间内计数器计到的脉冲数为 ，如果每个脉冲对应的电压值为Kb系数，则输入电压可用下式表示 式中： 为250kHz中心频率对应的脉冲常数。 SkNTt 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 由于D/A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，因此必须用锁存器来保持数据量的稳定。 锁存器：本