模拟量输入输出系统

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单元二 采样及采样保持电路
• 当电力系统运行频率偏离50 Hz较小时，可以采用此种采样方式， • 因为其实现方法较简单。 • ②同步采样。它又分为两种方式:跟踪采样和定位采样。目前微机保
护大多采用跟踪采样。 • 跟踪采样的采样周期Ts不再恒定，而是使采样频率fs跟踪系统基频f1
Ts=常数。采样频率关不随模拟输入信号的基波频率的变化而调整， 人为地认为模拟输入信号的基波频率不变。此种情况下，采样频率 fs=1/Ts，通常取为电力系统工频50 Hz的整数倍(N)，即fs=50N (Hz)。 但是在电力系统运行中，基波频率可能偏离工频，事故状态下偏离甚 至很严重，采样频率相对于基频不再是整数倍数关系，这使得N个采 样值不再是模拟输入信号的一个完整的周期采样，即采样脉冲和输入 信号时间位置发生异步。这将给许多算法带来误差。
• 3.对采样保持电路的要求 • (1)使电容器Ch上，电压按一定的精度跟踪上A1, A2所需的最小采样
宽度Tc(或称截获时间)。对快速变化的信号采样时，要求Tc尽量短， 以便可用很窄的采样脉冲，这样才能准确地反映某一时刻的输入值。
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单元二 采样及采样保持电路
• (2)保持时间要长。 • (3)模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。 • (1)和(2)两个指标一方面取决于所用A1、A2的质量，另一方面也和 • 电容器Ch的电容量有关。就截获时间而言，希望Ch的电容越小越好，
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单元二 采样及采样保持电路
• (2)多通道间的采样方式:在变电站综合自动化系统中，绝大多数的算 法都是基于多个模拟输入信号(如三相电压和三相电流、零序电压和 零序电流等)电气量采样值进行计算的。按照对各通道信号采样的相 互时间关系，可以采用以下三种采样方式。
• ①同时采样。在每一个采样周期对所要采样的各个通道的量同一时刻 一起采样，叫同时采样。一般情形下，只有保持各个(或某些个)输入 信号离散化的同时性，才对数字保护的计算有意义。
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单元一 模拟量输入/输出通道的组成
• 在变电站中，要监测或控制的模拟量不止一个，即需要采集的模拟量 一般比较多。为了简化电路，也为了节约投资，可以用多路模拟开关， 使多个模拟信号共用一个采样保持器和A/D转换器进行采样和转换。
• 4.采样保持器 • 在进行A/D采样期间，保持输入信号不变的电路称采样保持电路。由
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单元一 模拟量输入/输出通道的组成
• 有的生产厂家生产出电压、电流、功率等变送器，将变电站、发电厂 的电压互感器和电流互感器输出的交流电压、电流等强电信号直接转 换成介于转换器-5~+5V之间的直流电压信号，这些电压、电流变送 器的输出可以直接与其成比例。对于将非电量转换为电量的传感器， 因转换结果大多数为弱电信号，为了避免低电平模拟信号给信号处理 环节带来麻烦，一些研究部门和生产厂家已研究生产出各种变送器， 将传感器输出的微弱电信号或电阻值等非电量转换成4~20 mA统一电 流信号或0~5V的电压信号，这些变送器有温度变送器、压力变送器、 流量变送器等。现场的物理量(温度、压力、流量等)通过这些变送器 很容易与A/D转换器相联系。
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单元二 采样及采样保持电路
• 时间取量化的过程称为采样，即在给定的时刻对连续信号进行测量。
采样是将一个连续的时间信号x(t)变成离散的时间信号。从信号处理
的观点来看，采样的过程可以看成是用采样序列s(t)与连续信号x(t)相
乘后得到的一个新的信号xs(t)，即
• 采样过程是将模拟信号x(t)首先通过采样保持器，对输入信号的即时
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单元二 采样及采样保持电路
• 电力系统中的模拟量有三种形式:其一是快速变化的交流电流、交流 电压等交流量;其二是变化缓慢的控制母线及操作母线直流电压量;其 三是变化缓慢的非电量。
• 一、采样及采样方式
• 1.采样 • 计算机只能对数字信号进行处理，故对输入的模拟信号应进行采样，
以获得用数字量表示的时间序列。此过程即为量化过程。量化包括两 个过程:第一个过程是把时间的连续信号按一定的时间间隔变成时间 的离散序列，称为时间取量化;第二个过程是逐一将这些离散时间信 号电平转换为二进制数表示的数字量，称为幅值取量化。
• 把在采样时刻上得到的模拟量的瞬时幅度完整地记录下来，并按需要 准确地保持一段时间，叫采样保持。采样保持的功能是由采样保持器 实现的，即把采样功能和保持功能综合在一个电路，即采样保持电路。
• 采样保持器的基本组成电路如图2 -4所示。它由保持电容器Ch和输入/ 输出缓冲放大器A1, A2以及控制开关S组成。它有采样模式和保持模 式两种工作模式，可由模式控制信号选择。
单元一 模拟量输入/输出通道的组成
• 5. A/D转换器 • 这是模拟量输入通道的核心环节。其作用是将模拟输入量转换成数字
量，以便由计算机读取，进行分析处理。
• 二、模拟量输出通道的组成
• 计算机输出的信号是以数字的形式给出的，而有的执行元件要求提供 模拟的电流或电压，故必须采用模拟量输出通道来实现。模拟量输出 通道的组成见图2-1的虚线框2，它的作用是把微型计算机输出的数字 量转换成模拟量，这个任务主要是由数/模(D/A)转换器来完成。
• ①采样期间。模式控制开关S闭合，A1是高增益放大器，它的输出 通过开关S给保持电容器Ch快速充电，使采样保持器的输出随输入变 化。S接通时，要求充电时间越短越好，以使Ch迅速达到输入电压值。 S的闭合时间应使Ch有足够的充电或放电时间。
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单元二 采样及采样保持电路
• ②保持期间。模拟控制信号使开关S断开。为了提高保持能力，应用 运放A2，它的输入阻抗大，输出阻抗很小，理想情况下，电容器将 保持充电时的最高值。
于输入模拟信号是连续变化的，而A/D转换器完成一次转换是需要时 间的，这段时间称为转换时间。不同类型的A/D转换芯片，其转换时 间不同。对于变化较快的模拟输入信号来说，如果不采取措施，将会 引起转换误差。为了保证转换精度，可采用采样保持器，以便在A/D 转换期间，保持采样输入的信号大小不变。
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单元二 采样及采样保持电路
• 分析可知，若A/D转换器的转换时间为100 ms，则允许输入信号的最 高频率只能是0. 4 Hz 。A/D转换时间越长，不影响转换精度下所允许 的最高频率就越低。但模拟信号的频率是由物理量的性质决定的，例 如，电力系统中电压和电流的变化频率为50 Hz，因此，在满足转换 精度要求的条件下，提高信号允许的工作频率，可以采用采样保持器， 在A/D转换期间保持采样输入信号大小不变。
但就保持时间而言，希望Ch的电容越大越好。因此，应根据使用场合 的特点，在二者之间权衡后选择合适的Ch的电容值。 • 4.常用的采样保持器集成芯片 • 目前，采样保持电路大多集成在单一芯片中，但其中不包括电容器 Ch(一般由用户根据需要选择并外接)。
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单元二 采样及采样保持电路
• 这一方面是因为用集成电路构成电容器困难;另一方面是为增加设计 的灵活性，可根据不同的应用场合选用不同电容量的电容器。保持电 容器一般选用聚苯乙烯或聚四氟乙烯电容器，其电容值的选择应综合 考虑精度、采样频率、下降误差、采样/保持偏差等参数(具体可参考 相关手册)。
的变化，始终保持fs / f1=N为不变的整数。这种采样方式通常是通过 硬件或软件测取基频周期T1的变化，然后动态调整采样周期Ts来实现。 采用跟踪采样技术后，数字滤波以及一些算法能彻底消除基波频率变 动引起的计算误差，从而能在基频偏离工频很大时准确地取出当时系 统的基频分量、谐波分量或序分量，这是模拟保护装置难以做到的。
幅度每隔T采样一次(定时采样)，并把它存放在保持电路内，供A/D转
换器使用，经过采样的信号称为离散时间信号，它只表达时间轴上一
பைடு நூலகம்
些离散点
上的信号值
，…，
从而得到一组特定时间下表达数值的序列。
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单元二 采样及采样保持电路
• 2.采样方式 • (1)单一通道的采样方式:根据采样点的位置以及采样间隔时间与输入 • 波形在时间上的对应关系，分为异步采样和同步采样。 • ①异步采样，也称定时采样。间隔采样周期T永远保持固定不变，即
• 2.采样保持器的作用 • A/D转换器完成一次转换过程是需要时间的，这段时间称为转换时间。
不同类型的A/D转换芯片，其转换时间不同。因此，对变化较快的模 拟信号来说，如不采取措施，将引起转换误差。显然，A/D转换器的 转换时间越长，对同样频率的模拟信号的转换精度的影响就越大。为 了保证转换精度，可采用采样保持器，以便在A/D转换期间，保持采 样输入信号的大小不变。为了保证转换时的误差在A/D转换器的量化 误差内，模拟信号的频率不能过高。
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单元一 模拟量输入/输出通道的组成
• 2.信号处理环节 • 通常A/D转换器的输入有以下几种电压等级:双极性为-2. 5~+2. 5 V，-
5~+5 V，-10~+10 V等;单极性为0~5 V, 0~10 V, 0~20 V等。不同传 感器的输出电信号各不相同，因此，需要经过信号处理环节将传感器 输出的信号放大或处理成与转换器所要求的输入相适应的电压水平。 • 另外，传感器与现场信号相连接，处于恶劣的工作环境，其输出叠加 有干扰信号。因此，信号处理包括低通滤波电路，以滤去干扰信号。 通常可采用RC低通滤波器，若采用运算放大器构成的有源滤波电路， 可以取得更好的滤波效果。 • 3.多路转换开关
• 一、模拟量输入通道的组成
• 典型的模拟量输入通道由以下几部分组成。 • 1.传感器 • 能够把生产过程的非电量物理量转换成电量(电流或电压)的器件称为
传感器。 • 在电厂和变电站或其他工业过程控制中，有些电量，如电流、电压等
电信号均属于强电信号，不能直接输入模/数(A/D)转换器，必须经过 电流或电压互感器变成弱电信号，这些互感器可认为是广义的传感器。
模块二 模拟量输入/输出系统
• 单元一模拟量输入/输出通道的组成 • 单元二采样及采样保持电路 • 单元三多路转换开关 • 单元四数/模转换器 • 单元五模/数转换器 • 单元六VFC式数据采集系统
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单元一 模拟量输入/输出通道的组成
• 模拟量输入/输出通道的结构框图如图2-1所示，图中虚线框1为模拟 量输入通道，虚线框2为模拟量输出通道。
• 顺序采样必然会给各通道采样值带来时间差。 • 3.分组同时采样 • 将所有输入通道分成若干组，在组内各通道同时采样，各组间人为地
增加一时延，在完成同一组的模拟输入信号采样后，再对其他组的模 拟输入信号进行采样，叫分组同时采样。
• 二、采样保持器
• 1.采样保持器的工作模式
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单元二 采样及采样保持电路
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单元一 模拟量输入/输出通道的组成
• 由于转换器需要一定的转换时间，在转换期间，输入的待转换的数字 量应该保持不变，而计算机输出的数据，在数据总线上稳定的时间很 短，因此，在计算机与D/A转换器间必须用锁存转换器来保持数字量 的稳定。经过D/A转换器得到的模拟信号，一般要经过低通滤波器， 使其输出波形平滑，同时，为了能驱动受控设备，可以采用功率放大 器作为模拟量输出的驱动电路。
• 采样保持芯片可分为通用型芯片、高速型芯片和高分辨率芯片三类。 常用的通用型芯片有LF198 , LF398 , AD582K , AD583K等。下面介 绍综合自动化系统中常用的LF398采样保持芯片的原理。其原理图及 适用接线图如图2 -5所示。
• 同时采样的实施技术有两种(图2-2):一种是每一通道都设置A/D转换器， 采样后同时进行A/D转换.另一种是全部通道合用一个A/D转换器，同 时采样，依次进行A/D转换。此种方式较流行。
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单元二 采样及采样保持电路
• ②顺序采样。在每一个采样周期内，对上一个通道完成采样及A/D转 换后，再开始对下一个通道进行采样，叫顺序采样，其结构示意图如 图2一3所示。