【文章內(nèi)容簡介】 輸入即為對應模擬輸入信號的數(shù)字量。 對微機保護來說，選擇 A／ D轉(zhuǎn)換芯片時要考慮的兩個主要指標是： A／ D轉(zhuǎn)換的分辯率和轉(zhuǎn)換速率。 圖 9 逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器工作原理圖 分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量 。 轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與 2**ｎ之比 。 其中 n為 A/D的位數(shù) 。 具有 12位分辨率的 A/D能夠分辨出滿刻度的 1/2**12或滿刻度的％ 。 例如 ， 一個 10V滿刻度的 12位 A/D能夠分辨輸入電壓變化的最小值為 。 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量位數(shù)越多 ， 分辨率越高 ， 轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量的舍入誤差越小 。 A/D的轉(zhuǎn)換速率是指重復進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度 。 即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù) 。 而完成一次 A/D轉(zhuǎn)換所需的時間 ， 就是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù) 。 （ ii）ＶＦＣ變換式 A／ D轉(zhuǎn)換器原理 VFC轉(zhuǎn)換器是把電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號的器件，其輸出為一個等幅脈沖串，重復頻率隨時正比于輸入電壓瞬時值，如圖 10所示。它有良好的精度、線性度．此外，它的應用電路簡單，對外圍元件性能要求不高，對環(huán)境適應能力強。 圖 10 VFC輸入輸出關系圖 將模擬電壓轉(zhuǎn)換成頻率的方法很多，這里只介紹一種簡單的電荷平衡式 V/F轉(zhuǎn)換電路的工作原理。圖 11中， A1和 RC構(gòu)成一個積分器， A2是零電壓比較器，恒流源和模擬開關 S構(gòu)成積分器反充電回路。當模擬開關 S處于 2位置即與運放 A1輸出端接通時，積分器處于充電過程，積分器輸出電壓不斷下降，當積分器輸出電壓下降至零伏時， A2發(fā)生跳變觸發(fā)單穩(wěn)定時器，使其產(chǎn)生一個脈寬為 tos的脈沖，此脈沖使模擬開關 S接通至 1位置與運放 A1的反相輸入端導通 tos時間，對 C進行反充電，使VOLTS上升。到 tos結(jié)束時又使模擬開關 S處于 2位置， C再次進入充電階段， VOLTS下降，當 VOLTS下降至零伏又使單穩(wěn)定時器產(chǎn)生一個 tos 脈沖。如此反復形成頻率輸出，波形如圖 12所示。 圖 11 電荷平衡式 VFC電路結(jié)構(gòu)圖 圖 12 電荷平衡式 VFC波形圖 VFC輸出的脈沖信號頻率與電路中電阻的關系為 由上式可見 ， 輸出頻率 fout與輸入電壓 Uin呈線性關系 。 VFC從原理上不能反映輸入電壓的極性。而保護裝置的電壓信號都是雙極性的。因而用于雙極性輸入時都要設置 — 個偏置電壓，使雙極性信號變成單極性。例如，某一 VFC芯片，采用負極性接線時，其直流偏置電壓為 5V，保證了輸入電壓可以有 177。 5伏峰峰值的線性測量范圍。如圖 13所示。 osRino u t tRIUf???圖 13 VFC外部接線圖 Rp1用來調(diào)整偏置值 ， 使無外部輸入電壓時輸出頻率為 250kHZ， 從而使輸入交流電壓的測量范圍控制在 177。 5V的峰值內(nèi) ，這也叫做零源調(diào)整 。 各通道的平衡度及刻度比可用電位器 Rp2來調(diào)整 。R1和 C1為浪涌吸收回路 。VFC的變換特性與輸入交流信號的變換關系如圖 14所示 。 圖 14 VFC變換關系圖 當輸入電壓 Uin =0時，由于偏置電壓 5V加在輸入端 3上，輸出信號是頻率為 250kHZ的等幅等寬的脈沖波，如圖 15(a)所示。當輸入信號是交變信號時，經(jīng) VFC變換后輸出的信號是被 Uin交變信號調(diào)制了的等幅脈沖調(diào)頻波，如圖 15（ b）所示。可見 VFC的功能是將輸入電壓變換成一連串重復頻率正比于輸入電壓的等幅脈沖波。VFC芯片的中心頻率越高，其轉(zhuǎn)換的精度也就越高。在四方公司新型的第三代微機保護中采用的VFC芯片其中心頻率為 2MHZ，因此變換精度有了較大提高。 圖 15 VFC工作原理和計數(shù)采樣 （ a） Uin =0；（ b） Uin交流電壓； 計算間隔 NTs的選擇 用 VFC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換需要與頻率計數(shù)器配合使用，電路原理如圖 16所示。 圖 16 VFC型 A/D轉(zhuǎn)換器原理圖 設 Ck為 tk時刻讀得計數(shù)器的數(shù)值 ， CkN 為 tkN時刻讀得的計數(shù)器的數(shù)值 ， 則有： DK = CKN –CK 式中 Dk為在 NTs期間內(nèi)計數(shù)器計到的脈沖個數(shù) 。 此脈沖數(shù)對應于 NTs期間模擬信號的積分 。 式中： INT表示取整數(shù)。因為計數(shù)器的計數(shù)值只能是整數(shù)，而不可能有小于 1的值。 Kf是 VFC芯片的轉(zhuǎn)換常數(shù)。 u（ t）為輸入 VFC芯片的模擬電壓信號。 當 K變化時， Dk是對輸入電壓的移動積分，每一次積分相當于一個寬度為NTs高度為 1的矩形函數(shù) H（ t）與輸入電壓 u（ t）進行卷積分。由數(shù)字信號處理的知識可以知道，時間函數(shù) H（ t）的頻譜 H（ f）如圖 17（ b）所示。 圖 17 H（ t）與 H（ f）的對應函數(shù)圖像 由此看來 ， 它具有低通濾波器的特性 ， 其截止頻率為 1/ NTs 。 由以上分析可知 ， 盡管 VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中沒有象直接型 A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中那樣設置低通濾波器 ，但頻率記數(shù)的效果相當于有一個等效低通濾波器 。 根據(jù)采樣定理 ， 低通濾波器的截止頻率應小于等于采樣頻率的一半 。 即： 可見 N應選取大于等于 2的值 。 即為使 VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的數(shù)字信號不失真地代表模擬信號 ， 在用于各種算法時 ， 至少要用 2Ts期間的脈沖數(shù)計算 。 ss ffN 211 ?VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率 微機繼電保護對模數(shù)變換器的主要要求是分辨率 。 直接型 A/D芯片以其輸出的數(shù)字信號的位數(shù)來衡量分辨率 。 例如某一芯片 ， 輸出數(shù)字量為 12位 ， 去除符號位 ， 其表示的數(shù)的范圍是 177。 2048， 顯然位數(shù)越多測量范圍越大 ， 量化誤差相對越小 。 VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率決定于兩個因素 ， 其一是 VFC芯片輸出的最高頻率 ， 二是計算間隔 NTs的大小 。 在 NTs期間計數(shù)的最大值為： DK = Fmax* NTs 若 Ts=5/3ms, Fmax=500kHz, 考慮符號后為 177。 250kHz， 則 Fmax ?Ts=177。 416, 當N=2時 , Dk=177。 833, 相當于常規(guī) A/D芯片 . 當 N=4時 , Dk=177。 1666, 相當于常規(guī) A/D芯片的位數(shù)為 。 可見 ， 欲提高 VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率 ， 一是選擇最高轉(zhuǎn)換頻率高的芯片 ，這要增加硬件成本；二是增大計算間隔 NTs 的值 。 這只需要在軟件中改變即可實現(xiàn) ， 但代價是增加了保護的延時 。 實際上任何控制系統(tǒng)中速度和精度總是一對矛盾 。