【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輸入即為對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量。 對(duì)微機(jī)保護(hù)來說，選擇 A／ D轉(zhuǎn)換芯片時(shí)要考慮的兩個(gè)主要指標(biāo)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(gè)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(gè) 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(fù)進(jìn)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(shí)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)的器件，其輸出為一個(gè)等幅脈沖串，重復(fù)頻率隨時(shí)正比于輸入電壓瞬時(shí)值，如圖 10所示。它有良好的精度、線性度．此外，它的應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，對(duì)外圍元件性能要求不高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。 圖 10 VFC輸入輸出關(guān)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(jiǎn)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(gè)積分器， A2是零電壓比較器，恒流源和模擬開關(guān) S構(gòu)成積分器反充電回路。當(dāng)模擬開關(guān) S處于 2位置即與運(yùn)放 A1輸出端接通時(shí)，積分器處于充電過程，積分器輸出電壓不斷下降，當(dāng)積分器輸出電壓下降至零伏時(shí)， A2發(fā)生跳變觸發(fā)單穩(wěn)定時(shí)器，使其產(chǎn)生一個(gè)脈寬為 tos的脈沖，此脈沖使模擬開關(guān) S接通至 1位置與運(yùn)放 A1的反相輸入端導(dǎo)通 tos時(shí)間，對(duì) C進(jìn)行反充電，使VOLTS上升。到 tos結(jié)束時(shí)又使模擬開關(guān) S處于 2位置， C再次進(jìn)入充電階段， VOLTS下降，當(dāng) VOLTS下降至零伏又使單穩(wěn)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè) tos 脈沖。如此反復(fù)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(hào)頻率與電路中電阻的關(guān)系為 由上式可見 ， 輸出頻率 fout與輸入電壓 Uin呈線性關(guān)系 。 VFC從原理上不能反映輸入電壓的極性。而保護(hù)裝置的電壓信號(hào)都是雙極性的。因而用于雙極性輸入時(shí)都要設(shè)置 — 個(gè)偏置電壓，使雙極性信號(hào)變成單極性。例如，某一 VFC芯片，采用負(fù)極性接線時(shí)，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(cè)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(shí)輸出頻率為 250kHZ， 從而使輸入交流電壓的測(cè)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(hào)的變換關(guān)系如圖 14所示 。 圖 14 VFC變換關(guān)系圖 當(dāng)輸入電壓 Uin =0時(shí)，由于偏置電壓 5V加在輸入端 3上，輸出信號(hào)是頻率為 250kHZ的等幅等寬的脈沖波，如圖 15(a)所示。當(dāng)輸入信號(hào)是交變信號(hào)時(shí)，經(jīng) VFC變換后輸出的信號(hào)是被 Uin交變信號(hào)調(diào)制了的等幅脈沖調(diào)頻波，如圖 15（ b）所示?？梢?VFC的功能是將輸入電壓變換成一連串重復(fù)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(jī)保護(hù)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(jì)數(shù)采樣 （ a） Uin =0；（ b） Uin交流電壓； 計(jì)算間隔 NTs的選擇 用 VFC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換需要與頻率計(jì)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(shè) Ck為 tk時(shí)刻讀得計(jì)數(shù)器的數(shù)值 ， CkN 為 tkN時(shí)刻讀得的計(jì)數(shù)器的數(shù)值 ， 則有： DK = CKN –CK 式中 Dk為在 NTs期間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖個(gè)數(shù) 。 此脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)于 NTs期間模擬信號(hào)的積分 。 式中： INT表示取整數(shù)。因?yàn)橛?jì)數(shù)器的計(jì)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(hào)。 當(dāng) K變化時(shí)， Dk是對(duì)輸入電壓的移動(dòng)積分，每一次積分相當(dāng)于一個(gè)寬度為NTs高度為 1的矩形函數(shù) H（ t）與輸入電壓 u（ t）進(jìn)行卷積分。由數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)可以知道，時(shí)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(duì)應(yīng)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(shè)置低通濾波器 ，但頻率記數(shù)的效果相當(dāng)于有一個(gè)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(yīng)小于等于采樣頻率的一半 。 即： 可見 N應(yīng)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(hào)不失真地代表模擬信號(hào) ， 在用于各種算法時(shí) ， 至少要用 2Ts期間的脈沖數(shù)計(jì)算 。 ss ffN 211 ?VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率 微機(jī)繼電保護(hù)對(duì)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(hào)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(hào)位 ， 其表示的數(shù)的范圍是 177。 2048， 顯然位數(shù)越多測(cè)量范圍越大 ， 量化誤差相對(duì)越小 。 VFC式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率決定于兩個(gè)因素 ， 其一是 VFC芯片輸出的最高頻率 ， 二是計(jì)算間隔 NTs的大小 。 在 NTs期間計(jì)數(shù)的最大值為： DK = Fmax* NTs 若 Ts=5/3ms, Fmax=500kHz, 考慮符號(hào)后為 177。 250kHz， 則 Fmax ?Ts=177。 416, 當(dāng)N=2時(shí) , Dk=177。 833, 相當(dāng)于常規(guī) A/D芯片 . 當(dāng) N=4時(shí) , Dk=177。 1666, 相當(dāng)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(jì)算間隔 NTs 的值 。 這只需要在軟件中改變即可實(shí)現(xiàn) ， 但代價(jià)是增加了保護(hù)的延時(shí) 。 實(shí)際上任何控制系統(tǒng)中速度和精度總是一對(duì)矛盾 。