数据采集系统ppt课件.ppt

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1、12 微机保护的数据采集系统 一、数据采集系统概述 数据采集系统：将模拟量变换成数字量的系统。 模拟信号随时间作连续变化的信号。 数字信号如果信号的定义域是一些离散的点，则称这种信号为离散信号 。如果函数的值也是一些离散点的集合，则称这种信号为数字信号。,对一个时域连续的信号进行采样。可以使其变为离散信号，对各个采样值进行模/数变换，可将其转换为数字信号。数字信号可以存贮在存贮器中，供微机保护用。,1、信号的采样 采样在给定的时刻对参数量进行测量记录。 (将连续时间信号变为对应离散信号的过程.) 采样的过程可以分为等间隔采样与不等间隔采样。微机保护一般采用等间隔采样。图1-8示 采样周期Ts

2、相邻两个采样的矩形脉冲之间的时间间隔。,采样频率 fs 即：每秒钟内的采样脉冲数。 在微机保护中，通常是对工频信号进行处理，通过对每工频周期采样多少点，可间接求出采样周期和采样频率。 如每工频周期采样12点，N=12， Ts20ms/12=5/3ms fsN50=1250=600 HZ,t,t,t,X（t）,S（t）,XS(t）,等间隔采样过程的示意图,被采样的信号,采样脉冲,采样信号,2、采样定理 当fs2fc 时，采样信号完全能代表原始信号；临界条件是fs2fc ；当fs2fc 时，频普之间发生交错，称为频普交错现象，这样采样信号xs（t）的频谱函数xs（f）中所含信息将发生畸变。 满足临

3、界条件的采样频率fs称为奈奎斯特频率。,fs 采样频率。 fc 输入信号（原始信号）频谱中所含的最高频率。 频谱 相关频率的集合 采样定理：采样频率fs必须大于输入信号（原始信号）频谱中所含最高频率fc的2倍，采样后的离散信号才能真实的代表输入的模拟信号。,3、数据采集系统的模数变换方式有两种 （1）ADC变换方式直接将模拟量转换为数字量。 （2）VFC变换方式将模拟量变换为等幅脉冲。通过脉冲记数变换为数字量。,作业： 1、什么叫采样？ 什么是采样周期？什么是采样频率？如何计算采样频率和采样周期？2、什么叫采样定理？ 3、模数变换有哪两种方式？,二、ADC式数据采集系统 图1-5 P10 由电

4、压形成回路、模拟低通滤波器（ALF）采样保持电路（S/H）、模数变换器 及多路开关（MPX）组成。 1、电压形成回路（交流变换器） 交流变换器的作用：,1）变换作用 将LH和YH二次电流或电压的幅值进一步降低，使之与模/数变换芯片所允许的信号电平匹配； 2)将电流信号转换为电压信号； 3）隔离作用 使互感器回路与微机保护的模/数变换系统完全隔离，以提高抗干扰能力。,2、前置模拟低通滤波器（ALF） （1）为什么要采用模拟低通滤波器？ 根据采样定理，当fs2fc 时采样频率才能完全代表原始信号。为了不至于使采样频率fs定得太高，要将原始信号中高于某一频率值的信号滤掉。例如：采样频率为1000HZ

5、，必须将信号中频率大于500HZ的成分滤掉。,采样频率不能定得过高的原因： 采样及数据处理的任务是必须在一个采样间隔内完成。采样频率越高，采样周期越短，会造成数据积压。,（2）作用 阻止频率高于某一数值的信号进入模/数变换系统。（或：将模拟信号中大于1/2 fs的谐波滤掉，以使采样信号真实的代表原始信号。） （3）组成：由R、C或R、C加运算组成,采用A/D芯片构成的数据采集系统的方框图,ALF-低通滤波器。 S/H采样/保持器。MPX多路开关,A/D模/数变换器,Vi,至微机系统,3、采样保持器 图1-7 作用： 在一个极短的时间内，测量模拟信号在该时刻的瞬时值，并在模/数转换器转换为数字量

6、的过程中保持不变。图1-7示,S,采样保持器工作原理图电子开关S开断为采样保持,4、多路转换开关 图1-11 P13是一个多个输入单一输出的逻辑电路芯片。 其功能是：从多个输入中确定一个输出。,EN,A0,A1,A2,A3,+15V,-15V,AS1,AS16,输出,A1,A16,编码 用一组编码去表示特定信号的编制过程。 译码 编码的逆过程，即：把编码的特定含义翻译出来。,图 为AD7506多路开关芯片。有16个输入端，一 输出端。 EN 为片选端，EN0，未选通，输入、输出端均断开。EN=1，该芯片选通。选通信号CPU送来。由四个地址端的地址码决定输出端与哪一个输入端接通。 采用多路开关的

7、原因：,A/D芯片的价格较贵，一般是多路模拟信号公用一片A/D芯片的方式。故利用多路开关，使其在任一时刻，只有一路已采样的模拟信号接入A/D芯片 的输入端，进行模/数变换。转换结束后，将结果存入指定的存贮区，然后由CPU控制，使下一路信号输入到A/D芯片直至将全部模拟信号转换完成。,5、模/数转换电路 （1）作用：完成模拟量到数字量的转换。 （2）ADC （模 /数转换器）的工作原理 其基本原理是将输入的模拟量UA与参考量UR进行比较，确定输出的数字量。,ADC 模/数转换器可以认为是一种编码电路。它将输入的模拟量UA相对于参考量UR经一编码电路转换成数字量D输出。其输入、输出的关系式为： D

8、=UA/UR D是小于1的二进制数，对于单极性模拟量，小数点在最高位前面，即：要求UA必须小于UR 。D可以表示为： DB121B222Bn2n,B1为二进制数最高位，用MSB表示；Bn为最低位，用 LSB表示。B1Bn为二进制码，其值只能取0或1。A/D转换器中模拟信号量化表达式为： UAUR（B121B222Bn2n）,(3)逐次逼近式模/数转换器的工作原理 转换开始由控制器首先给数码设定器设定一个数码。数码先设定为最大二进制数的一半，假若是四位数/摸转换器。最大数为1111，设定为1000将此二进制数由D/A转换器转换为模拟信号输出，输出的模拟信号与待转换的模拟信号同时加入比较器进行比较

9、，确定该位为0还是为1。然后，比较下一位，如此循环。数码设定器中的数码总值即为转换结果。,输入信号,USR,U0,比较器,数字量输出,将数字量变为模拟量,图1-12 逐次逼近式A/D转换原理图,转换的过程： 1、先将设定器的最高位置1，为100，将其由D/A转换器转换为模拟信号输出U0，为整个量程的一半。 2、将U0输入比较器与输入的模拟量USR比较，若USRU0 保留该位，若USRU0，该位清0 3、然后使下一位为1，与上次结果一起送入D/A转换器转换成模拟量U0后再送入比较器与输入的USR比较决定是否保留该位。如此重复，直到最后一位为止。,第一次设定数码,100,三位逐次逼近A/D转换过程

10、示意图,Usr U0,Usr U0,(4)数/模转换器DAC的工作原理 数/模转换器的作用是将数字量D经过解码电路变换成模拟电压输出。,R,R,R,2R,2R,2R,2R,2R,UR,a,b,c,I1,I2,I3,I4,S1,S2,S3,S4,B1,B2,B3,B4,I,Rf,Usc,四位数/模转换器原理图 （T形解码网络）,四个电子开关S1S4，分别受输入的四位数字量B1B4控制。当该位为0时，电子开关与地接通；当该位为1时，对应的电子开关与运算放大器的负端接通。流向运算放大器的总电流反应了四位数字量的大小，它经过带负反馈电阻Rf运算放大器变换成模拟电压Usc输出。 运算放大器A的反向输入端

11、的电位与地电位相同，无论开关倒向哪一端，对图中电阻网络电流的分配无影响。电阻网络的特点是：从图中UR端向右看和从a、b、c点向右看的等值电阻都是R。因此，a点电位为1/2UR，b点电位为1/4UR，c点电位为1/8UR,图中各电流为：,I=B1I1+B2I2+B3I3+B4I4 = （B121B222B32-3+B42-4） = D,输出电压为：,可见输出的模拟电压与输入的数字量成比例，比例常数为,(5)模/数转换器的转换精度及速度 转换精度即要求 模拟量转换为数字量的误差不超过一定的范围。 量化 由模拟量转换为数字量的过程。 量化误差由模拟量转换为数字量的过程中出现的 误差。 模/数变换器的

12、转换精度决定于A/D芯片的位数，位数越多，越精确。,转换精度，即A/D转换的分辨率主要取决于设定数码的最小量化单位，A/D转换输出的数字量位数越多，最小量化单位越小，分辨率越高，转换出的数字量舍入误差越小，转换精度越高。,A/D芯片的转换速度 ： 即模数转换器完成一次将模拟量转换为数字量所用的时间要短 所有通道的转换工作必须在一个采样间隔中完成，否则，会造成数据积压。完成一路信号的转换所需要的时间应小于TS /n（n为输入量通道数）。A/D574芯片的标准转换时间为25 s 。输出的数字量为12位。 如果两项指标都较高，芯片较贵。,作业： 1、简述ADC数据采集系统的构成元件 及其作用。 2、

13、简述ADC的工作原理。 3、什么是量化？ 什么是量化误差？ 4、A/D转换器的两个重要指标是什么？ 其转换精度由什么决定？,三、 VFC式数据采集系统（一）概述 P1415 VFC式数据采集系统的优点： P15,(二）VFC数据采集系统的结构及工作原理 1、构成,计数器,Vi,至微机系统,电压频率转换式数据采集系统方框图,（1）交流变换器：其作用与A/D式数据采集系统相同。（2）浪涌吸收器：为阻容吸收电路，用以抗干扰。,（3） 压频变换器： VFC芯片 用以将输入的模拟信号转换成重复频率正比于输入电压瞬时值的一串等幅脉冲，由计数器记录在一个采样间隔内的脉冲个数，此脉冲个数对应于TS期间输入信号

14、的面积（积分）。 （4）光电隔离器：用以完成电信号的耦合和传递，并达到两侧电信号在电气上的隔离、绝缘目的。 （5）计数器（为8253计数器）对脉冲进行计数,或8254,2、VFC转换的基本原理（电荷平衡式V/F转换电路） （1）V/F电路的结构 运算放大器A1和R、C组成积分器，A2为零电压比较器，开关S受单稳定时器控制。单稳定时器的输出经三极管T放大后，变为脉冲信号输出。 整个电路可视为一个振荡频率受输入电压控制的多谐振荡器。 （2）V/F电路的工作原理 积分器A1的输入电压为VIN，输出电压为VINT。当VINT下降至零时，零电压比较器A2发生跳变，单稳定时器被触发,产生一个宽度为t0的脉

15、冲,输出,控制开关S接通VS,设计决定IRVINmax/R 。在t0期间，电容C反充电，使VINT线性上升到某一电压值，单稳定时器返回，S断开，t0结束。电容C变为由VIN充电，使VINT下降至0时，重复前面的过程。如此反复，输入的模拟电压变换为一串等幅脉冲输出。 在其它参数不变的情况下，输入电压VIN越大，电容充电越快，从而使输出脉冲的频率越高。反之VIN越小，输出脉冲的频率越低。,输出频率,改变CT，可改变输出的频率，当CT增大时，t0增加，f0减小。 AD654输出的最高频率为500HZ 最高输出频率为：,图214 电荷平衡式V/F转换原理图,+,-,A1,+,A2,-,VIN,R,积分

16、器,S,IR,-VS,VINT,电压比较器,单稳定时器,RT,CT,V0FOUT,VS,T,VINT,V0FOUT,t0,反充电,充电,A/D芯片只能转换单极性信号，当待转换信号为双极性时，应在输入信号上迭加一个偏置信号，使双极性信号变换为单极性信号。,fout,输入电压,合成电压,0,5,10,500kHZ,250kHZ (中心频率输入电压为0 时的输出频率）,（3）采样计数 存入循环存贮区的数是每隔Ts读得的当时计数器的值，此值与输入的模拟信号无对应关系。需要进行计算时，取相邻N个采样间隔的计数器的计数值相减，其差值为NTS（N为采样间隔的个数）期间的脉冲数,此脉冲数与NTS期间的模拟信号

17、的积分值有对应关系。 1）计算间隔NTS的选择： 进行计算时，从计数器中取几个TS期间的脉冲数。 N为采样间隔的个数。,VFC芯片具有低通滤波器的特征，其截止频率（通过 低通滤波器的最高频率）为： 根据采样定理，低通滤波器的截止频率应小于或等于采样频率的一半。,N应取大于或等于2的值。 为了使VFC系统得到的数字信号不失真的代表模拟信号，在用于各种算法时，至少要用2TS期间的脉冲数计算。,2）VFC 式 数据采集系统的分辨率 分辨率 ：模数转换时数字量对模拟量的辨别能力。 量化误差小,分辨率高。 常用的ADC芯片，以其输出的数字信号的位数来衡量分辨率，位数越高，测量范围越大，量化误差相对值越小

18、，分辨率越高。 VFC式数据采集系统的分辨率决定于两个因素： VFC芯片的最高输出频率；AD654（VFC）芯片输出的最 高频率为： Fmax500KHZ,VFC110输出的最高频率：Fmax =4MHz 是AD654芯片的8倍。计算间隔NTS的大小 。 在NTS期间计数值的大小为： DK=Fmax NTS （Dk在NTS期间计数器计到的脉冲个数。）,在微机保护中，如果每个工频周期采样12个点,Fmax500KHZ,考虑符号后，为250kHZ。 FmaxTS=416 当N=2时，DK=833。 相当于A/D芯片为10.5位。当 N=4 时，DK=1666 相当于A/D芯片11.5位。 可见要提

19、高VFC式数据采集系统的分辨率：一是选择转换频率高的芯片。需要增加投资。二是增大计算间隔NTS的值。只需要改变软件，但要增加保护的延时。一般近处故障注重速度，保护范围末端故障强调精度。选4TS能较好解决二者的矛盾。,（三）光隔处理 1、光隔电路 图1-18 主要由发光二极管和光敏三极管组成。 2、原理 数字脉冲使发光二极管导通发光，光脉冲照射光敏三极管，三极管立即导通，使输出放大器输出一个同相脉冲。 发光二极管和光敏三极管均有快速响应特性，适应VFC输出的高频脉冲要求。输入和输出无电的联系也无磁的联系，有极好的抗干扰及隔离作用。,3、作用： 完成电信号的耦合和传递，并达到两侧信号在电气上的隔离

20、、绝缘作用。,（四）计数器电路 用于对VFC转换的脉冲信号进行计数。 因为每个CPU插件需要接收8路VFC 数据采集系统转换的脉冲信号，故计数器电路由3片8253计数器芯片组成。每片8253计数器芯片内部有三个16位计数器。,由VFC芯片转换的脉冲信号经6N137光电隔离芯片后接至相应计数器的输入端CLK端，当门控端GATE端低电平时，停止计数。当GATE为高电平时，允许计数。 为片选端（选通端）由译码电路74LS139控制。 A0、A1为地址端。 R、C 为抗干扰电路。,8253的极限计数频率为2.5MHZ。VFC芯片的最高转换频率为500KHZ。 在计数过程中，读计数器的值，不影响计数，只

21、要往命令寄存器中写入一个锁存命令即可。 8253是16为计数器，而数据总线为8位，在读计数器的值时，要分两次读出。 在本装置中8253采用连续实时累计递减方式计数。,计数器电路,Va,ib,ic,Vb,ia,3i0,Vc,3U0(VxL),（1）8253,（2）8253,（3）8253,D0D7,数据总线,A1,A0,A3,A2,74LS139 2Y0,74LS1392Y1,74LS1392Y2,GATE(门控端高电平计数）,作业： 1、VFC式数据采集系统有什么优点？ 2、简述V/F变换式数据采集系统的构成元 件及作用。 3、如何将双极性信号变换为单极性信号？ 4、VFC式数据采集系统的分辨率由哪些因素决定？如何选择采样间隔的个数N？ 5、8253芯片采样什么方式计数,