在DSP平臺下對多路交流信號的異步采樣方法

　本文介紹了一種在DSP平臺下對多路交流信號采樣時采用的一種異步采樣方法。
　　引言
　　在對電力線路的電壓和電流進行測量時，為使測量值具有較高的精度，一般都采用交流采樣技術。目前，比較常用的交流采樣方法是：在交流信號的一個周期內，等間隔采樣N點數據，然后利用傅立葉變換，計算出基波及一些諧波的有效值，為衡量供電質量通常還要求計算出各信號的相位。但由于同一測量裝置要同時對很多路電壓和電流量進行采樣，而采樣所用的A/D的輸入又有限，不可能對電壓和電流量同時進行采樣，所以，一般將所有的交流通過多路開關的切換依次送入A/D進行采樣。由于采用的是異步采樣，所以同一個線路中的A、B、C三相之間的相位就會產生誤差，所測出的同一個交流量的電壓值和電流值之間的相位也會產生誤差，如果不對相位采取一定的處理措施，就不能有效的提高計算值的精度。
　　硬件系統
　　硬件系統的示意圖如圖1所示。外部輸入的電壓電流經過電壓互感器或電流互感器，經過信號調理，變換成小電壓信號，把這些小電壓信號經過濾波、放大處理之后送入模擬多路開關。接入多路開關的信號AIN1、AIN2、…AIN15的切換由DSP通過FPGA來控制。多路開關的輸出接電壓跟隨器，以降低信號源的輸出阻抗，保證得到較高的采集精度。經A/D轉換完成后的數據由DSP芯片進行采集處理。
　　
　　A/D可以選用Linear公司的16位雙極性高精度模數轉換器LTC1609。
　　如果進行N點傅立葉變換，應該在一個周期內等間隔均勻采樣N個點。但如果以固定的時間間隔進行采樣，當電網中交流信號頻率偏離50Hz時，所采集到的N個點就不一定恰好為一個周期的數據。所以，在本系統中，DSP實時監測交流信號周期的變化，根據當前最新的周期值TAC計算出兩個采集點之間的間隔時間為：
　　TSMP=TAC/N
　　DSP將TSMP送給FPGA，FPGA經過運算，產生兩個信號：一個是采樣命令信號SMP、另一個是啟動A/D轉換信號R/C，這兩個信號都是低電平有效。圖2是用MAX-PLUS II軟件仿真出的SMP與R/C信號的波形關系。
　　
　　圖2 SMP和R/C的波形示意圖
　　當SMP信號到來時，表示新一輪采樣的開始。SMP信號后緊跟15個R/C信號，依次負責對15路輸入信號的A/D轉換。所以每一輪采樣可以對15路信號各采集一個點。每個點的數據經過64階有限沖激響應濾波器濾除高次諧波之后存儲在緩沖區內。
　　當A/D采用內部時鐘模式時，先將A/D的片選/CS置為低電平，在R/C信號的下降沿，A/D將當前輸入的信號轉換為保持狀態，開始進行A/D轉換，同時A/D開始將上一次的轉換結果向DSP發送。轉換開始后R/C必須在1ms內跳回至高電平，以確保輸出結果不會發生錯誤。本系統中，R/C信號的低電平持續0.5ms。兩個R/C信號的下降沿之間的間隔TRC設置為12ms，以保證A/D啟動下一路轉換時當前的轉換能夠結束，以及上一次轉換后的結果送入DSP。
　　校準
　　經過N個SMP信號之后，DSP就為15路信號各收集了一個周波共點的數據。對點數據進行快速傅立葉變換，得到各路信號的基波和若干次諧波所對應的頻域值。從而可以求出有效值、相角等各個量。但實際上由于信號的幅度和相位經過變換、濾波、放大、采樣、量化后處理時都要偏離理論值，所以，對于FFT運算的結果要進行校準處理。
　　可以用一個標準三相交流電源，將它的輸出電壓調整為電壓100V、輸出電流調整為5A、頻率為50Hz、ABC三相各相差120度，然后將電壓電流信號接入系統對應的輸入端，通過上層軟件向DSP發送校準命令，開始計算幅度和相位的校準參數。
　　幅度校準
　　如果有效值為100V、頻率為50Hz的電壓信號經過A/D轉換后的數值大約在P左右，那么，我們就可以用P作為一個標度，用它來代表100V。同樣，我們可以Q代表有效值為5A、頻率為50Hz的電流。
　　在校準過程中，假定得到的m路電壓的有效值的數字量為=［V1，V2，。..Vm］，得到的電流的數字量為=［I1，I2，。..，I15-m］，則我們把它們通過一個電壓校正系數=diag［a1，a2，。..，am］和電流校正系數=diag［b1，b2，。..，b15-m］將其校正到標度上去。即有如下公式：
　　可求得
　　ai=P/Vi，b=Q/Ij 其中i=1，2，…，m;j=1，2，…，15-m
　　在系統正常工作時，將得到的信號的幅度有效值乘以校準系數可以得到比較精確的數值。
　　相位校準
　　交流電的相位關系是反映供電質量的比較重要的參數。相位校準從兩個方面進行：一方面要補償多個信號由于異步采樣造成的相位偏差;另一方面要校準信號調理過程中造成的相位偏移。