如何设计合适的模拟量输入回路？

模拟量输入回路是完成对电压、电流等模拟信号的采集，因此也称为数据采集系统。由于微机系统只能接收数字脉冲信号，因此需要将模拟信号转换为数字信号。根据A/D变换原理不同，模拟量输入回路有两种方式：一是运用逐次逼近型A/D变换器直接将模拟量变换为数字量；二是运用电压/频率变换器VFC将模拟量先转换为频率脉冲量，再通过计数变换为数字量。

（一）基于逐次逼近型A/D变换的模拟量输入回路

典型的基于逐次逼近型A/D变换的模拟量输入回路如图3-5所示，主要包括电压形成回路、低通滤波、采样保持、多路转换开关和A/D变换芯片。

图3-5　模拟量输入回路结构框图

1.电压形成回路

A/D转换芯片要求输入信号电压一般为±5V或±10V，而电流互感器的二次电流或电压互感器的二次电压不满足要求，因此需要对它们进行变换。

一般采用中间变换器，如采用电压变换器将电压互感器二次电压进一步降低；采用电流变换器或电抗变换器将电流互感器二次电流变换成适合微机系统的电压信号。

电压形成回路除完成电压变换外，另一个重要作用是利用变换器的铁芯将电流互感器、电压互感器的二次回路与微机系统隔离开来，从而提高微机自动化装置的抗干扰能力。

2.低通滤波

电力系统在发生故障的暂态过程中，电压和电流中往往含有高次谐波。若要对所有高次谐波不失真地进行采样，采样频率就很高，对微机系统的硬件要求也就很高。而实际中，微机装置并非需要反映所有高次谐波，只需能对某一特定谐波实现不失真采样即可。因此，为了降低采样频率，考虑到实际问题，需要限制输入信号的最高频率，这就是模拟低通滤波器的作用。

这里的模拟滤波和数字滤波是相对的，指通过硬件电路实现的滤波，而不是通过软件实现滤波功能。“低通”是指低于截止频率的信号可以通过，而高于截止频率的信号不能通过。截止频率根据采样频率fS确定，取值为采样频率的一半，即fS/2。

模拟低通滤波器分为有源和无源两种，图3-6为常用的无源低通滤波器。图中无源低通滤波器由两级RC滤波电路组成，只要调整RC数值就可改变低通滤波器的截止频率。

图3-6　RC低通滤波电路

3.采样保持

由于微机只能处理数字信号，所以交流电压和交流电流等随时间连续变化的模拟信号必须转换成数字信号，而A/D转换器要完成转换是需要时间的，尽管这个时间非常短，一般是微秒数量级。因此，为了正确地完成A/D转换，首先要对模拟量进行采样。

采样实际上是将一个随时间连续变化的信号x（t）变成一个在时间上离散的信号xS（t），就是按照一定的时间间隔采集对应时刻的信号取值，采样过程如图3-7所示。

图3-7　采样过程图

采样时间间隔由采样控制脉冲ζT（t）控制，相邻两个采样时刻的时间间隔称为采样周期，用TS表示，采样周期的倒数称为采样频率，用fS=1/TS表示。开关每隔TS就短暂闭合一次，实现一次采样，即每隔TS取一次模拟信号值，并存放在保持电路里面供A/D转换器使用。经过采样，得到各采样值x（0）、x（TS）、x（2TS）、x（3TS）、x（4TS）、x（5TS），…，用式（3-1）表示。式中，x（nTS）就是采样值，因为定时采样TS不变，所以采样值一般简化记为x（n）。

在自动化装置中，被采样的信号x（t）主要是工频50Hz信号，通常以工频每个周期采样点数N来间接定义采样周期TS或采样频率fS。如工频每个周期采样12点，则采样频率fS=12×50=600Hz，采样周期TS=20/12=5/3ms。采样点数若已知，则两个采样点之间的电气角度，这样可方便我们计算采样值x（n）。

采样是否成功，主要看采样信号xS（t）能否真实地反映原始的连续信号x（t），这个问题实际上取决于采样频率或者每工频周期采样点数的选择。我们先观察图3-8，设被采样信号x（t）的频率为f0，其波形如图3-8（a）所示。对其进行采样，图3-8（b）是对x（t）每周采样一点，即fS=f0，采样后所得到的为一直流量；图3-8（c）中，当fS=1.5f0时，采样后得到的是一个频率比f0低的低频信号，这种现象称为频率混叠；图3-8（d）中，fS=2f0，采样所得到信号频率为f0。显然，若fS＞2f0，采样后所得到的信号可更加真实地反映原始信号。

图3-8　采样频率选择图

若输入信号x（t）中含有各种频率成分，设其最高频率为fmax，若要对其不失真地采样，或者采样后不产生频率混叠现象，则采样频率必须不小于2fmax，即fS≥2fmax。也就是说，为了使信号被采样后可不失真地还原成原始信号，采样频率必须不小于输入信号最高频2倍，这就是采样定理。

举例来说，若要反映最高频率为6次谐波（300Hz）的信号，则采样频率须大于等于600 Hz，这样才能保证采样的6次谐波不失真地还原。实际问题不同，信号的最高频率成分也不同，根据需要，设置模拟低通滤波器的截止频率，就可获得所需的最高频率信号，即输入采样保持器的信号最高频等于模拟低通滤波器的截止频率。

采样后，接下来就是对采样值进行A/D转换。对于采样逐次逼近式A/D转换器的数据采集系统来说，由于A/D变换器需要一定的转换时间，因此采样值需保持一段时间，以确保上一个采样值完成A/D转换后，再进行采集下一采样时刻的信号值。

采样保持原理如图3-9所示，它由一个电子模拟开关K、电容C及两个阻抗变换器组成。开关K受逻辑输入电平控制，高电平时K闭合，电路处于采样状态，电容C迅速充电直到电容电压等于该采样时刻的电压Ui；低电平时K打开，电路处于保持状态，电容C上保持住了K打开瞬间的电压。为了缩短采样时间，阻抗变换器1输出端应呈低阻抗，而为了提高保持能力，阻抗变换器2输入端应呈高阻抗。(www.xing528.com)

图3-9　采样保持电路原理图

4.模拟量多路转换开关

在实际的数据采集系统中，被测量可能是十几路，甚至是几十路，对这些回路的模拟量同时采样，为了共用A/D变换器而节省硬件，利用多路转换开关轮流切换各被测量进行A/D变换，达到顺序A/D转换的目的。因此，多路转换开关的作用是“多选一”，输入是多路待变换的模拟量，输出只有一个公共端接至A/D变换器。

以16选1多路转换芯片AD7506为例，其内部结构如图3-10所示。图中，EN为使能端，只有当EN端为高电平时，芯片才工作；CPU赋予A0、A1、A2、A3不同的二进制码，可分别选通16路电子开关SA，当选中某一路时，此路的SA闭合，将该路输入信号输出。

图3-10　AD7506内部结构

图3-11　逐次逼近式A/D转换器结构及工作原理

5.模/数转换（A/D）

A/D变换器的作用是将电压、电流等连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于微机系统进行存储、处理、控制和显示。逐次逼近式A/D转换器构成及工作原理如图3-11所示。

逐次比较型A/D转换器由控制电路、数码寄存器、D/A转换器和电压比较器组成。逐次逼近转换过程和用天平称物重非常相似。天平称重物过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去；再加上第二个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去；照此一直加到最小一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，就得此物体的重量。仿照这一思路，逐次逼近式A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。

以3位A/D转换器为例，如图3-11所示。首先，控制电路使数码寄存器的输出为100，经过D/A转换成相应的电压uo，送至电压比较器与模拟输入电压ui进行比较。若ui＞uo，则通过控制电路将最高位的1保留，反之，则将最高位清0；接着将次高位置1，再经D/A转换为相应的电压uo，重复上一步，根据比较结果决定次高位是1还是0；最后所有位都比较结束后，转换完成。这样数码寄存器中保存的数码就是A/D转换后的输出数码。

逐次逼近式A/D变换器最终的转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于数码寄存器和D/A转换的位数。位数越多，越能准确逼近模拟量，但转换时间随之增加。

分辨率是A/D变换器的一个重要技术指标，其含义是指输出数字量变化一个最低有效位所对应的输入模拟电压的变化量。如A/D变换器输入模拟电压范围为0～10V，输出为10位二进制数，则分辨率为=9.77mV。可见，分辨率与A/D变换器的位数n有关，所以一般用位数来表示分辨率。

（二）基于V/F转换的模拟量输入回路

电压-频率变换（VFC）的原理是将输入的电压模拟量ui线性地变换为频率f正比于输入电压大小的数字脉冲信号，在固定的时间内（即采样周期）用计数器对脉冲进行计数，计数器的输出就是要转换的模拟量对应的数字量。VFC型A/D变换器与CPU的接口如图3-12所示，比逐次逼近型A/D转换方式简单得多，且增加转换位数时不会增加与CPU的连线。

图3-12　VFC型A/D变换原理图

VFC从原理上不能反映输入电压的极性，而微机装置的电压信号都是双极性的，因而需要设置一个偏置电压，使双极性信号变为单极性。以单片VFC芯片AD654为例，中心频率为250Hz，一般采用负极性接线，直流偏置电压为-5V，保证了输入电压有±5V峰—峰值的线性测量范围，其外部接线如图3-13所示。图中，VFC输出脉冲频率为

可见，输出频率与输入电压呈线性关系。Rp1用来调整偏置值，使外部输入电压为零时输出频率为250 Hz，从而使交流电压的测量范围控制在±5V之间，这也叫零漂调整。VFC变换特性与输入交流信号的关系如图3-14所示。

图3-13　VFC外部接线图

图3-14　VFC变换特性与输入交流信号的关系

图3-15　VFC工作原理和计数采样

当输入电压ui=0时，输出信号是频率为250kHz的等幅等宽的脉冲波，如图3-15（a）所示；当输入信号是交流信号时，经VFC变换后输出的信号是被交变信号调制了的等幅脉冲调频波，如图3-15（b）所示。可见，VFC的功能是将输入电压变换成一连串重复频率正比于输入电压的等幅脉冲波，且VFC芯片的中心频率越高，其转换精度也越高。

VFC输出的数字脉冲信号经计数器计数后得到二进制数码，CPU每隔一个采样周期TS读取计数器的计数值，分别记作Rk-1、Rk、Rk+1、…，则在tk-NTS至tk的这段时间内，计数器计到的脉冲数为Dk=Rk-Rk-N，为使VFC数据采集系统得到的数字信号不失真地代表模拟信号，至少要用2TS期间的脉冲数计算，即N取大于等于2，如图3-15（b）所示。