数据采集单元：模拟信号数字处理系统的关键性作用

数据采集单元即模拟量输入系统，其作用是将电流互感器TA和电压互感器TV二次侧的模拟量电流和电压变换成数据处理单元能够使用的数字量，包括电压形成回路、低通滤波器、采样保持器、多路转换开关、模数转换器。

1.电压形成回路

继电保护动作与否的判据来自被保护的电力线路或设备上的电气参数，例如电流、电压等，这些原始模拟量的数值一般都非常大，其数量级可能为千伏或千安级等。为了保障设备安全和人身安全，一般需先经过电压互感器TV和电流互感器TA将高电压、大电流变换为较低数量级的值，如100V、5A等。这个数值仍然远远超过微机保护装置所要求的输入电压数量级。通常微机保护装置的A/D转换器的输入电源范围为±2.5V、±5V或±10V。因此必须对输入的电压信号、电流信号进一步处理。电压形成回路的作用就是把来自电压互感器和电流互感器的电压信号、电流信号变换成满足A/D转换器量程要求的电压信号，并将电流量变换为电压量，以达到电平配合的目的。这些变换器或互感器也起到电气隔离的作用。变换器的一次和二次绕组之间有屏蔽层，对高频干扰有一定的抑制作用。

2.模拟低通滤波器（ALF）

电力系统出现故障时，故障初瞬间的电压和电流里常含有各种高频分量，有些分量频率高达2kHz以上。由采样定理可知：如果被采样信号为有限带宽的连续信号，其所含的最高频率成分为fmax，则采样频率fs应不小于2fmax，即fs≥2fmax，原来的模拟信号就可以完全恢复而不会畸变；否则，将产生频率混叠现象，使原来的信号波形发生畸变。图23是一个550Hz的电压波形被600Hz的频率采样后得到的虚假50Hz信号的情况。此虚假50Hz信号的情况将与原信号中的50Hz信号混叠。

图23　频率混叠现象

为了防止频率混叠，微机保护系统的采样频率fs必须高达4kHz以上，这样对微机的中央处理单元CPU的速度要求过高。因为数据采集系统是以采样频率不断向CPU输入数据的，而CPU必须在两次采样的间隔时间内，处理完对每组采样值必须做的各种操作和运算，故fs越高，要求CPU的速度越快。如果在故障电压或电流等模拟量进入采样保持器之前，用一个模拟低通滤波器（ALF）把高频分量滤掉，仅让低频分量通过，就可以降低采样频率，从而降低对CPU的过高要求。由于在采样前设置模拟低通滤波器的主要目的是为了滤除会产生频率混叠的高频分量，因此模拟低通滤波器在这里又称为抗混叠滤波器。

3.采样保持器（S/H）

为了把连续的模拟信号变成数据处理单元能够使用的数字信号，首先必须把连续时间信号变成离散时间信号。把连续时间信号变成离散时间信号的过程称为采样。采样得到的是每个时刻的瞬时值，这个值还必须经过A/D转换，然后才可以输入数据处理单元。为了使采样值在A/D转换期间保持不变，需要把采样值保持一段时间，这就是采样保持器的作用。

微机保护中的采样保持器除了能够保证在A/D转换过程中输入模拟量保持不变之外，还能够保证各个通道的同步采样，使各模拟量之间的相位关系经过采样后保持不变。由于A/D转换器价格昂贵，一般微机保护都采用多路通道共用一个A/D转换芯片。在每路通道中各用一个S/H芯片，在同一时刻对各路模拟量进行采样并保持下来，然后通过多路转换开关MPX依次将各S/H采样保持的模拟量由A/D转换器变为数字量。

整个采样过程可由图24说明，其中τ为采样脉冲宽度，TS为采样周期或采样间隔。(www.xing528.com)

图24　采样保持过程

4.多路转换开关（MPX）

多路转换开关是一种电子型的单刀多掷开关，在数据采集系统中，用来将各路S/H中保持的模拟信号分时地接通于A/D转换器的输入端。常用的多路转换开关有8路、16路等，可以接通单端或双端（即差分）信号。多路转换开关的接通和断开由外部控制。

多路转换开关一般包括选择接通路数的二进制译码电路和由它控制的各路电子开关。它们被集成在一个芯片内，图25为一个常用的16路多路转换开关芯片内部结构示意图。因为要选择16路输入量，所以它有A0～A3四个译码输入。例如，当A0A1A2A3＝0001时，多路转换开关的输出为I2，即选通AS2开关。EN为芯片使能端，只有当EN为高电平时，MPX才处于工作状态，否则不论A0～A3在什么状态，AS1～AS16开关都处于断开状态。设置使能端是为了可以将多个芯片并联使用以扩充多路转换开关的切换路数。

图25　16路多路转换开关芯片内部结构

5.模数转换器（A/D）

模数转换器的作用是将模拟通道中已经离散化的信号（保存在S/H中的模拟量）转变为数据处理单元所需要的数字量。可以把A/D转换器看做一种译码电路。它将输入的模拟量UA与模拟参考量UR比较，经译码器电路转换成数字量D输出。一个理想A/D转换器的输入/输出关系可以用D＝UA/U R来表达，其中D为小于1的数，可以用二进制数表示为

B1～Bn均为二进制码，其值只能为1或0。由于译码电路的位数有限，而实际的UA/UR却可能为任意值，因此用有限的二进制数表示连续的模拟量时一定会引入误差。显然，A/D转换器译码的位数越多，误差就越小，分辨率也就越高。

对于微机保护，选择A/D转换器时主要考虑两个因素即转换时间或速度和转换输出的位数（即分辨率）。由于各通道共用一个A/D转换器，所以要求所有通道轮流进行A/D转换所需时间的总和必须小于采样周期。