當(dāng)今社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，國(guó)家還專門制定了電能質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此，電能質(zhì)量的測(cè)量越來越得到電力用戶的重視。電能測(cè)量時(shí)，從電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果對(duì)其精度的影響起著致關(guān)重要的作用，而這其中影響最大的是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，往往A/D芯片的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)就決定了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文就電能測(cè)量ADC的選擇作了綜述。
1 A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)
A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)反映了其性能特點(diǎn)，其主要的指標(biāo)有以下幾個(gè)：
(1)分辨率：分辨率反映A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小變化響應(yīng)的能力，通常用數(shù)字輸出最低位(LSB)所對(duì)應(yīng)的模擬輸入的電平值表示。
(2)精度：精度有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。絕對(duì)誤差：是指對(duì)應(yīng)于一個(gè)數(shù)字量的實(shí)際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差的最大值，通常以數(shù)字量的最小有效位(LSB)的分?jǐn)?shù)值來表示。相對(duì)誤差：是指整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。
(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，即由發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令信號(hào)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)開始有效的時(shí)間間隔，其倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。例如MAX125的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，其轉(zhuǎn)換速率約為330多kHz。
(4)電源靈敏度：電源靈敏度是指A/D轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。一般用電源電壓變化1%時(shí)相應(yīng)的模擬量變化的百分?jǐn)?shù)來表示。
(5)量程：量程是指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。
A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際工作時(shí)，都會(huì)引入一些誤差，主要包括：靜態(tài)誤差、孔徑誤差和量化誤差。各種誤差都是以最低有效位(LSB)作為計(jì)算單位。1 LSB定義為VREF/2n，定義中的VREF是指參考電壓，而n則是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率。例如，14位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的1 LSB是VREF/16 384。
(1)靜態(tài)誤差：當(dāng)轉(zhuǎn)換一個(gè)直流信號(hào)時(shí)，靜態(tài)誤差可由失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差表示。
失調(diào)誤差：失調(diào)誤差就是實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線間得偏移，即實(shí)際曲線發(fā)生了平移現(xiàn)象。
增益誤差：增益誤差就是滿量程誤差與失調(diào)誤差之差。
非線性誤差：非線性誤差就是指轉(zhuǎn)換器的實(shí)際傳輸特性曲線與它的平均傳輸特性曲線之間的最大偏差。
微分非線性誤差;它表示了輸出碼與其相鄰代碼的間隔，是通過測(cè)量輸入電壓的變化，并轉(zhuǎn)換到以LSB為單位，也就是我們通常所說的的±1LSB，±0.5LSB等指標(biāo)。
(2)孔徑誤差：由于采樣時(shí)鐘或輸入信號(hào)的噪聲，使得采樣和保持之問延遲引起的誤差。
(3)量化誤差：A/D變換器的量化誤差決定于A/D變換器的轉(zhuǎn)換特性，這種誤差是由轉(zhuǎn)換特性造成的，是一種原理性誤差，無(wú)法消除。A/D變換器選定以后，其量化誤差也隨之確定了。量化誤差和分辨率是統(tǒng)一的，量化誤差是由于有限數(shù)字對(duì)模擬數(shù)字進(jìn)行離散取值(量化)而引起的誤差。因此，量化誤差理論上為一個(gè)單位分辨率，即1LSB，提高分辨率可減少量化誤差。
上述這些誤差構(gòu)成了A/D變換器的總誤差。在考慮上述各種誤差的綜合影響時(shí)，A/D變換器的總誤差應(yīng)該用各種誤差的均方根來表示。
2 A/D轉(zhuǎn)換器選擇的理論分析
2.1概 述
采樣處理過程受ADC轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率的限制。一方面，對(duì)于具體的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的數(shù)據(jù)位所能代表的精度是由ADC的轉(zhuǎn)換位數(shù)來決定的。另一方面，每一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在被讀取之前都要有轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)據(jù)位越多，則轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率也就越慢。這就要求ADC的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率之間做出一個(gè)折衷的解決辦法。對(duì)轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率要求越高，模數(shù)轉(zhuǎn)換越困難，根據(jù)現(xiàn)在的市場(chǎng)上可提供的和價(jià)格合理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，作了一個(gè)大概的估計(jì)。如圖1所示，它描述了ADC的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速率之問的一種關(guān)系。
圖1的左邊上方的區(qū)域代表的是容易獲得的，到右邊的底部區(qū)域則幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。中間的那條實(shí)線表示的是當(dāng)前市場(chǎng)上，在合理的價(jià)格基礎(chǔ)上，可以提供的典型的ADC的性能。它們做為現(xiàn)在已有的ADC性能的代表，可以在電能質(zhì)量測(cè)量中選用，例如MAX125。
2.2轉(zhuǎn)換精度
對(duì)于一個(gè)已經(jīng)給定轉(zhuǎn)換位數(shù)的ADC，它對(duì)信號(hào)所能離散的數(shù)據(jù)位的水平是固定的。一個(gè)14位的ADC提供16 384的離散水平。如果信號(hào)為雙極性的AC信號(hào)，則總的數(shù)據(jù)位通常在正極性和負(fù)極性之間平均分配。對(duì)于ADC，它們所能離散的數(shù)據(jù)水平必須足夠包括預(yù)期信號(hào)的最高幅度，同時(shí)，在大小次序上、無(wú)間斷的、相鄰的、數(shù)據(jù)位之間必須足夠的小，以保證所需要的精確度。
在諧波測(cè)量中，有代表性的基波的頻率成分是含量最大的成分。因此，ADC的動(dòng)態(tài)范圍要求設(shè)置在能容納100%的基本成分中間。然而，要求的精度取決于所要測(cè)量的最小幅度。對(duì)于諧波范圍的測(cè)量，它最小的幅度由最小的畸變率所決定。存國(guó)家諧波測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于規(guī)定的畸變率，諧波測(cè)量要求在±5%的準(zhǔn)確度。
