基于锁相环与双AD7865的交流采样技术及其应用

4 TMS320LF2407与双AD7865的接口设计
4．1 接口电路设计
在交流采样系统设计中，要求精度为0．2％～0．5％，但TMS320LF2407的10位A／D转换芯片的采样精度为1／1 024，近乎0．1％，但考虑到电路中的其他环节的误差，已很难做到0．2％。为了适应采样法电力参数测量中同时采样多路输入信号及对电压需较宽的测量范围的要求，为此，本系统采用外接A／D的方法，通过TMS320LF2407控制外部AD7865转换器对三相交流电压、电流等电力参数进行交流采样。
TMS320LF2407是TI公司推出的一种面向数字控制系统开发的新型可编程DSP控制器。它将一个高性能的16位、定点、低功耗DSP核和许多功能外设集成在单芯片上，提供了较高的集成度和较强的运算能力，采用先进的哈佛结构和多总线形式，外加4级流水线操作，使大多数汇编指令能在一个机器周期内完成。AD7865是美国AD公司推出的14位4通道高速A／D转换器。其最快采样速度为每通道2．4 μs；具有4路同步采样输入及4个跟随／保持放大器；可单电源(+5 V)工作；具有宽输入范围(最大为±10 V)，低功耗和输入过压保护等功能。根据调理电路设计的具体要求，这里选择AD7865-2型A／D芯片，其输入的模拟电压范围为0～5 V。
对于功率的计算，由式(5)可知，im和um必须为同一时刻的电流、电压采样值。为了简化软件算法，消除电压、电流依次采样的时间差，采用适当的硬件连接，用一条操作指令同时启动两片AD7865，同时采样对应的三相电压和电流，使得im，um为同一时刻的采样值。
如图5所示为TMS320LF2407与双AD7865的接口电路原理图，没有涉及到的管脚未画出。

两片AD7865的14位数据总线D0～D13均可直接连接到DSP的数据总线上；由锁相环电路产生的采样脉冲连接两个AD7865的引脚，采样脉冲的上升沿将启动A／D转换；两片AD7865的写控制线直接连接到DSP的线上；而DSP的与D15相或连接到AD7865(1)的、与相或连接到AD7865(2)的。为了方便读出A／D转换数据，两片ADC的片选套用常规方法，由连续地址线译码所得，若在地址0xA 000H～0xA007H范围内AD7865(1)有效，而AD7865(2)的片选则在0xA008H～0xA00FH地址范围内有效。两片AD7865的BUSY信号相或后连接到DSP的端，XINT1为低电平时，表明两片AD7865的A／D转换都已完成，输出数据已准备好，系统可采用查询方式依次读取两片AD7865中的A／D转换结果。
4．2 软件设计
工频交流电标准频率为50 Hz，周期为20 ms。根据TMS320LF2407的主频和AD7865的A／D转换速度和电力参数实用精度要求，一个工频周期内采样64个点，即采样周期定为312．5μs。
系统上电运行后，由锁相环电路产生的采样脉冲同时触发两个AD7865运行；每次转换完成后，DSP按照I／O空间译码地址同时读取两个AD7865芯片数据，并根据交流采样的计算公式即可得出电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数。图6为所设计程序的流程图。

5 实验结果
图7为电压调理电路输出的工频方波信号和锁相环电路产生的采样脉冲信号。

图8为220 V交流信号经过调理电路后的输出波形，从波形可以看出电压值均在0～5 V之间，达到了AD7865的采集范围。

6 结语
基于锁相环和双A／D的交流采样技术解决了直流采样硬件复杂、实时性差等问题。在电力参数的测量过程中，简化了外围电路硬件，电参数精确稳定，进一步提高了系统的可靠性和精度。另外，这种交流采样算法还可以应用于变电站的参数测量、微机继电保护、故障录波等场合，具有一定的实用和推广价值。