电力数据采集A/D转换器的选择方案

0 引 言

当今社会对电能质量的要求越来越高，国家还专门制定了电能质量的国家标准。因此，电能质量的测量越来越得到电力用户的重视。电能测量时，从电网的数据采集结果对其精度的影响起着致关重要的作用，而这其中影响最大的是把模拟信号转换为数字信号的模数转换器(ADC)，往往A／D芯片的技术参数和指标就决定了整个数据采集系统的性能指标。本文就电能测量ADC的选择作了综述。

1 A／D转换器的技术参数

A／D转换器的技术参数反映了其性能特点，其主要的指标有以下几个：

(1)分辨率：分辨率反映A／D转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字输出最低位(LSB)所对应的模拟输入的电平值表示。

(2)精度：精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。绝对误差：是指对应于一个数字量的实际模拟输入电压和理想的模拟输入电压之差的最大值，通常以数字量的最小有效位(LSB)的分数值来表示。相对误差：是指整个转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。

(3)转换时间：转换时间是指完成一次A／D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔，其倒数称为转换速率。例如MAX125的转换时间为3μs，其转换速率约为330多kHz。

(4)电源灵敏度：电源灵敏度是指A／D转换芯片的供电电源的电压发生变化时，产生的转换误差。一般用电源电压变化1％时相应的模拟量变化的百分数来表示。

(5)量程：量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。

A／D转换器实际工作时，都会引入一些误差，主要包括：静态误差、孔径误差和量化误差。各种误差都是以最低有效位(LSB)作为计算单位。1 LSB定义为VREF／2n，定义中的VREF是指参考电压，而n则是模拟／数字转换器的分辨率。例如，14位模拟／数字转换器的1 LSB是VREF／16 384。

(1)静态误差：当转换一个直流信号时，静态误差可由失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差表示。

失调误差：失调误差就是实际ADC转换函数曲线与理想转换曲线间得偏移，即实际曲线发生了平移现象。

增益误差：增益误差就是满量程误差与失调误差之差。

非线性误差：非线性误差就是指转换器的实际传输特性曲线与它的平均传输特性曲线之间的最大偏差。

微分非线性误差；它表示了输出码与其相邻代码的间隔，是通过测量输入电压的变化，并转换到以LSB为单位，也就是我们通常所说的的±1LSB，±0.5LSB等指标。

(2)孔径误差：由于采样时钟或输入信号的噪声，使得采样和保持之问延迟引起的误差。 (3)量化误差：A／D变换器的量化误差决定于A／D变换器的转换特性，这种误差是由转换特性造成的，是一种原理性误差，无法消除。A／D变换器选定以后，其量化误差也随之确定了。量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟数字进行离散取值(量化)而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨率，即1LSB，提高分辨率可减少量化误差。

上述这些误差构成了A／D变换器的总误差。在考虑上述各种误差的综合影响时，A／D变换器的总误差应该用各种误差的均方根来表示。

2 A／D转换器选择的理论分析

2.1概 述

采样处理过程受ADC转换精度和转换速率的限制。一方面，对于具体的模数转换器，它的数据位所能代表的精度是由ADC的转换位数来决定的。另一方面，每一个模数转换器的转换数据在被读取之前都要有转换时间。数据位越多，则转换时间越长，相应的转换速率也就越慢。这就要求ADC的转换精度和转换速率之间做出一个折衷的解决办法。对转换精度和转换速率要求越高，模数转换越困难，根据现在的市场上可提供的和价格合理的模数转换器，文献[3]作了一个大概的估计。如图1所示，它描述了ADC的转换精度与转换速率之问的一种关系。
 

图1的左边上方的区域代表的是容易获得的，到右边的底部区域则几乎是不可能实现的。中间的那条实线表示的是当前市场上，在合理的价格基础上，可以提供的典型的ADC的性能。它们做为现在已有的ADC性能的代表，可以在电能质量测量中选用，例如MAX125。

2.2转换精度

对于一个已经给定转换位数的ADC，它对信号所能离散的数据位的水平是固定的。一个14位的ADC提供16 384的离散水平。如果信号为双极性的AC信号，则总的数据位通常在正极性和负极性之间平均分配。对于ADC，它们所能离散的数据水平必须足够包括预期信号的最高幅度，同时，在大小次序上、无间断的、相邻的、数据位之间必须足够的小