基于THS1206的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

姜鈺梁, 陳小米

（武漢船用電力推進裝置研究所, 武漢430064）

基于THS1206的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

姜鈺梁, 陳小米

（武漢船用電力推進裝置研究所, 武漢430064）

電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括：主控電路、互感器電路、信號采集與調(diào)理電路及人機交互電路。本文主要介紹其中的信號采集與調(diào)理電路，由于信號采集電路中諧波電壓值相對標準電壓值較小，同時為了保證可以準確采樣到高次諧波信號，用到的A/D不僅要求采樣精度較高且轉(zhuǎn)換速度要快。本文選用了TI公司生產(chǎn)的型號為THS1206的12位4通道高速A/D，這樣既滿足了電能質(zhì)量檢測中的數(shù)據(jù)精度要求，同時也滿足了測量速度的要求。

THS1206 A/D轉(zhuǎn)換器 數(shù)據(jù)采集

1 THS1206芯片功能與特性

THS1206是采用流水結構的A/D轉(zhuǎn)換器，它主要用于儀器儀表、圖像處理、數(shù)字信號處理和自動控制等領域。有如下特點：在一路單端輸入的情況下可以達到最高的6MSPS的轉(zhuǎn)化速率；可以依據(jù)實際要求設置選擇一路到四路任意數(shù)目的單端輸入、一路或者兩路差分輸入、兼有單端和差分兩種輸入方式的各種輸入模式，并有多路同時采樣和保持功能；最大不超過216 mW的功耗，并且還有待機模式可以減少不必要的功耗；68 dB的高信噪比；12位分辨率，可以選擇數(shù)據(jù)以二進制代碼或二進制補碼的形式輸出；轉(zhuǎn)換精度高，在差分輸入的情況下非線形誤差僅為±1LSB；內(nèi)部集成有16字的環(huán)形FIFO，主要用于存儲A/D采樣數(shù)據(jù)，每次最多可以存儲16個采樣數(shù)據(jù)，使用內(nèi)部的寫指針來指示最后一個采樣數(shù)據(jù)所存放的位置，控制內(nèi)部寄存器可以按照需求對完成指定數(shù)目的采樣結果后產(chǎn)生一次中斷，以便讀取一組采樣數(shù)據(jù)；單一+5 V的模擬供電，兼容+3.3 V和+5 V的數(shù)字供電；并行微處理器和DSP接口[1-4]。

THS1206的內(nèi)部結構如圖1所示，它由12位流水線ADC、控制邏輯、FIFO、基準電壓源、緩沖器、多路切換開關和采樣保持器等組成。

本文所使用的A/D為4通道高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器THS1206，每通道最高采樣頻率和所使用的通道數(shù)是成反比的，因此只有使用單通道并且在非差分輸入的情況下才可以達到最高的6 MSPS采樣頻率，隨著使用的通道數(shù)依次增加到四個通道時，所對應的最高采樣率降低為1.5 MSPS。在根據(jù)實際要求用軟件控制THS1206的采樣頻率時，只要不高于最高采樣頻率THS1206都可以保證采樣到完整有效的數(shù)據(jù)。

THS12O6為32引腳的貼片式芯片，其中有12根雙向數(shù)據(jù)線分別對應D0-D11引腳，最高兩位數(shù)據(jù)線D10和D11除了作為普通的數(shù)據(jù)線使用，還可以作為控制內(nèi)部寄存器的地址線，分別對應于RA0和RA1；四根模擬信號輸入線依次為ANIP、ANIM、BINP、BINM，四根模擬信號輸入線可以根據(jù)實際需要設置成各種不同組合的單端或差分輸入模式；電源部分除了有A/D模擬電源AVDD和AGND、A/D數(shù)字電源DVDD和DGND以外，還有FIFO的數(shù)字電源BVDD和BGND；參考電壓部分主要包括：外部基準電壓輸入信號線REFP和REFM、共?；鶞孰妷狠斎胄盘柧€REFIN、內(nèi)部基準電壓輸出線REFOUT三部分，其中REFP和REFM分別為+3.5 V的基準電壓最大值和+1.5 V的基準電壓最小值，而REFOUT引腳輸出的+2.5 V內(nèi)部基準電壓正好與REFIN相連作為共模基準電壓的輸入信號；對于A/D內(nèi)部寄存器的控制和采樣數(shù)據(jù)的讀取還要用到片選信號線CS0和CS1、讀寫控制信號線RD 和WR(R/D)、A/D轉(zhuǎn)換結束信號線DATA_AV和時鐘控制線CONV_CLK（CONVST）[5-6]。

2 THS1206四通道A/D采集系統(tǒng)

本文設計THS1206的信號輸入范圍為+1.5 V 到+3.5 V之間，內(nèi)部使用+1.5 V和+3.5 V的雙基準電壓源。前端電路經(jīng)過傳感器輸出的信號的峰峰值若不在+1.5 V到+3.5 V之間，就需要利用信號調(diào)理電路將輸入到A/D中的信號進行調(diào)理。這里用兩個TL084將-3 V到+3 V的輸入信號調(diào)理成+l.5 V到+3.5 V之間的信號，輸入到THS1206進行轉(zhuǎn)換。放大器正向輸入端的-2.5 V電壓由THS1206的內(nèi)部基準電壓輸出REFOUT經(jīng)OP07反相得到，4通道A/D接口電路如圖2所示。

需要與控制器部分相連的THS1206外圍電路部分的引腳主要有：D0-D11這12根雙向數(shù)據(jù)線依次與控制器的12個通用I/O相連，主要完成采樣數(shù)據(jù)的輸出和對內(nèi)部寄存器的控制兩大工作；A/D轉(zhuǎn)換結束信號線DATA_AV與控制器的外部中斷1相連，可以利用對內(nèi)部寄存器的設置來控制16位環(huán)形FIFO的觸發(fā)門限，即多少個數(shù)據(jù)采樣完成輸出一次中斷，當所存儲的數(shù)據(jù)到達了觸發(fā)門限時，THS1206的DATA_AV產(chǎn)生中斷信號，控制控制器進入中斷函數(shù)中完成對采樣數(shù)據(jù)的讀??；外部時鐘信號可輸入引腳CONV_CLK與控制器的時鐘信號線相連，CONV_CLK主要是用于控制整個A/D的采樣頻率，利用控制器在DATA_AV有效時給CONV_CLK提供下降沿讀取數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)讀取完畢后控制器給CONV_CLK提供上升沿觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)讀取完畢和啟動下次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之間可以根據(jù)設計需求控制延時時間以達到對采樣頻率的控制。

3 THS1206初始化

THS1206內(nèi)部的兩個控制寄存器CR0和CR1，表1中列出了CR0和CR1各個位的定義，通過CR0和CR1這兩個寄存器可以設定包括本文第1節(jié)“THS1206芯片功能與特性”部分所介紹的THS1206各種工作方式。在THS1206初始化前應該先通過軟件控制CR1復位，再清除CR1的復位。對寄存器功能和工作方式設定完成后，還應該通過軟件控制FIFO復位, FIFO復位完成后再清除FIFO的復位。

A/D正常工作前，應首先初始化CR0和CR1這兩個控制寄存器，以完成對A/D的工作方式的設定。通過控制數(shù)據(jù)線D10和D11來實現(xiàn)對于寄存器CR0和CR1的尋址，10位寄存器的控制字則是利用數(shù)據(jù)線D0--D9依次對應寄存器的每一位，在選擇完寄存器后寫入，具體初始化軟件流程圖如圖3所示。

初始化首先依次向CR1寄存器寫入0x401 h和0x400 h，完成對A/D的復位和清除復位；再根據(jù)本系統(tǒng)的實際需求選擇合適的工作方式，分別對CR0和CR1寫入相應的控制字。對于CR0控制字，由于使用內(nèi)部參考信號，并且使用連續(xù)模式下依次掃描AINP、AINM、BINP、BINM四路模擬輸入，因此CR0寫入控制字0x098 h。對于CR1控制字，由于使用普通二進制輸出，并且對FIFO出發(fā)門限設置為4，當每次A/D采樣完成后輸出下降沿，此時依次讀取一組AINP、AINM、BINP、BINM數(shù)據(jù)的輸出，因此CR1寫入控制字0x490 h。

4 數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換

A/D初始化后控制CONV_CLK時序可以控制A/D啟動并且完成4個通道的A/D轉(zhuǎn)換，在4個通道A/D轉(zhuǎn)換完成后，DATA_AV會產(chǎn)生一個下降沿信號，通知DSP讀取轉(zhuǎn)換的結果。在讀取結果時，控制引腳RD為低電平，引腳WR為高電平。由于FIFO出發(fā)門限設置為4，因此每次轉(zhuǎn)換完成后依次可以讀取一組AINP、AINM、BINP、BINM信號。當DATA_AV信號第一次到來時，放棄第一組讀入的數(shù)據(jù)不存，以清除A/D器件內(nèi)部16級buffer中的無效數(shù)據(jù)，從第二組數(shù)據(jù)開始處理。為了減小誤差，本系統(tǒng)對每5次采樣數(shù)據(jù)進行一次平滑濾波處理，將最后處理得到的數(shù)據(jù)作為最終的測量數(shù)據(jù)，最后進行浮點數(shù)轉(zhuǎn)化。具體數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換件流程圖如圖4所示。

5 測試結果

使用TMS320LF2407A作為控制器，利用本文上述硬件與軟件設計，實際測量+1.5V到+3.5V之間的壓值變化如表2所示。標準值為標準萬用表所測量到的實際參考電壓值，測量值為本文所介紹的基于THS1206的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集到的電壓值。其相對誤差可以根據(jù)下式計算得出。

相對誤差= (︱測量值-標準值︱/標準值)×100%

6 結論

以上測試結果表明基于THS1206的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集的設計可以滿足實際需求，由于THS1206具有四通道同時采樣的功能因此可以廣泛運用于多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。但THS1206信號輸入范圍為+1.5V到+3.5V之間，因此在前端電路部分應完成相應的信號放大、保持、補償?shù)炔糠值脑O計。

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[6] 趙姣. 自整角機數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設計與實現(xiàn)[碩士學位論文]. 大連: 大連理工大學圖書館，2006.

Realization of the Power Quality Data Collection Based on THS1206

Jiang Yuliang，Chen Xiaomi
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion ,Wuhan 430064, China)

Power quality data acquisition system mainly includes master control circuit , transformer circuit , signal acquisition and regulate circuit, and the human-computer interaction circuit. This paper mainly introduces the signal acquisition and regulate circuit. While the harmonic voltage is smaller than standard voltage value, in order to guarantee the accuracy of sampling the higher harmonic signal, A/D is required with both high sampling accuracy and quick the converting speed. This paper uses TI company's production THS1206 12 position 4 channel high speed A/D which can satisfy the accuracy requirement and the measure speed requirement in power quality detection.

THS1206; A/D converter; data acquisition

TP332

A

1003-4862（2013）11-0049-05

2013-07-19

姜鈺梁(1987-),女, 碩士。研究方向：檢測技術及自動化裝置。