電力數據采集A／D轉換器的選擇方案

　　0 引 言

　　當今社會對電能質量的要求越來越高，國家還專門制定了電能質量的國家標準。因此，電能質量的測量越來越得到電力用戶的重視。電能測量時，從電網的數據采集結果對其精度的影響起著致關重要的作用，而這其中影響最大的是把模擬信號轉換為數字信號的模數轉換器(ADC)，往往A／D芯片的技術參數和指標就決定了整個數據采集系統的性能指標。本文就電能測量ADC的選擇作了綜述。

　　1 A／D轉換器的技術參數

　　A／D轉換器的技術參數反映了其性能特點，其主要的指標有以下幾個：

　　(1)分辨率：分辨率反映A／D轉換器對輸入微小變化響應的能力，通常用數字輸出最低位(LSB)所對應的模擬輸入的電平值表示。
　　(2)精度：精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。絕對誤差：是指對應于一個數字量的實際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差的最大值，通常以數字量的最小有效位(LSB)的分數值來表示。相對誤差：是指整個轉換范圍內，任一數字量所對應的模擬輸入量的實際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示。
　　(3)轉換時間：轉換時間是指完成一次A／D轉換所需的時間，即由發出啟動轉換命令信號到轉換結束信號開始有效的時間間隔，其倒數稱為轉換速率。例如MAX125的轉換時間為3μs，其轉換速率約為330多kHz。
　　(4)電源靈敏度：電源靈敏度是指A／D轉換芯片的供電電源的電壓發生變化時，產生的轉換誤差。一般用電源電壓變化1％時相應的模擬量變化的百分數來表示。
　　(5)量程：量程是指所能轉換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。

　　A／D轉換器實際工作時，都會引入一些誤差，主要包括：靜態誤差、孔徑誤差和量化誤差。各種誤差都是以最低有效位(LSB)作為計算單位。1LSB定義為VREF／2n，定義中的VREF是指參考電壓，而n則是模擬／數字轉換器的分辨率。例如，14位模擬／數字轉換器的1 LSB是VREF／16 384。

　　(1)靜態誤差：當轉換一個直流信號時，靜態誤差可由失調誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差表示。 失調誤差：失調誤差就是實際ADC轉換函數曲線與理想轉換曲線間得偏移，即實際曲線發生了平移現象。

　　增益誤差：增益誤差就是滿量程誤差與失調誤差之差。

　　非線性誤差：非線性誤差就是指轉換器的實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，是通過測量輸入電壓的變化，并轉換到以LSB為單位，也就是我們通常所說的±1LSB，±0.5LSB等指標。

　　(2)孔徑誤差：由于采樣時鐘或輸入信號的噪聲，使得采樣和保持之間延遲引起的誤差。

　　(3)量化誤差：A／D變換器的量化誤差決定于A／D變換器的轉換特性，這種誤差是由轉換特性造成的，是一種原理性誤差，無法消除。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一的，量化誤差是由于有限數字對模擬數字進行離散取值(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，A／D變換器的總誤差應該用各種誤差的均方根來表示。

　　2 A／D轉換器選擇的理論分析

　　2.1概述

　　采樣處理過程受ADC轉換精度和轉換速率的限制。一方面，對于具體的模數轉換器，它的數據位所能代表的精度是由ADC的轉換位數來決定的。另一方面，每一個模數轉換器的轉換數據在被讀取之前都要有轉換時間。數據位越多，則轉換時間越長，相應的轉換速率也就越慢。這就要求ADC的轉換精度和轉換速率之間做出一個折衷的解決辦法。對轉換精度和轉換速率要求越高，模數轉換越困難，根據現在的市場上可提供的和價格合理的模數轉換器，文獻[3]作了一個大概的估計。如圖1所示，它描述了ADC的轉換精度與轉換速率之間的一種關系。

　　圖1的左邊上方的區域代表的是容易獲得的，到右邊的底部區域則幾乎是不可能實現的。中間的那條實線表示的是當前市場上，在合理的價格基礎上，可以提供的典型的ADC的性能。它們做為現在已有的ADC性能的代表，可以在電能質量測量中選用，例如MAX125。