簡(jiǎn)介 

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力公司需要提高電網(wǎng)的可見(jiàn)性和自動(dòng)化程度。 提高電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的自動(dòng)化程度可提高電網(wǎng)效率，因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)調(diào)整動(dòng)態(tài)負(fù)載來(lái)滿(mǎn)足相應(yīng)需求。 提高可見(jiàn)性和自動(dòng)化程度需要增強(qiáng)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控能力。 為了滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的各種要求，輸配電(T&D)產(chǎn)品的用戶(hù)需要具備多種功能的高性?xún)r(jià)比產(chǎn)品。 這些功能包括保護(hù)、測(cè)量和質(zhì)量監(jiān)控。 輸配電設(shè)備制造商正在開(kāi)發(fā)集成式硬件/軟件解決方案來(lái)滿(mǎn)足這些要求。 在單個(gè)硬件/軟件解決方案中加入這些功能需要具有下述特性的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)： 

? 一個(gè)8/4通道同步采樣24位ADC 

? 高動(dòng)態(tài)范圍（8 kSPS時(shí)為114 dB） 

? 一個(gè)快速建立ADC（低群延遲） 

? 微調(diào)ADC輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)以促使相干采樣頻率比線路頻率小0.01 Hz

AD7779是一種滿(mǎn)足所有這些要求的24位同步采樣Σ-Δ型ADC。 本應(yīng)用筆記提供了使用AD7779用線路頻率實(shí)現(xiàn)相干采樣的方法，并將這些方法與其他方法進(jìn)行了對(duì)比。 

相干采樣要求 

要使電能計(jì)量和電能質(zhì)量設(shè)備的諧波數(shù)據(jù)和計(jì)量參數(shù)獲得要求的精度，應(yīng)確保ADC采樣速率和電力線頻率之間的相干性。 

電力線頻率可在50 Hz ± 15%或60 Hz ± 15%范圍內(nèi)變化。 在電網(wǎng)完善且得到妥善控制的國(guó)家，電力線頻率的變化率較低。 在電網(wǎng)正在發(fā)展的國(guó)家，電力線頻率變化較大。 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-30規(guī)定了電能質(zhì)量產(chǎn)品分類(lèi)的相應(yīng)頻率跟蹤分辨率。 A類(lèi)設(shè)備必須能夠跟蹤0.01 Hz的線路頻率變化，S類(lèi)設(shè)備必須能夠跟蹤0.05 Hz的線路頻率變化，而B(niǎo)類(lèi)設(shè)備的跟蹤要求則由制造商確定。 后續(xù)版本的IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)移除B類(lèi)設(shè)備。 

IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)所采用的電壓諧波測(cè)量方法在IEC 61000-4-7中確定： 離散傅里葉變換(DFT)使用矩形窗以數(shù)字方式在一組樣本中執(zhí)行。 不建議采用DFT加窗技術(shù)，因?yàn)镈FT窗口的形狀（Hamming、Blackman等）會(huì)改變諧波的幅值；如果各制造商采用不同的快速傅里葉變換(FFT)加窗技術(shù)，則不同產(chǎn)品供應(yīng)商的諧波分析結(jié)果會(huì)有所不同。 因此，IEC 61000-4-30 A類(lèi)電能質(zhì)量設(shè)備不能使用DFT加窗技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相干采樣。 

實(shí)現(xiàn)相干采樣的現(xiàn)有解決方案 

客戶(hù)目前使用下述方案之一來(lái)維持與線路頻率的相干性： 

? 使用鎖相環(huán)(PLL)動(dòng)態(tài)調(diào)整ADC時(shí)鐘。 

? 使用Goertzel算法對(duì)ADC采樣并執(zhí)行DFT。 

? ADC進(jìn)行至少4倍過(guò)采樣，插入波形樣本，使用常規(guī)傅里葉變換(FFT)算法執(zhí)行DFT。 

PPL在模擬或數(shù)字域內(nèi)實(shí)施。 它提供的輸出信號(hào)的頻率等于輸入信號(hào)的基頻。 此信號(hào)會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整ADC時(shí)鐘并實(shí)現(xiàn)ADC采樣與線路基頻的相干性。 PPL的問(wèn)題是其響應(yīng)時(shí)間，也就是從線路頻率變化時(shí)刻到PPL輸出建立時(shí)刻的時(shí)間。

目錄

簡(jiǎn)介 1

相干采樣要求 1

實(shí)現(xiàn)相干采樣的現(xiàn)有解決方案 1

修訂歷史 2

采樣速率 4

采樣速率轉(zhuǎn)換器(SRC) 4

將抽取系數(shù)N編入采樣速率轉(zhuǎn)換器 4

將抽取系數(shù)N載入采樣速率轉(zhuǎn)換器 5

轉(zhuǎn)換為新ODR時(shí)的延遲              6

頻率 6

圖1顯示了由AD7779和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)組成的保護(hù)繼電器和測(cè)量系統(tǒng)的框圖，DSP可計(jì)算電壓諧波，然后將其用于保護(hù)算法中。 Goertzel DFT算法會(huì)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整傅里葉變換系數(shù)在整數(shù)線路周期內(nèi)獲得的波形樣本數(shù)量的函數(shù)。 這些系數(shù)為正弦和余弦系數(shù)；因此，DSP必須具有較高的帶寬才能應(yīng)對(duì)這種負(fù)荷。 

也可使用插值方法代替Goertzel算法。 將AD777x的輸出速率設(shè)為32 kSPS，這是通常使用的8 kSPS速率的4倍。 DSP插入波形樣本以使線路周期內(nèi)的相同樣本數(shù)與線路頻率無(wú)關(guān)。 插值可以是線性或具有更高的等級(jí)，后者得到的結(jié)果更準(zhǔn)確。 DSP必須具有較高的帶寬才能應(yīng)對(duì)這種額外的計(jì)算負(fù)荷。 請(qǐng)注意，插值會(huì)在測(cè)量頻帶中引入雜散諧波。 

現(xiàn)有解決方案都有缺點(diǎn)，如增加功耗（因?yàn)楦叩腄SP計(jì)算帶寬要求）和成本等。 借助AD7779的采樣速率轉(zhuǎn)換器(SRC)，用戶(hù)可通過(guò)使AD7779 ODR具有足夠的分辨率來(lái)跟蹤電力線頻率中的0.01Hz變化，獲得A類(lèi)電能質(zhì)量設(shè)備。 SRC無(wú)需采用插值模塊，如圖1所示。

圖1. 保護(hù)繼電器和測(cè)量系統(tǒng)框圖

采樣速率 

采樣速率轉(zhuǎn)換器(SRC) 

Σ-Δ型ADC包括一個(gè)可高效消除調(diào)制器噪聲的低通sinc濾波器。 sinc濾波器還可使輸出數(shù)據(jù)速率降低一定數(shù)量的整數(shù)值（與調(diào)制器時(shí)鐘速率相關(guān)），該過(guò)程稱(chēng)為抽取。 通常，抽取限制為一定數(shù)量的整數(shù)值。 AD7779上的sinc濾波器具有同步采樣速率轉(zhuǎn)換器(SRC)，以便以非整數(shù)值進(jìn)行抽取。 用戶(hù)可在使用此高效成熟的sinc濾波器架構(gòu)的同時(shí)，隨時(shí)間更改此值。 

要使SRC可用，AD7779必須處于SPI控制模式下。 上電過(guò)程中，通過(guò)將FORMAT0引腳和FORMAT1引腳直接與輸入/輸出數(shù)字LDO電源IOVDD相連，選擇此模式。 

AD7779專(zhuān)為監(jiān)控主電源電力線網(wǎng)絡(luò)中的交流電壓和電流的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 這些應(yīng)用中衡量的兩個(gè)主要參數(shù)是傳輸線路頻率和功耗。 通過(guò)在ADC產(chǎn)生的輸出上執(zhí)行FFT可確定這兩個(gè)參數(shù)。  

AD7779可通過(guò)允許用戶(hù)對(duì)特定輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行編程，在線路頻率內(nèi)維持相干采樣。 用戶(hù)可使用SPI接口對(duì)sinc濾波器的抽取系數(shù)(N)進(jìn)行編程。 計(jì)算輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)的公式為 

其中：

MCLK為AD7779時(shí)鐘頻率。 

AD7779設(shè)為高分辨率(HR)模式時(shí)M等于4，設(shè)為低功耗(LP)模式時(shí)M等于8。 

fMOD = MCLK/M，指調(diào)制器的采樣時(shí)鐘。 

計(jì)算抽取系數(shù)N的步驟如下： 

1. 將FORMAT0引腳和FORMAT1引腳連接至IOVDD，使AD7779處于SPI控制模式下。 

2. 選擇sinc濾波器、抽取率、功耗模式、PGA增益和內(nèi)部/外部電壓基準(zhǔn)，方法是使用SPI接口將這些項(xiàng)目寫(xiě)入相應(yīng)的存儲(chǔ)器映射寄存器。 請(qǐng)注意，AD7779僅具有sinc3濾波器。 

3. 選擇ADC的輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)，數(shù)值必須介于表1列出的最小和最大速率之間。 

4. 根據(jù)fMOD = MCLK/M計(jì)算調(diào)制器的采樣時(shí)鐘。 

5. 根據(jù)N = fMOD/ODR計(jì)算抽取系數(shù)。

表1. 最小和最大輸出數(shù)據(jù)速率(ODR) 

例如，對(duì)于AD7779，可在器件設(shè)為L(zhǎng)P模式的條件下選用sinc3濾波器。 

在一個(gè)線路周期內(nèi)對(duì)電壓采樣64次，以在64點(diǎn)DFT中ADC輸出樣本。如果線路頻率恰為50.00 Hz，則輸出數(shù)據(jù)速率ODR = 50.00 × 64 = 3.200 kHz。 調(diào)制器的采樣時(shí)鐘為 

抽取系數(shù)N為 

如果線路頻率變?yōu)?0.01 Hz，仍然采樣64次。 此時(shí)輸出數(shù)據(jù)速率ODR = 50.01 × 64 = 3.20064 kHz。 

抽取系數(shù)N為 

使用AD7770/AD7771/AD7779濾波器型號(hào)計(jì)算抽取系數(shù)和sinc濾波器在任意條件下的響應(yīng)。 

將抽取系數(shù)N編入采樣速率轉(zhuǎn)換器 

在載入SRC前將抽取系數(shù)N編入存儲(chǔ)器映射。 抽取系數(shù)由一個(gè)整數(shù)和一個(gè)小數(shù)組成。 抽取系數(shù)編程使用四個(gè)存儲(chǔ)器映射寄存器。

兩個(gè)寄存器用于對(duì)整數(shù)進(jìn)行編程，可編程值的范圍為最小指定值（見(jiàn)表2）至4095。 

? 寄存器0x60，SRC_N_MSB位，位[3:0]

? 寄存器0x61，SRC_N_LSB位，位[7:0]

兩個(gè)寄存器用于對(duì)小數(shù)（又稱(chēng)插值因子）進(jìn)行編程，可將待編程的小數(shù)表示為16位十進(jìn)制數(shù)。 

? 寄存器0x62，SRC_IF_MSB位，位[7:0]

? 寄存器0x63，SRC_IF_LSB位，位[7:0]

表2根據(jù)濾波器類(lèi)型，詳細(xì)列出了抽取系數(shù)N的最小值和最大值。 

表2. 抽取系數(shù)N的最小值和最大值

在“采樣速率轉(zhuǎn)換器(SRC)”部分的例子中，N = 159.968006。 整數(shù)為159，小數(shù)為0.968006。 SRC_N_MSB = 0x00，SRC_N_LSB = 0x9F。 

SRC_IF_MSB和RC_IF_LSB寄存器值的計(jì)算方法如下：

1. 將小數(shù)乘以216：

0.968006 × 216 = 63,439.24。 

2. 取整數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制格式： 

63,439 = 0xF7CF。 

3. 將0xF7寫(xiě)入SRC_IF_MSB寄存器，將0xCF寫(xiě)入SRC_IF_LSB寄存器。 

AD7770/AD7771/AD7779濾波器型號(hào)可計(jì)算SRC_N_MSB、SRC_N_LSB、SRC_IF_MSB和SRC_IF_LSB寄存器的每個(gè)抽取系數(shù)N（通過(guò)計(jì)算得到）的寄存器值。 

將抽取系數(shù)N載入采樣速率轉(zhuǎn)換器 

SRC_N_MSB、SRC_N_LSB、SRC_IF_MSB和SRC_IF_LSB寄存器僅存儲(chǔ)抽取系數(shù)。 這些抽取系數(shù)必須通過(guò)SRC加載操作載入DSP。 抽取系數(shù)可通過(guò)軟件或硬件加載，具體取決于SRC_UPDATE寄存器（寄存器0x64）中的位7(SRC_LOAD_SOURCE)：

? 位0 = SRC_LOAD_UPDATE

? 位7 = SRC_LOAD_SOURCE

如果位7 SRC_LOAD_SOURCE的默認(rèn)值為0，則通過(guò)將SRC_LOAD_UPDATE位設(shè)為1進(jìn)行加載。等待至少兩個(gè)MCLK周期，然后將SRC_LOAD_UPDATE位清0。該位必須清0后才能?chē)L試執(zhí)行新的加載。 

如果位7 SRC_LOAD_SOURCE設(shè)為1，則ODR在硬件中進(jìn)行控制。 執(zhí)行加載的步驟如下：

1. 將MODE0/GPIO0引腳連接至MODE1/GPIO1引腳。 

2. 將MODE2/GPIO2引腳設(shè)為高電平，在LP模式下持續(xù)兩個(gè)MCLK周期，在HR模式下持續(xù)一個(gè)MCLK周期。 然后將MODE2/GPIO2引腳設(shè)為低電平。 

如果多個(gè)AD7779器件必須加載相同的同步SRC加載信號(hào)，則將一個(gè)器件的MODE1/GPIO1引腳連接至其他器件的MODE0/GPIO0引腳。 請(qǐng)注意，同步方法需要使用一個(gè)共用MCLK（見(jiàn)圖2）。 

圖2. 多個(gè)AD7779器件同步

轉(zhuǎn)換為新ODR時(shí)的延遲

SRC加載新抽取系數(shù)后，轉(zhuǎn)換為新ODR時(shí)會(huì)出現(xiàn)延遲。 出現(xiàn)延遲的原因是SRC會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)換序列： 完成以先前的ODR進(jìn)行的濾波器輸出計(jì)算，然后開(kāi)始以新ODR計(jì)算輸出。 ODR通過(guò)監(jiān)控引腳（引腳30）處的信號(hào)的周期進(jìn)行確定。 引腳保持高電平至少一個(gè)DCLK脈沖，以顯示最新轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，數(shù)據(jù)即將在DOUT引腳提供。 

抽取系數(shù)加載時(shí)刻到在引腳處看到新ODR的時(shí)刻之間存在延遲。 三或四個(gè)脈沖后才會(huì)看到新ODR（見(jiàn)圖3）。 確切的延遲時(shí)間不固定，因?yàn)檫@取決于相對(duì)于脈沖加載SRC的時(shí)間。 

在采樣速率轉(zhuǎn)變過(guò)程中，請(qǐng)勿將新的抽取系數(shù)載入SRC。 任何此種嘗試都將被忽略。 

頻率 

引腳可用于測(cè)量AD7779的ODR。 抽取系數(shù)為整數(shù)時(shí)，DRDY引腳的周期始終固定，等于1/ODR。

例如，如果N = 160，則ODR = fMOD/N = 512/160 = 3.2 kHz，脈沖之間的周期為1/3200 = 312.5 μs。 如果N = 159，則ODR = 512/159 = 3.220126 kHz，脈沖之間的周期為1/3220.126 = 310.547 μs。

如果抽取系數(shù)為非整數(shù)值，則的周期將在不同周期之間振蕩，具體取決于抽取系數(shù)四舍五入后得到的整數(shù)。 各個(gè)周期的平均值等于預(yù)期ODR。 但是，各個(gè)周期始終以編入AD7779的ODR進(jìn)行計(jì)算。

例如，如果N = 159.968006，周期將在由N = 159 (310.547 μs)和N = 160 (312.5 μs)確定的周期之間進(jìn)行振蕩，其平均值N/fMOD = 159.968006/512000 = 312.438 μs。

要確定ODR周期是否為預(yù)期數(shù)值，可測(cè)量由下述公式顯示的脈沖數(shù)之間的時(shí)間。 得到的數(shù)值近似等于獲得預(yù)期ODR所需的時(shí)間。

當(dāng)IF≤0.5時(shí)，

((1/IF) + 1)脈沖

當(dāng)IF>0.5時(shí)，

((1/(1 ? IF)) + 1)脈沖

其中，IF為N的小數(shù)位。

當(dāng)脈沖的數(shù)量不是整數(shù)時(shí)，將結(jié)果四舍五入至最近的整數(shù)值。 

例如，如果N = 159.968006、IF = 0.968006。 計(jì)算預(yù)期ODR周期時(shí)必須計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)如下： 

1/(1 ? 0.968006) + 1 = 32.35  33 DRDY脈沖

圖3. 新輸出數(shù)據(jù)速率延遲

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