簡介 

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,，電力公司需要提高電網(wǎng)的可見性和自動化程度,。 提高電網(wǎng)基礎設施的自動化程度可提高電網(wǎng)效率,，因為可通過調整動態(tài)負載來滿足相應需求,。 提高可見性和自動化程度需要增強電網(wǎng)節(jié)點的監(jiān)控能力。 為了滿足智能電網(wǎng)的各種要求,，輸配電(T&D)產(chǎn)品的用戶需要具備多種功能的高性價比產(chǎn)品,。 這些功能包括保護、測量和質量監(jiān)控,。 輸配電設備制造商正在開發(fā)集成式硬件/軟件解決方案來滿足這些要求,。 在單個硬件/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)轉換器(ADC)： 

? 一個8/4通道同步采樣24位ADC 

? 高動態(tài)范圍（8 kSPS時為114 dB） 

? 一個快速建立ADC（低群延遲） 

? 微調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是一種滿足所有這些要求的24位同步采樣Σ-Δ型ADC。 本應用筆記提供了使用AD7779用線路頻率實現(xiàn)相干采樣的方法,，并將這些方法與其他方法進行了對比,。 

相干采樣要求 

要使電能計量和電能質量設備的諧波數(shù)據(jù)和計量參數(shù)獲得要求的精度，應確保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%范圍內變化,。 在電網(wǎng)完善且得到妥善控制的國家，電力線頻率的變化率較低,。 在電網(wǎng)正在發(fā)展的國家,，電力線頻率變化較大。 電能質量標準IEC 61000-4-30規(guī)定了電能質量產(chǎn)品分類的相應頻率跟蹤分辨率,。 A類設備必須能夠跟蹤0.01 Hz的線路頻率變化,，S類設備必須能夠跟蹤0.05 Hz的線路頻率變化,，而B類設備的跟蹤要求則由制造商確定。 后續(xù)版本的IEC 61000-4-30標準可能會移除B類設備,。 

IEC 61000-4-30標準所采用的電壓諧波測量方法在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，因為DFT窗口的形狀（Hamming,、Blackman等）會改變諧波的幅值,；如果各制造商采用不同的快速傅里葉變換(FFT)加窗技術，則不同產(chǎn)品供應商的諧波分析結果會有所不同,。 因此,，IEC 61000-4-30 A類電能質量設備不能使用DFT加窗技術來實現(xiàn)相干采樣。 

實現(xiàn)相干采樣的現(xiàn)有解決方案 

客戶目前使用下述方案之一來維持與線路頻率的相干性： 

? 使用鎖相環(huán)(PLL)動態(tài)調整ADC時鐘,。 

? 使用Goertzel算法對ADC采樣并執(zhí)行DFT,。 

? ADC進行至少4倍過采樣，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)字域內實施。 它提供的輸出信號的頻率等于輸入信號的基頻,。 此信號會動態(tài)調整ADC時鐘并實現(xiàn)ADC采樣與線路基頻的相干性,。 PPL的問題是其響應時間，也就是從線路頻率變化時刻到PPL輸出建立時刻的時間,。

目錄

簡介 1

相干采樣要求 1

實現(xiàn)相干采樣的現(xiàn)有解決方案 1

修訂歷史 2

采樣速率 4

采樣速率轉換器(SRC) 4

將抽取系數(shù)N編入采樣速率轉換器 4

將抽取系數(shù)N載入采樣速率轉換器 5

轉換為新ODR時的延遲              6

頻率 6

圖1顯示了由AD7779和數(shù)字信號處理器(DSP)組成的保護繼電器和測量系統(tǒng)的框圖,，DSP可計算電壓諧波，然后將其用于保護算法中,。 Goertzel DFT算法會根據(jù)實際情況調整傅里葉變換系數(shù)在整數(shù)線路周期內獲得的波形樣本數(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對這種負荷,。 

也可使用插值方法代替Goertzel算法。 將AD777x的輸出速率設為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的相同樣本數(shù)與線路頻率無關。 插值可以是線性或具有更高的等級,，后者得到的結果更準確,。 DSP必須具有較高的帶寬才能應對這種額外的計算負荷。 請注意,，插值會在測量頻帶中引入雜散諧波,。 

現(xiàn)有解決方案都有缺點，如增加功耗（因為更高的DSP計算帶寬要求）和成本等,。 借助AD7779的采樣速率轉換器(SRC),，用戶可通過使AD7779 ODR具有足夠的分辨率來跟蹤電力線頻率中的0.01Hz變化,，獲得A類電能質量設備。 SRC無需采用插值模塊,，如圖1所示,。

圖1. 保護繼電器和測量系統(tǒng)框圖

采樣速率 

采樣速率轉換器(SRC) 

Σ-Δ型ADC包括一個可高效消除調制器噪聲的低通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（與調制器時鐘速率相關）,，該過程稱為抽取,。 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換器(SRC),，以便以非整數(shù)值進行抽取。 用戶可在使用此高效成熟的sinc濾波器架構的同時,，隨時間更改此值,。 

要使SRC可用，AD7779必須處于SPI控制模式下,。 上電過程中,，通過將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專為監(jiān)控主電源電力線網(wǎng)絡中的交流電壓和電流的應用而設計,。 這些應用中衡量的兩個主要參數(shù)是傳輸線路頻率和功耗。 通過在ADC產(chǎn)生的輸出上執(zhí)行FFT可確定這兩個參數(shù),。  

AD7779可通過允許用戶對特定輸出數(shù)據(jù)速率進行編程,，在線路頻率內維持相干采樣。 用戶可使用SPI接口對sinc濾波器的抽取系數(shù)(N)進行編程,。 計算輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)的公式為 

其中：

MCLK為AD7779時鐘頻率,。 

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

fMOD = MCLK/M，指調制器的采樣時鐘,。 

計算抽取系數(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增益和內部/外部電壓基準,，方法是使用SPI接口將這些項目寫入相應的存儲器映射寄存器,。 請注意，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計算調制器的采樣時鐘。 

5. 根據(jù)N = fMOD/ODR計算抽取系數(shù),。

表1. 最小和最大輸出數(shù)據(jù)速率(ODR) 

例如,，對于AD7779，可在器件設為LP模式的條件下選用sinc3濾波器,。 

在一個線路周期內對電壓采樣64次,，以在64點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,。 調制器的采樣時鐘為 

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濾波器型號計算抽取系數(shù)和sinc濾波器在任意條件下的響應。 

將抽取系數(shù)N編入采樣速率轉換器 

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

兩個寄存器用于對整數(shù)進行編程,，可編程值的范圍為最小指定值（見表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]

兩個寄存器用于對小數(shù)（又稱插值因子）進行編程,，可將待編程的小數(shù)表示為16位十進制數(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)濾波器類型,，詳細列出了抽取系數(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)并將其轉換為十六進制格式： 

63,439 = 0xF7CF,。 

3. 將0xF7寫入SRC_IF_MSB寄存器,，將0xCF寫入SRC_IF_LSB寄存器,。 

AD7770/AD7771/AD7779濾波器型號可計算SRC_N_MSB、SRC_N_LSB,、SRC_IF_MSB和SRC_IF_LSB寄存器的每個抽取系數(shù)N（通過計算得到）的寄存器值,。 

將抽取系數(shù)N載入采樣速率轉換器 

SRC_N_MSB、SRC_N_LSB,、SRC_IF_MSB和SRC_IF_LSB寄存器僅存儲抽取系數(shù),。 這些抽取系數(shù)必須通過SRC加載操作載入DSP。 抽取系數(shù)可通過軟件或硬件加載,，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的默認值為0,，則通過將SRC_LOAD_UPDATE位設為1進行加載。等待至少兩個MCLK周期,，然后將SRC_LOAD_UPDATE位清0,。該位必須清0后才能嘗試執(zhí)行新的加載。 

如果位7 SRC_LOAD_SOURCE設為1,，則ODR在硬件中進行控制,。 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引腳設為高電平,，在LP模式下持續(xù)兩個MCLK周期,，在HR模式下持續(xù)一個MCLK周期。 然后將MODE2/GPIO2引腳設為低電平,。 

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

圖2. 多個AD7779器件同步

轉換為新ODR時的延遲

SRC加載新抽取系數(shù)后，轉換為新ODR時會出現(xiàn)延遲,。 出現(xiàn)延遲的原因是SRC會進入轉換序列： 完成以先前的ODR進行的濾波器輸出計算,，然后開始以新ODR計算輸出。 ODR通過監(jiān)控引腳（引腳30）處的信號的周期進行確定,。 引腳保持高電平至少一個DCLK脈沖,，以顯示最新轉換已經(jīng)完成,，數(shù)據(jù)即將在DOUT引腳提供,。 

抽取系數(shù)加載時刻到在引腳處看到新ODR的時刻之間存在延遲。 三或四個脈沖后才會看到新ODR（見圖3）,。 確切的延遲時間不固定,，因為這取決于相對于脈沖加載SRC的時間。 

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

頻率 

引腳可用于測量AD7779的ODR。 抽取系數(shù)為整數(shù)時,，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),。 各個周期的平均值等于預期ODR,。 但是，各個周期始終以編入AD7779的ODR進行計算,。

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

當IF≤0.5時，

((1/IF) + 1)脈沖

當IF>0.5時,，

((1/(1 ? IF)) + 1)脈沖

其中,，IF為N的小數(shù)位。

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

例如，如果N = 159.968006,、IF = 0.968006,。 計算預期ODR周期時必須計數(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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