图1 逐次逼近原理构成数据采集系统组成框图 一、电压形成回路 1. 信号来源：微机保护与传统保护一样，它的输入信号来自被保护线路或设备的电流互感器、电压互感器的二次侧。 2. 使用前提：互感器的二次侧的电流或电压一般数值较大，变化范围也较大，不适应模数转换器的工作要求，需要使用各种中间变换器来实现变换。 3. 中间变换器：:电流变换器Tam；电压变换器TVm；电抗变换器TXm。 4. 输入变换及电压形成回路的原理：将电流互感器TA、电压互感器TV的二次电流、电压输出转化为计算机能识别的弱电信号，一般输出信号为±5V或± 10V，具体由A/D芯片决定。 电流变换：一般采用电流变换器并在其二次侧并电阻以取得所需电压，改变电阻值可以改变输出范围的大小；也可以采用电抗变换器。 ◆电流变换采用电抗变换器的优缺点： 优点：由于铁芯带气隙而不易饱和，线性范围大，且有移相作用； 缺点：会抑制直流分量，放大高频分量。 ◆电流变换采用电流变换器的优缺点： 优点：只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上电压的波形基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的变换可使原信息不失真； 缺点：在非周期分量的作用下容易饱和，线性度较差，动态范围小。 补充说明：电压形成回路除了电量变换作用外，还起着屏蔽和隔离作用，使得微机电路在电气上与强电部分隔离，从而阻止来自强电系统的干扰。 在设计辅助变换器时，可在一次、二次绕阻之间加入屏蔽层并可靠接地。 5. 典型微机保护电压形成回路接线： 作用：用于三相电流（IA、IB、IC）、零序电流（I0）、三相电压（UA、UB、UC）和线路电压UL的输入。
图2 典型的微机保护电压形成回路接线 二、模拟滤波单元 1. 采样频率要综合考虑的多种因素： 第一：采样频率的选择必须满足采样定理的要求，即采样频率必须大于原始信号中最高频率的二倍，否则将造成频率混叠现象，采样后的信号不能真实代表原始信号； 第二：采样频率的高限受到CPU的速度、被采集的模拟信号的路数、A/D转换后的数据与存储器的数据传送方式的制约。 2. 防止频率混叠的方法： 因电力系统发生故障时，故障初瞬电压、电流中往往含有频率很高的分量，为了防止频率混叠，必须选择很高的采样频率，但对硬件的要求相当高。 为降低频率要求，可在采样之前先用一个模拟低通滤波器将频率高于采样频率一半的信号滤掉。如选择采样频率为600HZ，则模拟低通滤波器应将300HZ及以上频率的信号滤除。 3. 采样频率的选择： 采样频率的选择与保护原理采用的算法有关。如在微机保护中多采用傅氏算法，若选择采样频率为600HZ，采用傅氏算法时的滤波系数就变得简单。 4. 有源滤波器： ◆定义：是指由RC网络与运算放大器构成的滤波电路（常用二阶）。 ◆优点：具有良好的滤波性能 ◆频率特性：阶数越高，其频率响应就越具有十分平坦的通带和陡峭的过渡带。 ◆缺点：增加了装置的复杂性和延时，故滤波器阶数不宜过高。 三、采样保持电路 这部分主要介绍什么是采样保持电路，以及它的工作原理。 1. 采样：是将一个连续的时间信号（正弦波信号）变成离散的时间信号（采样信号）。 2. 理想采样：抽取模拟信号的瞬时函数值，抽取的时间间隔由采样脉冲来控制。 3. 采样或离散化：把连续的时间信号变成离散的采样信号的过程。 4. 作用：在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模/数转换器进行转换的期间内保持其输出不变。可方便对多个模拟量实现同时采样。 5. 工作原理：见下图左，它由一个电子模拟开关AS、保持电容器Ch以及两个阻抗变换器组成，模拟开关AS受逻辑输入端的电平控制，该逻辑输入就是采样脉冲信号。 6. 采样保持电路（S/H电路）： 在逻辑输入为高电平时AS闭合，此时电路处于采样状态。Ch迅速充电或放电到usr在采样时刻的电压值。AS的闭合时间应满足使Ch有足够的充电或放电时间--即采样时间。理想采样时间越短越好。 应用阻抗变换器I的目的：是它在输入端呈现高阻抗，对输入回路的影响很小；而输出阻抗很低，使充放电回路的时间常数很小，保证Ch的电压能迅速跟踪到在采样时刻的瞬时值usr。 AS打开时，电容器Ch 上保持住AS闭合时刻的电压，电路处于保持状态。 为提高保持能力，电路应用了另一个阻抗变换器II，它在Ch侧呈现高阻抗，使Ch对应充放电回路的时间常数很大，而输出阻抗很低，以增强带负载能力。 7. 采样保持过程： 等间隔的采样脉冲由微机内部定时器产生。 采样脉冲用于对信号（模拟量）进行定时采样，从而得到反映输入信号在采样时刻的信息，即采样信号。随后在一定时间内保持采样信号处于不变的状态—“采样和保持信号”。 四、多路转换开关 这部分主要多路转换开关的定义及它的输入输出。 1. 多路转换开关：是将多个采样/保持后的信号逐一与A/D芯片接通的控制电路。 2. 输入及输出： 一般多个输入、一个输出端和几个控制信号端。 根据控制端的二进制编码决定哪一个输入端与输出端接通。 在多个采样保持电路公用一片A/D的系统中必须设有多路开关。 五、模数转换器 模数转换器可以认为是一种编码电路，它可以实现将模拟的输入量UA相对于参考电压UR经过一个编码电路转换成数字量D，用二进制表示为： D=B1X2-1+B2X2-2+。。。。。+BnX2-n B1~Bn为0或1。 D是一个小于1的数，D= UA / UR ，故模拟信号可表示为UA = UR D。 原理图如下所示：
图3 逐次逼近式A/D转换原理框图 逐次逼近式A/D转换过程： 转换开始，先设定一个数字量，这个数字量的最高位设为“1”，其余位设为“0”，将该数字量经过一个D/A转换电路变为与其对应的模拟量U0，再将该模拟量与输入的模拟量进行比较，由比较的结果修改设定的数字量。 如果设定的数字量经D/A转换后的模拟量小于待转换的模拟信号，则保留设定的数字量的最高位“1”，否则置“0”。 再将次高位设为“1”，经D/A转换后再与待转换的模拟信号比较，如果设定的数字量经D/A转换后的模拟量大于待转换的模拟信号，则将设定的该位数字量置为“0”，否则保留“1”。 再将下一位设为“1”，经D/A转换后再与待转换的模拟信号比较…… 重复这一过程直到数字量的所有位确定下来，转换过程结束。 A/D转换的溢出和极性： 从A/D转换的工作原理可以看出，对于4位的A/D转换器而言，数字量D的最大输出值1111，这个最大值经D/A后得到一个UDmax，通常不超过标准电压UR（一般为10V）。 对于输入的模拟电压u（t），要求不超过最大值UDmax ，如果出现u（t）>UDmax，则A/D转换的结果将保持为全1，从而造成平顶波，这种现象叫溢出。 逐次逼近原理原则上只适用于单极性的输入电压，即输入电压必须是正的，这就是单极性。如果为负u（t）总小于0，则不论负值多大，比较器输出都是0。 实际上继电保护所反映的电流和电压都是双极性的，为实现对双极性模拟量的模数变换，需设置一个直流偏移量，其值为最大允许输入量的一半。将此偏移直流量U偏同交变的输入量相加变成单极性模拟量后再接至比较器。 双极性接法允许的最大输入电压幅值将比单极性时缩小一半。如单极性时电压范围为0~10V，接成双极性时偏置电压取+5V，而输入双极性电压最大允许范围为±5V（见图中波形）。采用偏置电压后，相当于纵坐标平移最大值的一半，但不改变分辨率和基本量化单位或LSB。
