準(zhǔn)確的電力線(xiàn)監(jiān)控已成為一項(xiàng)關(guān)鍵要求，不僅要集中在電網(wǎng)本身，還應(yīng)放在電網(wǎng)邊緣。對(duì)于并網(wǎng)能量收集發(fā)電系統(tǒng)甚至終端設(shè)備，持續(xù)的電能質(zhì)量特性分析有助于確保電網(wǎng)和附屬系統(tǒng)的健康。作為電源監(jiān)控系統(tǒng)的核心，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）在測(cè)量適合每種應(yīng)用的精度水平的線(xiàn)電壓和電流方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。工程師可以滿(mǎn)足一系列要求 - 從公用事業(yè)級(jí)系統(tǒng)獲得收益所需的精度到用于檢測(cè)線(xiàn)路故障的基本功率監(jiān)視器 - 使用高性能ADC和制造商的相關(guān)組件，包括ADI公司，Copal Electronics，Intersil，Linear Technology， Maxim Integrated，Microchip Technology，ON Semiconductor，Pulse Electronics和Texas Instruments。

在最基本的層面上，電力監(jiān)控系統(tǒng)依靠使用電流互感器（CT）和電壓互感器（稱(chēng)為PT，用于電壓互感器）輸出的瞬時(shí)電流和電壓進(jìn)行測(cè)量，這些輸出由高速ADC轉(zhuǎn)換（圖1）。反過(guò)來(lái)，處理器使用瞬時(shí)電流和電壓測(cè)量來(lái)計(jì)算關(guān)鍵特性，包括有功功率，無(wú)功功率，視在功率和功率因數(shù) - 甚至更復(fù)雜的計(jì)算，如諧波，這可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

圖1：典型的電源監(jiān)控系統(tǒng)采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提供高電流，對(duì)線(xiàn)電流和電壓進(jìn)行采樣分辨率數(shù)據(jù)到主處理器以計(jì)算功率參數(shù)。 （德州儀器公司提供）

執(zhí)行這些功率計(jì)算主要取決于精確測(cè)量的電壓和電流。北美的ANSI C12.20和IEC 62053等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了0.2級(jí)的特定精度等級(jí)，要求精度為±0.2％。在實(shí)踐中，功率測(cè)量系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)精度規(guī)范 - 依靠高采樣率和高分辨率轉(zhuǎn)換器來(lái)捕獲高速瞬變并確保可靠地計(jì)算更復(fù)雜的特性，例如多次諧波。

同時(shí)，這些功率特性的測(cè)量需要對(duì)所有三相和中性點(diǎn)的電壓和電流進(jìn)行嚴(yán)格同步的高分辨率測(cè)量。同步采樣可以非常精確地測(cè)量每條線(xiàn)路上的電壓和電流之間的相角。電壓和電流測(cè)量之間的不良同步會(huì)引入偽像，降低總體精度，并顯著損害更復(fù)雜的功率計(jì)算。

同步采樣

為降低高精度多通道測(cè)量的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員可以選擇高度集成的器件，將高分辨率ADC與模擬前端（AFE）相結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計(jì)阻抗匹配，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，偏移和其他可能侵蝕數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能和準(zhǔn)確性的因素。制造商通常圍繞逐次逼近寄存器（SAR）轉(zhuǎn)換器構(gòu)建這些高性能同步采樣ADC。 SAR ADC具有高精度，沒(méi)有與delta-sigma ADC中使用的過(guò)采樣相關(guān)的周期延遲，從而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換分辨率。

對(duì)于要求最苛刻的應(yīng)用，半導(dǎo)體制造商為每個(gè)通道集成了復(fù)雜的AFE和專(zhuān)用SAR ADC。對(duì)于高精度功率監(jiān)測(cè)，Maxim Integrated MAX11046和Texas Instruments ADS8568等八通道ADC允許同時(shí)采樣所有三相和中性點(diǎn)（圖2）。通過(guò)為每個(gè)通道提供專(zhuān)用的AFE和ADC，這些器件能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率 - MAX11046每通道250 ksps，ADS8568（并行輸出接口）510 ksps。

圖2：對(duì)于三相電源監(jiān)控，同步采樣ADC為高精度功率計(jì)算所需的八個(gè)通道中的每一個(gè)提供單獨(dú)的AFE和ADC。 （由Maxim Integrated提供）

對(duì)于某些應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地將CT和PT的無(wú)緩沖輸出直接連接到ADC的輸入，包括Maxim Integrated MAX11046和TI ADS8568，如圖2所示。由于MAX11046提供高輸入輸入阻抗和自保護(hù)輸入鉗位，因此支持這種簡(jiǎn)單配置。然而，為了實(shí)現(xiàn)最大吞吐量，ADC通常需要在傳感器和ADC之間使用運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)器。實(shí)際上，Maxim Integrated和Texas Instruments的評(píng)估板都包含此類(lèi)驅(qū)動(dòng)器。 Maxim Integrated的MAXREFDES30評(píng)估板采用MAX441046，內(nèi)置MAX44252運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)器。在用于ADS8568的TI ADS8688EVM-PDK評(píng)估板上，德州儀器（TI）包括其OPA2209運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)器。

不太嚴(yán)格的要求

對(duì)于精度要求不太嚴(yán)格的電源監(jiān)控應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向性能屬性較為適中的設(shè)備。僅需要檢測(cè)電力線(xiàn)故障的功率監(jiān)視器中的較簡(jiǎn)單要求可以利用較低分辨率的ADC。德州儀器（TI）LMP92064電流/電壓監(jiān)測(cè)IC采用這種方法提供單線(xiàn)電源監(jiān)控IC，幾乎不需要額外的元件（圖3）。該器件集成了一個(gè)精密電流檢測(cè)放大器，用于測(cè)量分流電阻和緩沖電壓通道上的負(fù)載電流，以測(cè)量負(fù)載的電壓。然而，獨(dú)立的125 ks，12位ADC同時(shí)采樣電流和電壓通道的能力支持精確的功率計(jì)算。

圖3：德州儀器（TI）LMP92064等功率監(jiān)視器IC使用一對(duì)12位ADC來(lái)支持精度要求不高的應(yīng)用的功率計(jì)算。 （德州儀器公司提供）

對(duì)于更簡(jiǎn)單的監(jiān)控要求，設(shè)計(jì)人員通常可以使用帶有外部多路復(fù)用器的單個(gè)ADC來(lái)監(jiān)控每條線(xiàn)路上的電壓和電流。實(shí)際上，Intersil DG408，Maxim Integrated MAX4581和ON Semiconductor MC74HC4051A等8：1多路復(fù)用器可以支持需要更多基本功率監(jiān)控的三相應(yīng)用。

設(shè)計(jì)人員可以找到具有集成多路復(fù)用器的ADC，旨在支持廣泛的通道，數(shù)據(jù)吞吐量和轉(zhuǎn)換分辨率。對(duì)于三相電源監(jiān)控，ADI公司AD7699，凌力爾特公司LTC2372和德州儀器ADS8688等器件集成了一個(gè)8通道多路復(fù)用器，ADC和每個(gè)通道的專(zhuān)用模擬前端。例如，TI ADS8688的每個(gè)輸入通道都包括過(guò)壓保護(hù)，可編程增益放大器（PGA），低通濾波器以及將共用多路復(fù)用器饋送到單個(gè)ADC的驅(qū)動(dòng)器。

結(jié)論

確保電網(wǎng)電能質(zhì)量要求對(duì)每相的電壓和電流進(jìn)行高精度測(cè)量。對(duì)于并網(wǎng)能量收集系統(tǒng)和設(shè)備，功率監(jiān)控同樣需要使用ADC為線(xiàn)路電壓和電流提供高分辨率同步采樣，為每個(gè)通道提供專(zhuān)用轉(zhuǎn)換器。雖然基本故障監(jiān)控基于與高精度測(cè)量應(yīng)用相同的原理，但設(shè)計(jì)人員可以使用低分辨率ADC或多路復(fù)用器件，以較低的吞吐率提供高分辨率多通道測(cè)量。設(shè)計(jì)人員可以找到現(xiàn)成的ADC，以滿(mǎn)足廣泛的通道支持，位分辨率和采樣率要求。