摘 要： 介紹一個(gè)交直流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它采用參數(shù)自尋優(yōu)同步采樣法和雙向過零鑒相技術(shù)，充分發(fā)揮了單片機(jī)在智能化儀器中的軟件優(yōu)勢。給出的采樣前置電路和其他硬件同樣具有參考價(jià)值。

    關(guān)鍵詞： 采樣參數(shù)自尋優(yōu)　鑒相技術(shù)　前置電路　外中斷口　雙隔離采樣通道

    由于單片機(jī)的問世，微計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，由此而產(chǎn)生的智能化儀器已滲透到測量的各個(gè)領(lǐng)域。在我們研制的交直流參數(shù)測量儀中，充分發(fā)揮了單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件優(yōu)勢，提高了電壓、電流、功率、相位及頻率的測量精度，并能對被測交直流電量進(jìn)行自動識別。文中提到的參數(shù)自尋優(yōu)同步采樣法的思路是新穎的，通過軟件尋優(yōu)，選擇最佳的采樣次數(shù)Ｎ和采樣間隔τ，使由采樣計(jì)算所引起的同步誤差得到最大限度的減小。在儀器中采用軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)的雙向過零鑒相技術(shù)，使相位測量的結(jié)果不再包含比較器失調(diào)和溫漂等因素所引起的誤差。精密高效的采樣前置電路，提供了一種新的交流信號整流方法和一個(gè)消除模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻對測量精度影響的措施，此電路對直流信號同樣有效。為了使信號的上下沿都能觸發(fā)單片機(jī)的外中斷，適應(yīng)雙向過零鑒相的需要，我們對51系列單片機(jī)的外中斷口進(jìn)行了重構(gòu)改造。由于采用了串行A/D和將電源分離，很容易地實(shí)現(xiàn)了采樣通道與采樣通道之間、采樣通道與中央處理器之間的雙隔離，滿足了電工測試的特殊需要。

    １ 參數(shù)自尋優(yōu)同步采樣

    1.1采樣思路

    采樣方法早在二十世紀(jì)四十年代已用于數(shù)值積分中，后來引入電磁測量，對周期性變化量的時(shí)間軸進(jìn)行離散化以便對功率進(jìn)行精密測量。具體做法是將信號的一個(gè)整周期（或多個(gè)整周期）進(jìn)行均勻離散，在每一離散點(diǎn)處取其瞬時(shí)值，稱做同步采樣。同步采樣是假定N次均勻采樣間隔т之和恰好等于一個(gè)周期T或m個(gè)周期（mT）的理想采樣；但實(shí)際測量系統(tǒng)中由于環(huán)節(jié)和所用部件的不完善等原因，難于嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)這一要求，出現(xiàn)一些差異，稱作同步誤差。同步誤差總是存在的，即使周期Ｔ獲得的可信度已很高，但無論是預(yù)先確定采樣間隔τ，實(shí)時(shí)確定采樣次數(shù)，還是預(yù)先確定采樣次數(shù)Ｎ，實(shí)時(shí)確定采樣間隔，由于取整的原因，這種由計(jì)算帶來的截?cái)嗾`差總是在所難免的。在實(shí)際測量中，很小的同步誤差也會產(chǎn)生較大的測量誤差。據(jù)此分析使我們想到，如果采樣次數(shù)和采樣間隔都不預(yù)先確定，微處理器在得到信號的實(shí)測周期后，用尋優(yōu)的方法來確定采樣參數(shù)N和т，以期最大限度地減小同步誤差或周期截?cái)嗖�，使系統(tǒng)的運(yùn)作更接近于同步采樣的理想式N.т=T。這就提出了參數(shù)自尋優(yōu)等間隔同步采樣的基本思路。

    按照這個(gè)思路，我們可以讓微處理器實(shí)時(shí)計(jì)算m個(gè)T周期內(nèi)，采樣次數(shù)的下限Ｎｄｗ和上限Ｎｕｐ間使誤差判據(jù)最小的N值和τ值，作為ｍ個(gè)信號周期內(nèi)的采樣次數(shù)和采樣間隔。用ｍ個(gè)信號周期來做為采樣周期，一是為了找到更為優(yōu)化的Ｎ和τ；二是能使（ｍ·Ｔ）／Ｎ足夠長，以便有充裕的時(shí)間完成所需進(jìn)行的實(shí)時(shí)運(yùn)算。Ｎｄｗ的確定應(yīng)滿足香農(nóng)采樣定理，即使Ｎｄｗ／ｍ大于2倍的最高次諧波的次數(shù)ｋｍａｘ。Ｎｕｐ的確定受微處理器運(yùn)算速度和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度的限制。 總之，ｍ、Ｎｄｗ、Ｎｕｐ的確定既有各自的限制又要有相關(guān)聯(lián)的考慮。

    誤差判據(jù)可以采用使同步誤差ΔＴ最小，也可以采用使周期截?cái)嗾`差最小。

    1.2軟件編程

    圖１是采樣參數(shù)自尋優(yōu)子程序的框圖。圖中的符號ΔＴｍｉｎ、ΔＴｍａｘ為較小、較大同步誤差暫存單元；Tｍｉｎ、Tｍａｘ為較小、較大同步誤差時(shí)的采樣間隔暫存單元；Ｎｍｉｎ、Ｎｍａｘ為較小、較大同步誤差時(shí)的采樣次數(shù)暫存單元；Nn、тn是循環(huán)比較中采樣次數(shù)和采樣間隔的暫存單元；No、тo是最優(yōu)采樣次數(shù)和采樣間隔的暫存單元。