电能质量问题成为近年来各个方面关注的焦点，电能质量监测是当前国际上的一个研究热点［1］，有必要对三相电信号进行高精度采集，便于进一步分析控制，提高电能质量。对电力参数的采样方法主要有两种，即直流采样法和交流采样法。直流采样法采样的是整流变换后的直流量，软件设计简单，计算方便，但测量精度受整流电路的影响，调整困难。交流采样法则是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量，因而较之直流采样法更易获得高精度、高稳定性的测量结果［2］。

三相电信号采集电路设计

三相电信号采集电路框架

三相电信号采集电路的框架如图1所示。三相电压电流信号经过电压电流互感器转换为较低的电压信号。其中A相的电压信号经过波形调整成为频率与A相电压信号相同的方波信号，用于测量频率。同时将转换后方波频率信号进行频率的整数倍放大作为A/D转换的控制信号。经过六路互感器降压后，将信号送入AD7656进行A/D转换，转换完的数字信号就可以供于DSP/MCU进行数据分析。

电压电流互感器的选用

电压/电流互感器均采用湖北天瑞电子有限公司TR系列检测用电压输出型变换器。电压互感器采用检测用电压输出型电压变换器TR1102-1C，如图2为其结构图，规格为300V/7.07V，非线性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。电流互感器采用检测用电压输出型电流变换器TR0102-2C，规格为5A/7.07V，非线性度比差<+/-0.1%，角差<=+/-5分。

电源电路

AD7656共有两种模拟信号输入模式，一是模拟输入信号为二倍的参考电压（2.5V）即+/-5V之间，另一种是四倍的参考电压即+/-10V之间。为提高采样的精度，本电路采用输入信号为+/-10V之间，因此需要+/-10V~+/-16.5V之间电源供电。AD7656同时需要5V的AVCC和DVCC电源及3.3V的接口电压电源VDRIVE（也可以是5V，可根据需要进行调整）。因此，该电路共需要+/-10V~+/-16.5V，5V，3.3V三种电压。电源电路共采用三种电源芯片7805，REG1117-3.3V，和MAX865。外用直流变压器产生约15V的直流电源，接入7805经电容滤波调理，输出5V电压。AD7656的AVCC和DVCC可接受电源极限为7V。7805产生的电压作为施密特触发器的电源，故接入的频率信号经处理后为0到3.3V之间的方波信号。7805产生的电压接入REG1117-3.3V，REG1117-3.3V产生的电压直接接入AD7656的VDRIVE。MAX865是一种高效电荷泵，能够用一种直流电压输入，产生2倍的正负两种电压。输入电压的范围为1.5~6V之间，7856产生的5V电压接入MAX865产生+/-10V。

频率调整电路

交流电力参数的频率并不是固定不变的，电力系统的频率有一定的波动范围，特别对小功率供电系统，其供电电网的信号频率将随负载有较大范围内的波动［3］。频率波形调理电路如图4，A相电压信号经互感器转换成+/-7.07V左右的正弦电压信号V1。为了不影响输入信号V1的波形，先使用电压跟随器将V1引入调理电路。因电压跟随器的输入信号为+/-7.07V之间，故需要采用+/-10V为供电电源的运算放大器。D1对采入的信号进行整流，使输入信号只有正半波，负半波为0。D2为5.01V稳压管，限制输入到施密特触发器7414，如果需要接口电压为+5V，也可采用施密特触发器HCC40106BF。

锁相倍频电路

电网的频率在正常情况下是在一定范围内变化，采取硬件锁相倍频的方法能够实现每周期内采样的等间隔，提高采样的准确性，电路原理图如图5。锁相环HEF4046的6、7管脚必须外接振荡电容;11、12管脚必须外接振荡电阻。这是因为在锁相环HEF4046的内部采用RC型压控振荡器，必须外接电阻和电容作为充放电元件。其内部的VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使得VCO的振荡频率也正比于该控制电压。13脚接电容和电阻起滤波作用。R1和C1决定了VCO的频率范围［4］ ， 再结合CD4060电路一起实现锁相倍频的功能，频率的放大倍数可以接在CD4060的Q4~Q14不同管角上加以选择.VCO OUT 接入A/D转换CONVST口控制采样。

A/D转换电路

AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近（SAR）型ADC，它具有每通道达250kSPS的采样率，并且在片内包含一个2.5V内部基准电压源和基准缓冲器。AD7656的电源包括AVCC、DVCC、VDD、VSS和VDRIVE。AVCC和DVCC分别为模拟电源和数字电源，范围为4.75~5.25 V。VDD/VSS为采集到的模拟信号部分的供电电源，范围为+/-5V到+/-16.5V之间。AD7656允许的模拟输入信号有两种量程，一种是输入信号为+/-5V之间，另外一种为+/-10V之间。为提高采样的精度，采用输入信号范围为+/-10V之间的电路接法。因此VDD/VSS至少为+/-10V。RANGE口决定的模拟信号输入的范围，当RANGE接地时，输入范围为4倍的参考电压（2.5V），当RANGE接VDRIVE时，模拟输入范围为2倍的参考电压，因此RANGE信号端接地。参考电压采用的是内部参考电压。AD7656和DSP之间的通信采用并口方式。片选信号CS接地，始终保持接通。始终保持AD7656运行，STBY直接接VDRIVE。AD与DSP之间采用的是16位并口进行数据传输，所以SER/PAR，H/S，W/B均接地。为完成六路信号同步采样，故A/D转换通道控制开关CONVSTA，B，C连接到一起。所有的数字电源，模拟电源，接口驱动电压等电源，均通过两个电容（100nF//10mF）并联后与就近的地连接去耦［5］。

总结

该电路采样精度高，可根据电网频率变化，实时实现对每一周波的等间隔采样。通过同时控制A/D7656的CONVST转换开关，实现三相电压电流六路信号的同步采样，输出为16位数字信号。可根据不同的应用环境采用不同的接口电压，另外在DSP/MCU数字接口有限的情况下，A/D7656也可以采用SPI通讯，或仅用8位数字并口，传输16位的数字信号［4］。