董新洲，馮 騰，王 飛

（清華大學(xué) 電機(jī)系，北京 100084）

0 引言

作為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域重要的新興研究方向之一，基于高頻暫態(tài)行波信息的故障檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)已得到了迅速的發(fā)展。以行波原理為理論基礎(chǔ)的保護(hù)、故障測(cè)距和故障選線裝置不斷被研制開(kāi)發(fā)，這使得行波類繼電保護(hù)裝置的性能測(cè)試技術(shù)成為了受到廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試手段包括：電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬、實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（RTDS）和傳統(tǒng)的微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試儀，它們由于所用模型或輸出頻率限制等原因無(wú)法真實(shí)再現(xiàn)故障行波信號(hào)，因此并不適用于基于暫態(tài)行波故障信息的繼電保護(hù)裝置的性能測(cè)試［1］。暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀［1-2］應(yīng)用多路高精度高速數(shù)模轉(zhuǎn)換和寬頻率功率放大技術(shù)，有效地解決了上述問(wèn)題，為行波類繼電保護(hù)裝置的研制、開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)、檢測(cè)以及工程應(yīng)用提供了有利的技術(shù)支持，并成功應(yīng)用于輸電線路行波故障測(cè)距裝置［3-4］、配電線路單相接地行波保護(hù)裝置［5］、配電線路單相接地行波選線裝置［6-7］、輸電線路行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)裝置［1］等的測(cè)試中。

暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀包括暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器、行波大電流功率放大器和行波高電壓功率放大器3個(gè)部分。暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器可將故障數(shù)據(jù)（電力系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)錄波數(shù)據(jù)或電力系統(tǒng)仿真軟件所計(jì)算生成的仿真數(shù)據(jù)）不失真地轉(zhuǎn)換成模擬電壓小信號(hào)，并輸出至電壓、電流功率放大器，起到了“故障行波信號(hào)源”的作用。

作為暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀的重要組成部分，暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的概念最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代［2］，后經(jīng)不斷改進(jìn)，逐步形成了現(xiàn)在的多路同步輸出的高頻高精度任意波形信號(hào)發(fā)生器。本文對(duì)文獻(xiàn)［1］中暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀的暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器部分的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行討論與研究。針對(duì)故障數(shù)據(jù)的處理方法、高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方案以及多路模擬輸出的同步性等問(wèn)題進(jìn)行了深入分析。最后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀的暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器工作的可靠性和有效性。

1 暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的技術(shù)要求與工作原理

1.1 暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的技術(shù)要求

為了使暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀能夠真實(shí)地再現(xiàn)暫態(tài)行波故障信息的特征，測(cè)試儀輸出的最高頻率應(yīng)達(dá)到100 kHz以上［1］。因此，暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)的數(shù)字量輸入時(shí)間間隔應(yīng)遠(yuǎn)小于5 μs，在此段時(shí)間內(nèi)應(yīng)保證多路數(shù)模轉(zhuǎn)換全部完成，本文中選擇1.5 μs的時(shí)間間隔。

暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀的輸出信號(hào)幅值應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。若能保證暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的幅值分辨率（能夠?qū)崿F(xiàn)的最小幅值變化量）小于0.1 mV，則使用放大倍數(shù)為10的電壓功率放大和電流功率放大時(shí)（即1 V放大為10 V或10 A），暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀最終輸出的電壓可實(shí)現(xiàn)分辨率達(dá)1 mV的連續(xù)可調(diào)，電流可實(shí)現(xiàn)分辨率達(dá)到1 mA的連續(xù)可調(diào)，滿足測(cè)試需要。

同時(shí)，暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀需實(shí)現(xiàn)多路電壓、電流信號(hào)的同步輸出。測(cè)試中，常使用電力系統(tǒng)中的三相電壓、三相電流、零序電壓以及零序電流信號(hào)，這就要求暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)同步輸出。

此外，為方便測(cè)試，暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器還應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障發(fā)生前的系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間和故障后穩(wěn)態(tài)時(shí)間的自由控制。

1.2 暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的工作原理

暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器部分由嵌入式計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和開(kāi)關(guān)量檢測(cè)回路3個(gè)模塊組成，其工作原理如圖1所示，具體說(shuō)明如下。

圖1 暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of transient signal generator

a.嵌入式計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行專用的上位機(jī)軟件，將利用電磁暫態(tài)程序（EMTP）計(jì)算出的電力系統(tǒng)暫態(tài)故障仿真數(shù)據(jù)或者故障錄波裝置記錄的故障錄波數(shù)據(jù)經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，并接收開(kāi)關(guān)量檢測(cè)回路反饋的被測(cè)裝置動(dòng)作情況，進(jìn)行分析后形成測(cè)試報(bào)告。

b.數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊由數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）及其外圍電路、高精度高速數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和前置功率放大部分組成。DSP接收到上位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)信息和開(kāi)始試驗(yàn)的命令后，將電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)邏輯器件控制實(shí)現(xiàn)多路同步，并通過(guò)前置功率放大后生成故障模擬電壓小信號(hào)輸出至功率放大系統(tǒng)。

c.開(kāi)關(guān)量檢測(cè)回路可記錄被測(cè)試裝置的動(dòng)作信息，并反饋至上位機(jī)。

1.3 暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)

綜合上述分析，在暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的研發(fā)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮如下關(guān)鍵技術(shù)：

a.通過(guò)合理的故障數(shù)據(jù)分割和循環(huán)輸出實(shí)現(xiàn)自由控制故障發(fā)生前系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間和故障后的穩(wěn)態(tài)時(shí)間；

b.通過(guò)選取合適的數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其外部運(yùn)放實(shí)現(xiàn)高速高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換，保證在1.5 μs的時(shí)間間隔內(nèi)完成多路數(shù)模轉(zhuǎn)換，并滿足輸出幅值分辨率小于0.1 mV；

c.通過(guò)多路開(kāi)關(guān)和采樣保持的時(shí)序配合實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)同步輸出。

2 故障數(shù)據(jù)處理

故障數(shù)據(jù)通常來(lái)自電力系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)錄波數(shù)據(jù)或是電力系統(tǒng)仿真軟件所計(jì)算生成的仿真數(shù)據(jù)。其長(zhǎng)度往往較短，常為幾十到幾百毫秒。若想自由控制故障發(fā)生前系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間和故障后的穩(wěn)態(tài)時(shí)間，需要對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。通常將故障數(shù)據(jù)分割為如下幾個(gè)部分。

a.故障前系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。該段數(shù)據(jù)只需截取1個(gè)周期即可，由于該部分為正弦信號(hào)，變化較為平緩，因此，其輸出頻率可適當(dāng)降低，以節(jié)省存儲(chǔ)空間?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整該段重復(fù)播放的次數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障發(fā)生前系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)度的控制。

b.從故障發(fā)生時(shí)刻開(kāi)始至行波信號(hào)發(fā)生若干次折反射后的數(shù)據(jù)。一般情況下該段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度約為幾毫秒。該段數(shù)據(jù)中包含豐富的故障信息，各類基于行波原理的故障檢測(cè)裝置均采集該段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因此，應(yīng)保證該段數(shù)據(jù)的輸出頻率盡可能高，取為暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的最高輸出頻率。

c.此后的暫態(tài)行波過(guò)程涉及較多次折反射波的疊加，故障檢測(cè)裝置不易使用該部分波形，因此可略微降低其輸出頻率。該部分波形應(yīng)一直持續(xù)到某個(gè)會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生突變的事件發(fā)生，如保護(hù)裝置動(dòng)作、故障發(fā)展、故障轉(zhuǎn)移等。

d.每當(dāng)會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生突變的事件發(fā)生時(shí)，均應(yīng)重復(fù)步驟b、c，以保證暫態(tài)行波初始過(guò)程的精確。

e.當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入故障后的穩(wěn)態(tài)時(shí)，每個(gè)周期的波形基本不變，該段數(shù)據(jù)只需截取1個(gè)周期即可，由于該部分近似為正弦信號(hào)，變化較為平緩，因此，其輸出頻率可適當(dāng)降低，以節(jié)省存儲(chǔ)空間。可通過(guò)調(diào)整該段數(shù)據(jù)重復(fù)播放的次數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障后穩(wěn)態(tài)時(shí)間長(zhǎng)度的控制。

針對(duì)每組仿真數(shù)據(jù)，在已知每次突變事件發(fā)生時(shí)刻（如按照時(shí)間先后順序依次設(shè)為 t1、t2、…、tn）后，可將數(shù)據(jù)分為 2n+2個(gè)部分，記作 case0、case1、…、case2n+1。對(duì)于每個(gè)case，應(yīng)考慮數(shù)據(jù)范圍、輸出頻率和循環(huán)輸出次數(shù)3個(gè)因素，如表1所示。

表1 各部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)范圍、輸出頻率和循環(huán)輸出次數(shù)Table 1 Data range，output frequency and cycle output times of different parts of data

圖2為輸電線路發(fā)生故障后母線處的A相電流波形。100 ms時(shí)，線路發(fā)生A相金屬性接地故障，130 ms時(shí)發(fā)展為三相短路故障。

圖2 故障后的A相電流波形Fig.2 Waveform of phase-A current after fault

按照前文分析，共有2次會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生突變的事件發(fā)生，因此應(yīng)將數(shù)據(jù)分成6個(gè)部分。第1次突變事件發(fā)生時(shí)刻t1為100 ms，case0的數(shù)據(jù)范圍為t1前20 ms至t1，即80ms至100ms。 case1的數(shù)據(jù)范圍為t1至t1后若干毫秒，此處取3 ms，即100 ms至103 ms。case2的數(shù)據(jù)范圍為case1結(jié)束至第2次突變事件發(fā)生時(shí)刻t2，即103 ms至130 ms。case3的數(shù)據(jù)范圍為t2至t2后若干毫秒，即130 ms至133 ms。case4的數(shù)據(jù)范圍為case3結(jié)束至進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，case5的數(shù)據(jù)范圍為進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的一個(gè)周期。分割后的各case波形如圖3所示。

圖3 各部分?jǐn)?shù)據(jù)的波形Fig.3 Waveform of different parts of data

從上述分析可知，實(shí)現(xiàn)合理的故障數(shù)據(jù)分割的前提是準(zhǔn)確地獲知各次系統(tǒng)突變事件的發(fā)生時(shí)刻。當(dāng)故障數(shù)據(jù)為電磁暫態(tài)仿真軟件獲得的仿真數(shù)據(jù)時(shí)，由于各次系統(tǒng)突變事件時(shí)刻是仿真設(shè)定的，可以直接得到，并不存在困難。而當(dāng)故障數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)的故障錄波數(shù)據(jù)時(shí)，則需要對(duì)數(shù)據(jù)波形進(jìn)行分析，人工確定各次系統(tǒng)突變事件的發(fā)生時(shí)刻，進(jìn)而對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。

此外，當(dāng)選擇現(xiàn)場(chǎng)的故障錄波數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源時(shí)，應(yīng)選用高精度的故障錄波器，其采樣頻率應(yīng)足夠高。若錄波器采樣頻率過(guò)低，則無(wú)法真實(shí)記錄故障行波信息，無(wú)法測(cè)試基于行波原理的繼電保護(hù)裝置。

3 高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

數(shù)模轉(zhuǎn)換指的是從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器。暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器部分的核心是高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要由基準(zhǔn)電源、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、寄存器、模擬開(kāi)關(guān)和求和電路組成。其工作原理如下：基準(zhǔn)電源作用在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與各位數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量，寄存器中所存儲(chǔ)的數(shù)字量的各位數(shù)碼分別控制對(duì)應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)接通位權(quán)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的各模擬量，求和電路對(duì)各模擬量進(jìn)行求和，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度

為實(shí)現(xiàn)高速高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換，需對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度［8-9］進(jìn)行著重分析。

在數(shù)模轉(zhuǎn)換中通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述轉(zhuǎn)換精度。較高的分辨率是高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換的必要條件。在無(wú)其他數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差的理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換精度就是分辨率的大小。分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出，也可用數(shù)模轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最小電壓與最大輸出電壓之比給出分辨率。N位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率為 1／（2N-1）。

若希望暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的幅值分辨率小于0.1 mV，則當(dāng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓為5 V時(shí)，其位數(shù)應(yīng)滿足：

由式（1）可解得N≥15.6，即應(yīng)至少選用16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

由于數(shù)模轉(zhuǎn)換的各個(gè)環(huán)節(jié)在參數(shù)和性能上與理論值之間不可避免地存在著差異，因此各類轉(zhuǎn)換誤差也會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差表示實(shí)際的數(shù)模轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，主要包括比例系數(shù)誤差、平移誤差和非線性誤差等。

比例系數(shù)誤差和輸入數(shù)字量的大小成正比，多由參考電源偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起。平移誤差使轉(zhuǎn)換特性曲線發(fā)生平移，為一常數(shù)，與輸入數(shù)字量的數(shù)值無(wú)關(guān)，可由所用運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起。非線性誤差既非常數(shù)也不與輸入數(shù)字量成正比，可由電路中模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻以及導(dǎo)通壓降、所使用的電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值的不精確、所用三極管之間特性的不一致等多方面原因引起。

此外，當(dāng)輸入的數(shù)碼發(fā)生突變時(shí)，可能有多個(gè)模擬開(kāi)關(guān)需要改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)，由于它們的動(dòng)作速度不同，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。

數(shù)模轉(zhuǎn)換速度取決于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間。所謂建立時(shí)間，是指從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開(kāi)始，直到輸出電壓值進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差±0.5LSB（最低有效位）范圍以內(nèi)的時(shí)間。如所用數(shù)模轉(zhuǎn)換器中未集成運(yùn)放，還應(yīng)考慮外部運(yùn)放的建立時(shí)間。

當(dāng)暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器選用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和32位DSP時(shí)，只能同時(shí)實(shí)現(xiàn)2路數(shù)模轉(zhuǎn)換。若需實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的同步輸出，可對(duì)DSP數(shù)據(jù)線進(jìn)行復(fù)用，1.5 μs內(nèi)先后完成4路數(shù)模轉(zhuǎn)換。因此，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和外部運(yùn)放的建立時(shí)間應(yīng)小于375 ns。

3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器類型的選擇

根據(jù)權(quán)重信號(hào)的不同，數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以分為電壓式、電荷式和電流式，其中電流式可進(jìn)一步分為電阻網(wǎng)絡(luò)型和電流舵型［10-11］。

電壓式開(kāi)關(guān)樹(shù)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器由電阻分壓器和接成樹(shù)狀的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成，由于所用開(kāi)關(guān)數(shù)量隨數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此不適用于高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器。電荷式權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器利用電容分壓原理工作，在輸入數(shù)字量位數(shù)較多時(shí)各個(gè)電容的電容量相差很大，影響集成度，且電容充、放電時(shí)間的增加也降低了轉(zhuǎn)換速度。電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器利用電阻網(wǎng)絡(luò)將電壓轉(zhuǎn)換為電流，其中的模擬開(kāi)關(guān)有一定的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，且每個(gè)開(kāi)關(guān)的情況又不完全相同，影響轉(zhuǎn)換精度。

電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用恒流源，不再受開(kāi)關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響，沒(méi)有大電容需要充電，速度較快，且便于集成，可在規(guī)?？煽氐臈l件下達(dá)到較高的精度和速度。按照譯碼方式的不同，電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器可分為二進(jìn)制碼型、熱偶碼型和分段譯碼型3種。

二進(jìn)制碼型可利用R-2R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，其輸入可直接控制電流開(kāi)關(guān)，無(wú)需額外的譯碼電路，整個(gè)轉(zhuǎn)換電路的版圖面積很小。但是，R-2R網(wǎng)絡(luò)存在著由于電阻匹配度不夠精確所產(chǎn)生的誤差，特別是當(dāng)輸入數(shù)據(jù)位數(shù)很大時(shí)，轉(zhuǎn)換誤差更大。熱偶碼型首先將輸入二進(jìn)制數(shù)碼譯成熱偶碼，由熱偶碼控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)完全相同的電流開(kāi)關(guān)，得到轉(zhuǎn)換后的輸出電流。輸出電流隨輸入數(shù)碼單調(diào)變化，有效避免了二進(jìn)制碼結(jié)構(gòu)中的毛刺問(wèn)題，具有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換誤差小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)位數(shù)很大時(shí)，可大幅減小數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差，提高轉(zhuǎn)換器的性能。但是，譯碼電路增加了路徑延時(shí)，降低了數(shù)模轉(zhuǎn)換速度，另外隨著電流支路數(shù)的增多，芯片面積也極大地增加了。分段譯碼型將以上2種譯碼方式進(jìn)行折中，其基本思想是將輸入數(shù)碼分成低位和高位分別進(jìn)行譯碼。高位數(shù)碼采用熱偶碼，即控制電流大小相等的電流支路；低位數(shù)碼采用二進(jìn)制直接譯碼的方式，即控制電流大小倍增的電流支路。這樣的譯碼方式使得轉(zhuǎn)換精度和芯片面積都有很好的折中，既解決了全熱偶碼型芯片面積大的問(wèn)題，又改善了二進(jìn)制碼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換誤差大的問(wèn)題，適用于暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器。

3.3 所選數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其外部運(yùn)放性能分析

暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器所選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為一款16位的高速電流舵型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時(shí)具備良好的交流和直流性能，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其外部運(yùn)放工作原理示意圖Fig.4 Principle diagram of DA converter and its external operational amplifier

該芯片內(nèi)部集成有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源，其利用一個(gè)與溫度成正比的電壓和一個(gè)與溫度成反比的電壓之和，二者溫度系數(shù)相互抵消，實(shí)現(xiàn)與溫度無(wú)關(guān)的電壓基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例系數(shù)誤差的控制。該電壓源可通過(guò)內(nèi)部控制放大器和外部電阻的配合產(chǎn)生芯片所需電流源。芯片內(nèi)的邊沿觸發(fā)式輸入鎖存器可有效消除由于輸入各位數(shù)字量不同步導(dǎo)致的輸出信號(hào)毛刺。芯片采用分段電流源架構(gòu)，高位數(shù)字量通過(guò)譯碼器生成熱偶碼，低位數(shù)字量使用R-2R網(wǎng)絡(luò)生成電流源陣列，所用激光微調(diào)薄膜電阻具備較高的精度，可有效減小非線性誤差。芯片專有的開(kāi)關(guān)技術(shù)，可抑制動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。

作為一款電流輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其電流輸出送至外部運(yùn)放的求和點(diǎn)，從而提供緩沖電壓輸出。所選用的運(yùn)放可以較好地抑制零點(diǎn)漂移，從而減小平移誤差。

此外，所用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的建立時(shí)間為25 ns，外部運(yùn)放的建立時(shí)間為16 ns，滿足暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器要求。

4 多路模擬信號(hào)輸出的同步

暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器應(yīng)滿足多路模擬信號(hào)同步輸出的要求。當(dāng)其選用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和32位DSP時(shí)，只能同時(shí)實(shí)現(xiàn)2路數(shù)模轉(zhuǎn)換。對(duì)于8路同步模擬信號(hào)，應(yīng)在4路數(shù)模轉(zhuǎn)換依次完成后同時(shí)輸出，若4路均由同一數(shù)模轉(zhuǎn)換器完成，則需要2級(jí)采樣保持電路配合實(shí)現(xiàn)。下面以8路模擬信號(hào)同步輸出為例，分析暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器多路模擬信號(hào)同步輸出的實(shí)現(xiàn)方案。

8路模擬信號(hào)同步輸出的實(shí)現(xiàn)方案如圖5所示。在數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片后連接一個(gè)多路開(kāi)關(guān)，將不同路的數(shù)字量在同一片數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到的模擬量通過(guò)多路開(kāi)關(guān)輸出至多個(gè)第一級(jí)采樣保持芯片。多路開(kāi)關(guān)聯(lián)通哪個(gè)采樣保持芯片，該采樣保持芯片就置于采樣狀態(tài)；多路開(kāi)關(guān)聯(lián)通其他采樣保持芯片時(shí)，該采樣保持芯片就置于保持狀態(tài)。在第一級(jí)多路采樣保持芯片均得到模擬信號(hào)后，第二級(jí)采樣保持芯片置于采樣狀態(tài)隨后保持，以保證多路同步輸出。

圖5 多路同步輸出的實(shí)現(xiàn)方案Fig.5 Implementation scheme of multi-channel synchronous outputs

由于采樣了多路開(kāi)關(guān)和2級(jí)采樣保持，其時(shí)序配合十分關(guān)鍵，多路同步輸出的時(shí)序配合如圖6所示。其中，CLK0—CLK3為數(shù)字量控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)4路信號(hào)的數(shù)字量輸入，當(dāng)某一CLK為“1”時(shí)，則DSP數(shù)據(jù)線輸出對(duì)應(yīng)路的16位數(shù)字信號(hào)至數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在此期間，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)給出一上升沿，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。隨后，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)和兩級(jí)采樣保持的配合實(shí)現(xiàn)多路同步輸出。

圖6 多路同步輸出的時(shí)序配合Fig.6 Sequential coordination of multi-channel synchronous outputs

5 暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀的暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器測(cè)試結(jié)果

5.1 暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀的暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器正弦波測(cè)試

利用仿真軟件生成不同頻率、不同幅值的正弦波測(cè)試信號(hào)，使用示波器對(duì)暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的輸出波形進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

上述結(jié)果均為5次測(cè)量值的平均值。當(dāng)輸出頻率大于10 kHz的正弦波時(shí)，由于輸入數(shù)字量的點(diǎn)數(shù)過(guò)少，輸出波形會(huì)出現(xiàn)較大跳變，不宜進(jìn)行測(cè)試。從表2所示結(jié)果可以看出，測(cè)試儀暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的輸出效果十分理想。

表2 暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的正弦波測(cè)試結(jié)果Table 2 Testing results of sine wave output of transient signal generator

5.2 暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀的暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器方波測(cè)試

利用仿真軟件生成不同頻率、不同幅值的方波測(cè)試信號(hào)，使用示波器對(duì)暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的輸出波形進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的方波測(cè)試結(jié)果Table 3 Testing results of square wave output of transient signal generator

表3所示結(jié)果均為5次測(cè)量值的平均值，從表中可以看出，測(cè)試儀暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器的輸出效果十分理想。

5.3 暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀的暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器故障波形測(cè)試

圖7為仿真數(shù)字信號(hào)與暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的對(duì)比圖。從圖中可以看出，暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀的暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)與仿真數(shù)字信號(hào)除有很小的毛刺外，并無(wú)實(shí)質(zhì)性差異，驗(yàn)證了暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性和有效性。

圖7 仿真數(shù)字信號(hào)與暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的對(duì)比Fig.7 Comparison between simulative digital signal and output signal of transient signal generator

6 結(jié)語(yǔ)

暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀能夠滿足測(cè)試基于暫態(tài)行波故障信息的各類新型電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的需要，其暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器部分可對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出多路同步的小電壓模擬信號(hào)。為自由控制故障測(cè)試波形，本文提出了合理有效的故障數(shù)據(jù)分割方法。通過(guò)對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換的詳細(xì)分析，選出了符合暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀要求的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片及其外部運(yùn)放。為實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的同步輸出，本文設(shè)計(jì)了多路開(kāi)關(guān)和2級(jí)采樣保持電路相互配合的實(shí)現(xiàn)方案。最后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀暫態(tài)信號(hào)發(fā)生器工作的可靠性和有效性。

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