研究生专业课程考试答题册学号姓名考试课程考时日期西北工业大学研究生院1.答：微机继电保护装置的硬件一般包括以下三大部分：（1）数据采集系统 (或称模拟量输入系统)包括电压形成、模拟滤波、采样保持(S/H)、多路转换、模数转换等功能块。

（2）微型机主系统主要包括：微处理器(MPU)、存储器、定时器、并行接口和串行接口。

（3）开关量(或数字量)输入/输出系统主要组成：微型机的并行接口、光电隔离器、有触点的中间继电器。

2.答：分辨率一般用A/D 转换器输出的数字量位数来衡量。

VFC 等效的位数取决于两个因素：一是VFC 的最高频率VFC f ；二是采样间隔S T 和积分间隔S NT 的大小。

VFC 的最大输出数字量max D 与VFC 最大频率VFC f 之间的关系如下：max VFCVFC S sf D f NT Nf == 3.答：A/D 转换器可以认为是一个编码电路。

它将输入的模拟量sr U 相对于模拟参考量R U 经编码电路转换成数字量D 输出。

一个理想的A/D 转换器，其输出与输入的关系式为srRU D U =。

由于编码电路的位数总是有限的，而实际的模拟量公式sr U /R U 却可能为任意值，因而对连续的模拟量用有限长位数的二进制数表示时，不可避免的要舍去比最低位更小的数，从而引入一定的误差。

A/D 转换是对瞬时值进行变换，而VFC 变换是对输入信号的连续积分，因此，具有低滤波的效果，同时，可以大大抑制噪声。

且VFC 变换位数可调，只要调整积分间隔S NT 即可；与微型机接口简单；易于实现同时采样；但不适合高频信号的采集。

4.解：T=5/3ms , f=1/T=600Hz1()1 , ()1 , 2/jw jw s H z z H e e w f f π--=+=+=W=0时，即为直流分量时，0()1()2jw j H e H e =+=f=300Hz 时,2*300/600 ()10jw j w H e e πππ-===+=所以可以滤除300Hz 的信号分量，但不能滤除直流分量。

5. 解：（1）1()()(1)y n x n x n =-- 2121126826232221343()1()()(6)()(2)(6)(8)()1(1)(1)()()(1)(2)=()(1)(3)(4)(6)(7)(9)(10)()1H z z y n y n y n x n x n x n x n H z z z z z z y n y n y n y n x n x n x n x n x n x n x n x n H z z z z ---------=-=--=----+-=--+=--=+-+-+---------+-+-=+--6791013633334(1)(1)(1)()()(1)(2)(3)=()2(1)2(2)(3)(4)2(5)3(6) 3(7)2(8)(9)(10)2(11)2(12)(13)()(1z z z z z z z y n y n y n y n y n x n x n x n x n x n x n x n x n x n x n x n x n x n x n H z ---------++=+--=+-+-+-+-+-+-------------+-+-+-+-=122361322232631234)(1)(1)(1)()()()()()(1)(1)(1)(1)(1)z z z z H z H z H z H z H z z z z z z ---------++--==++---可画幅频特性如下：（2）135/321.67S KT ms τ==⨯= 113114d W k =+=+= 6. 解：1/600s s f T Hz ==32 1230,2, 232s s f f w w w f f ππππ===== 所以滤除直流分量的滤波器的传递函数为()111H z z -=-滤除100Hz 的信号分量的滤波器的传递函数为12122()12cos13H z z z z z π----=-∙+=-+滤除150Hz 的信号分量的滤波器的传递函数为1222()12cos12H z z z z π---=-∙+=+所以设计此数字滤波器的脉冲传递函数为1122123()()()()(1)(1)(1)H z H z H z H z z z z z ----==--++7. 解：（1）12/1/500.02T w s π====20ms 由以下采样图可得采样值：（2）根据以上取值，取第一点和第四值（相差/2π角度）的进行计算：则u1=21.1325V , u2=78.8675Vi1=0A , i2=7.0711A则222121122 t g /0.2679U U u u u u α=+== 222121122 tg /0I I i i i i α=+==得电压幅值 U=57.735V电流幅值 I=5A相位差为1110.2679015U I tg ααα-=-=-=︒ 有功功率为cos15278.84P UI W =︒= 无功功率为sin1574.71var Q UI =︒= 电阻阻值 1122221211.1535u i u i R i i +==Ω+电抗值 122122122.9886u i u i X i i +==Ω+ 8. 基于DSP 的微机继电保护装置的数据采集系统设计： 1.数据采集系统设计方案微机继电保护装置的数据采集系统是由二次互感器、滤波器、放大器、AD 转换器、计算机及外设等部分组成。

由于电力系统电压很高，如果直接把系统接入，肯定会烧毁芯片，所以在一次回路将高电压电流变换为低电压（100V 或100/√3V)、低电流（5A 或1A),再通过二次回路，即数据采集系统的互感器将二次变换输出的电压电流变换成系统芯片能够接受的范围。

为了抑制高频信号，信号经过二次互感器，需要对信号进行低通滤波。

为了使信号扰动、噪声减小，需要对信号隔离处理。

处理的信号经过A/D 转换后输出数字信号，经过电平转换输入计算机，进行数据处理。

系统基本组成框图如图1所示。

1.1 多通道模拟数据采集方法确定由于继电保护装置需要同步采集多路信号，对精度和数据处理要求高，而且体积不能过大，因此，本设计选用单A/D多通道数据采集系统。

单A/D多通道同步采集系统：每个通道都有自己单独的采样保持器，共用一个数模转换器。

多路信号可以在采样保持器内保持，再依次进行转换，只要转换的速度足够快，完全可以满足多路信号的同时采集。

如图2所示图2单A/D多通道同步采集系统1.2系统CPU的选取本数据采集系统应用在继电保护装置中实现数据的高精度采集和处理，综合开发成本和芯片供应情况综合考虑，选用TI公司TMS320F2812芯片作为主控CPU。

1.3 A/D转换器的选取由于模拟信号到数字信号是由A/D转换器实现的，所以A/D转换器的优劣对信号的转换起到决定性的作用。

对本系统而言，精度和转换速率是最主要的指标，本系统选用精度和转换速率都能满足要求的MAX125芯片作为系统采样芯片。

1.4 数据采集系统总体结构确定根据系统技术要求和上述分析，确定数据釆集系统总体结构如图3所示。

系统采用多通道同步采样，采集三相电压、三相电流信号。

通过信号处理电路，实现DSP对MAX125的控制。

图3数据采集系统总体结构2.数据采集系统硬件电路详细设计2.1 TMS320F2812系统TMS320F2812是TI公司推出的32位定点芯片，采用先进的哈佛总线结构，将程序存储器和数据存储器分开，程序存储器和数据存储器分别通过程序总线和数据总线进行数据的处理。

（1）TMS320F2812的供电电源及复位电路设计TMS320F2812 要求双电源（1.8V 和3.3V)为CPU、Flash、ROM、AD和I/O接口供电。

本设计选用TPS767D301芯片，输入电压为5V,芯片起振，正常工作之后，能够产生3.3V和1.8V两种电压供DSP使用。

TPS767D301芯片具有复位功能，无需再设计TMS320F2812专用的复位电路。

2.2 多通道同步采样电路设计（1）电压电流互感器选取本系统采用电磁式的互感器。

由于A/D只能接收电压信号，所以经过电流互感器的信号，通常使用并联电阻使电流变换为电压信号，再送入A/D进行采集，最后通过欧姆定律，还原电流值。

（2）低通滤波器电路由于简单的前置模拟滤波器很难达到很低的截止频率和理想的高频截断功能，为了避免混叠，滤波器的设计需要在满足采样定理的要求的同时，先通过低通滤波器滤除高频的信号，再通过提高采样信号频率，可以大大提高滤波的性能。

低通滤波器设计电路如图4所示。

图4 低通滤波器电路（3）隔离电路设计本系统采用射极跟随器不仅可以避免负载变化对LC电路的影响，而且由于其输入电阻高、输出电阻低，可以抑制噪声和高频信号。

隔离电路如图5所示。

图5 隔离电路2.3 A/D转换器与DSP接口设计（1）MAX 125芯片MAX125是2x4通道的具有高速转换性能的14位A/D转换芯片，内设可同时保持4路采样值的采样保持器(T/H),数模转换的单次转换时间仅为3us,内部有2.5V参考电源，可选择外接或使用内部参考电源。

MAX125具有正负5V的输入电压，可通过编程A0~A3地址线，实现指定通道上的转换。

当或通过TMS320F2812给予低电平时有效，当或由低电平转为高电平时，数据被锁存并等待转换。

写入控制字，指定转换通道后，当低电平时，编程的每个通道分别进行数模转换，每进行一次A/D转换，检查是否出现了中断信号。

如果中断信号出现低电平，则转换结束，否则继续进行转换，直到最后一个通道转换结束，系统自动给端一个低电平信号，以表明转换工作己经结束。

多路A/D转换的顺序是固定的，读取数据时也是顺序读取。

图6为MAX125的内部结构图。

图6 MAX125的内部结构图（2）电平转换电路MAX125的输出数据要经过电平转换后才能送到TMS320F2812的数据线上，如果直接将MAX125的输出直接送到TMS320F2812的数据输入引脚上，则有可能超过TMS320F2812的引脚的耐压值（3.3V)。

本系统采用一片74HC245作为5V-3V的双向电平转换。

MAX125的输出Dn接入74HC245的An端口，数据锁存后进行电平转换，再接入TMS320X2812数据总线。

74HC245的DIR端口和OE端口分别接TMS320X2812相应的RD引脚和XZCS0AND1引脚，只有当XZCS0AND1有效、RD有效同时满足时，才能进行电平转换。

图7为电平转换电路图。

图7 电平转换电路3. 系统精度分析A/D转换器的精度为：1/(2^14 -1) = 0.000061 系统的采集精度受所选传感器而定。