1.4 多通道同步数据采集模块的设计
最多20通道的放电信号经过等长的5m电缆并行送人多通道同步高速数据采集板,在采集板内实现同步模/数转换。采集板由并行的20个通道构成,每个通道包括输入程控放大器、抗混叠滤波器、模/数转换器(A/D)和存储器(SRAM)。程控放大器的放大倍数可由软件设置为1、2、4和8倍;抗混叠滤波器为四阶巴特沃斯型低通滤波器,其截止频率设定在7.5MHz;模/数转换芯片采用AD公司的12bit、最高转换速率为25MS/s的AD9225;存储芯片为高速SRAM,存储容量为4M×16,即在采样率为20MHz时最多可以实现20ms的连续采样。
如图4所示,用一片CPLD(复杂可编程逻辑控制器件)来同时控制20个通道的A/D)和存储器,即实现A/D到SRAM之间的直接数据存储(DMA模式)。AD9225的控制极为简单,只需用CPLD向其输入采样时钟,并使能数据输出;CPLD同时产生SRAM的地址和写信号,采样数据即从AD9225存人SRAM。
实际应用中除使用定时方式采集电缆放电信号外,为减小数据量,可能会采用信号触发的方式,即20个通道中有一路模拟信号的幅值超过设定阀值便自动开始采样,直到设定的采样长度信号触发的基本原理是将20路信号分别与阀值比较的结果相“或”,然后用作采样的触发。
数据采集板的另一个功能是预采样,即将信号触发前一段时间的波形也记录下来,这样可得到放电信号的完整波形,便于对数据进行分析研究。在预采样模式下,A/D一直以设定的采样率运行,在CPLD控制下,数据循环存入SRAM,即SRAM被A/D采样数据循环写入,直到有一个触发条件出现。当触发条件出现后,CPLD控制A/D继续采样“采样长度—预采样长度”个样点,CPLD记忆触发时刻输出给SRAM的地址值,通过读出此地址值,向前预采样长度个样点即为本次采样数据的起始位置。
要保证20个通道数据采集的完全同步,除了使用同一个CPLD逻辑来控制所有20路A/D同时工作外,还需要使用同样材料的输人信号线且线长相同,要求精确调整放大器和滤波器的参数以达到几乎相同的信号延迟,重要的是所有传感器要有很好的一致性。为防止通道之间的信号串扰,设计中主要采取印制电路板物理隔离、大面积接地屏蔽和使用屏蔽电缆作为输入信号线等。
2 采集系统测试
通过对系统输入确知信号(如正弦波信号),以及对采集信号的时域和频域分析,可以评估数据采集系统的性能,如系统增益、通频带和信噪比等。对本系统的测试包含了前端的放电检测传感器,测试时将信号源接1kΩ电阻,从放电检测传感器的线圈中穿过。图5和图6分别为信号源频率为4MHz时其中一个信号采集通道所测得的时域波形及其频域变换波形。
3 结语
根据上海地铁牵引变电站直流1500V馈出电缆的特点和安装方式等,设计了用于检测火花放电信号的高频传感器、放大器、滤波器和多通道同步数据采集板,实现了对多达20根运行电缆的在线监测,已于2005年在上海轨道交通1号线付之实施。本文所实现的同步信号检测系统具有较高的灵敏度和多通道同步性能,可以应用于其它需要进行多通道甚至多通道同步信号提取的场合。
参考文献
[1] 严蟑.电气绝缘在线检测技术[M].北京:水利电力出版社,2002.
[2] 杨莉.高压直流设备中局部放电的识别[J].高压电器,1998,34(3):48.
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