準確的電力線監控已成為一項關鍵要求，不僅要集中在電網本身，還應放在電網邊緣。對于并網能量收集發電系統甚至終端設備，持續的電能質量特性分析有助于確保電網和附屬系統的健康。作為電源監控系統的核心，模數轉換器（ADC）在測量適合每種應用的精度水平的線電壓和電流方面發揮著關鍵作用。工程師可以滿足一系列要求 - 從公用事業級系統獲得收益所需的精度到用于檢測線路故障的基本功率監視器 - 使用高性能ADC和制造商的相關組件，包括ADI公司，Copal Electronics，Intersil，Linear Technology， Maxim Integrated，Microchip Technology，ON Semiconductor，Pulse Electronics和Texas Instruments。

在最基本的層面上，電力監控系統依靠使用電流互感器（CT）和電壓互感器（稱為PT，用于電壓互感器）輸出的瞬時電流和電壓進行測量，這些輸出由高速ADC轉換（圖1）。反過來，處理器使用瞬時電流和電壓測量來計算關鍵特性，包括有功功率，無功功率，視在功率和功率因數 - 甚至更復雜的計算，如諧波，這可能導致設備損壞。

圖1：典型的電源監控系統采用高速模數轉換器（ADC）提供高電流，對線電流和電壓進行采樣分辨率數據到主處理器以計算功率參數。 （德州儀器公司提供）

執行這些功率計算主要取決于精確測量的電壓和電流。北美的ANSI C12.20和IEC 62053等標準規定了0.2級的特定精度等級，要求精度為±0.2％。在實踐中，功率測量系統通常設計為超過標準精度規范 - 依靠高采樣率和高分辨率轉換器來捕獲高速瞬變并確保可靠地計算更復雜的特性，例如多次諧波。

同時，這些功率特性的測量需要對所有三相和中性點的電壓和電流進行嚴格同步的高分辨率測量。同步采樣可以非常精確地測量每條線路上的電壓和電流之間的相角。電壓和電流測量之間的不良同步會引入偽像，降低總體精度，并顯著損害更復雜的功率計算。

同步采樣

為降低高精度多通道測量的復雜性，設計人員可以選擇高度集成的器件，將高分辨率ADC與模擬前端（AFE）相結合，優化設計阻抗匹配，信號動態范圍，偏移和其他可能侵蝕數據轉換性能和準確性的因素。制造商通常圍繞逐次逼近寄存器（SAR）轉換器構建這些高性能同步采樣ADC。 SAR ADC具有高精度，沒有與delta-sigma ADC中使用的過采樣相關的周期延遲，從而實現高穩定性和轉換分辨率。

對于要求最苛刻的應用，半導體制造商為每個通道集成了復雜的AFE和專用SAR ADC。對于高精度功率監測，Maxim Integrated MAX11046和Texas Instruments ADS8568等八通道ADC允許同時采樣所有三相和中性點（圖2）。通過為每個通道提供專用的AFE和ADC，這些器件能夠實現非常高的數據速率 - MAX11046每通道250 ksps，ADS8568（并行輸出接口）510 ksps。

圖2：對于三相電源監控，同步采樣ADC為高精度功率計算所需的八個通道中的每一個提供單獨的AFE和ADC。 （由Maxim Integrated提供）

對于某些應用，設計人員可以簡單地將CT和PT的無緩沖輸出直接連接到ADC的輸入，包括Maxim Integrated MAX11046和TI ADS8568，如圖2所示。由于MAX11046提供高輸入輸入阻抗和自保護輸入鉗位，因此支持這種簡單配置。然而，為了實現最大吞吐量，ADC通常需要在傳感器和ADC之間使用運算放大器驅動器。實際上，Maxim Integrated和Texas Instruments的評估板都包含此類驅動器。 Maxim Integrated的MAXREFDES30評估板采用MAX441046，內置MAX44252運算放大器驅動器。在用于ADS8568的TI ADS8688EVM-PDK評估板上，德州儀器（TI）包括其OPA2209運算放大器驅動器。

不太嚴格的要求

對于精度要求不太嚴格的電源監控應用，設計人員可以轉向性能屬性較為適中的設備。僅需要檢測電力線故障的功率監視器中的較簡單要求可以利用較低分辨率的ADC。德州儀器（TI）LMP92064電流/電壓監測IC采用這種方法提供單線電源監控IC，幾乎不需要額外的元件（圖3）。該器件集成了一個精密電流檢測放大器，用于測量分流電阻和緩沖電壓通道上的負載電流，以測量負載的電壓。然而，獨立的125 ks，12位ADC同時采樣電流和電壓通道的能力支持精確的功率計算。

圖3：德州儀器（TI）LMP92064等功率監視器IC使用一對12位ADC來支持精度要求不高的應用的功率計算。 （德州儀器公司提供）

對于更簡單的監控要求，設計人員通常可以使用帶有外部多路復用器的單個ADC來監控每條線路上的電壓和電流。實際上，Intersil DG408，Maxim Integrated MAX4581和ON Semiconductor MC74HC4051A等8：1多路復用器可以支持需要更多基本功率監控的三相應用。

設計人員可以找到具有集成多路復用器的ADC，旨在支持廣泛的通道，數據吞吐量和轉換分辨率。對于三相電源監控，ADI公司AD7699，凌力爾特公司LTC2372和德州儀器ADS8688等器件集成了一個8通道多路復用器，ADC和每個通道的專用模擬前端。例如，TI ADS8688的每個輸入通道都包括過壓保護，可編程增益放大器（PGA），低通濾波器以及將共用多路復用器饋送到單個ADC的驅動器。

結論

確保電網電能質量要求對每相的電壓和電流進行高精度測量。對于并網能量收集系統和設備，功率監控同樣需要使用ADC為線路電壓和電流提供高分辨率同步采樣，為每個通道提供專用轉換器。雖然基本故障監控基于與高精度測量應用相同的原理，但設計人員可以使用低分辨率ADC或多路復用器件，以較低的吞吐率提供高分辨率多通道測量。設計人員可以找到現成的ADC，以滿足廣泛的通道支持，位分辨率和采樣率要求。