基于 TRAE 的三相电参采样驱动模块设计（二）校准机制原理
在三相电气量采集模块的工程实践中，由于传感器、运放调理以及ADC等电路模块都存在着固有误差，若直接采用原始数据进行运算，由此计算的测量量误差就会很大。因此为了保证测量精度，一般都会对测量量进行三个维度的校准，即零偏、比例、相位校准。
在实际的工程应用中，零偏和比例校准也同时用来将采样数字量转换成实际物理量。
2.1 零偏校准
对于双极性的ADC模块，零偏校准用以修正因ADC模块、前端调理等电路失调造成的零点偏移。而对于单极性的ADC模块，零偏校准更为重要，主要用以消除叠加在交流信号上的固有直流分量。
如果零点不准，原本对称的正弦波上就会带上一个固定的直流偏置。这个直流偏置将会直接导致有效值等计算的错误。
以单极性ADC模块为例，下图可将交流信号提升到一个固定的直流偏置Vref上：
零偏校准的目的就是消除直流偏置电压Vref。
零偏的工程校准方法非常简单，只是需要在设备无输入信号时，采集多组原始采样值，并取平均即可作为零偏补偿量。后续所有采样数据只需要在参与运算前统一减去该补偿量即可。
这里需要特别说明两点：
- 零偏采用的是平均值，而不是有效值。在无输入信号的情况下，会出现零偏为0，而有效值非零的情况。这通常源于干扰造成的采样值快速随机波动。
由于平均值能够抵消正负交替的随机扰动，而有效值均方根的计算方式并不具备此特性。如上图示例，同一组采样数据的平均值为0.03，有效值为0.28。
随机扰动会显著影响有效值测量的线性度，尤其是在信号较小时，噪声扰动将会带来更大的相对误差。因此，要想拓展有效值测量的线性范围，降低采样链路的扰动水平是主要手段之一。 - 零偏校准的替代方法：通常来说，零偏校准时需要将采样相的输入信号归零。然而，有时无法满足该条件，如采样相同时作为供电相，当需要校准本相电压零偏时，则可取整周期采样值的平均值作为零偏补偿量。
2.2 比例校准
经过了零偏校准，采样数据的基线已归零，然由于传感器变比的误差、阻容的精度误差，采样值与真实物理量仍会存在固定的比例偏差。
比例校准的工程实现方法也比较简单，只是需要向通道输入额定标准信号，基于原始采样值计算有效值，将标准物理真值
与采样有效值相除即得比例校准系数（K）。即：
在设备的实际应用中，可先由原始采样值计算出采样有效值后，再乘以预先标定的比例校准系数，即可换算得真实物理量的有效值。
该单点比例校准方案等效于在采样数值、真实物理量之间构建一条连接0点与额定工作点的线性拟合直线。
对于精度要求一般，或是线性特性设计优良的场景，单点校准方式即可满足使用需求。若系统对全量程测量精度要求较高，单点线性假设带来的误差将不可忽视，此时可采用多点分段比例校准方案，改善全测量区间内的测量精度。
需要说明的是，提升采样测量精度的根本手段是优化硬件电路以改善通道固有线性特性，多点分段校准仅作为误差补偿的辅助改良措施，无法从根源消除硬件非线性缺陷。一般来说，标定点的数量不建议超过3点（不含零点）。
2.3 相位校准
在功率计算的过程中，一般是要求电压、电流信号进行同步采样的。因此在高精度应用场景，多采用多路独立AD实现电压、电流的同步采样。但即便是实现了硬件同步采样，收到前端调理电路中运放的响应延时、RC滤波电路中阻容误差等因素的影响，电压与电流通道仍会产生不一样的相位延迟，致使采样所得的相位差与电气量真实的相位差存在偏差。
当然，如果是采用单AD分时序列采样，相位不一致的问题会更加严重。
有功、无功功率的计算高度依赖电压与电流之间的相位关系，尤其是无功功率计算误差对相位偏差更加敏感。相位校准通过输入具备标准相位关系的参考信号，拟合通道固有相位偏移角度，生成相位补偿参数。在算法运算过程中对电压、电流采样相位进行动态修正，还原二者真实相位差，保障功率、功率因数等关键参数的计算精度。
相比于零偏校准、比例校准，相位校准的工程实现方法还是比较复杂的，下面将从校准系数的生成、相位校准两个方面对相位校准进行说明。
首先说明标准相位点以30°为例，此时的功率因数为0.866。
1、 校准系数的生成
如下图，下标s代表采样值、下标r代表标准值。即Us、Is、Ps、Qs分别为电压、电流、有功、无功的采样值，而As则是根据Ps、Qs计算的相角差。Ur、Ir、Pr、Qr、Ar遵循相同的命名规则，代表对应的标准参考值。
根据三角恒等变换：
工程中采用cos(As-Ar)、sin(As-Ar)共同表征相位偏差（As-Ar），这里不直接使用相位差（As-Ar）的主要原因是为了在相位补偿时，可直接使用预存的正弦、余弦系数，从而减少调用三角函数，降低算力消耗。
2、相位校准过程则可认为是校准系数生成过程的镜像
此外，需要说明一点，标准相位点的选择也略有讲究，对于不同的应用场景，选择的标准相位点也不同，一般会采用装置的常用工作点或检测机构的检测点。针对无功补偿类的设备，其工作的主要目的是将无功补偿为0，因此其标准相位点一般选择为相位差=0，即电压、电流同相位。