【導(dǎo)讀】AD7616是一款雙通道、同步采樣、16通道、16位逐次逼近寄存器(SAR)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。AD7616非常適合能源分配市場(chǎng)中的保護(hù)和測(cè)量應(yīng)用。AD7616具備一系列針對(duì)保護(hù)和測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)的特性，例如低漂移的集成式可編程增益放大器(PGA)、1 MΩ輸入阻抗、高度靈活的可編程序列器和最高128倍過(guò)采樣功能。本應(yīng)用筆記詳細(xì)說(shuō)明如何配置AD7616眾多工作模式中的一種以實(shí)現(xiàn)100 dB以上的高動(dòng)態(tài)范圍。本應(yīng)用筆記旨在用作快速入門(mén)參考，以便用戶將AD7616集成到應(yīng)用當(dāng)中。
動(dòng)態(tài)范圍要求
根據(jù)具體應(yīng)用，目標(biāo)輸入信號(hào)幅度可能很不相同。例如，相對(duì)于故障狀況，繼電器保護(hù)應(yīng)用的信號(hào)量程一般很小，但用戶可能希望同時(shí)測(cè)量標(biāo)稱(chēng)狀況和故障狀況。這種測(cè)量需要一個(gè)具有大動(dòng)態(tài)范圍的ADC來(lái)將這些較小輸入信號(hào)解析到所需的精度。此類(lèi)應(yīng)用所需的動(dòng)態(tài)范圍可通過(guò)下式計(jì)算：
其中：
DR為動(dòng)態(tài)范圍。
SignalMAX為ADC可以分辨的最大信號(hào)。
SignalMIN為ADC可以分辨的最小信號(hào)。
根據(jù)應(yīng)用的精度要求，用戶可能希望精度高于16位。此要求可利用AD7616并通過(guò)下述方法實(shí)現(xiàn)：
1. 對(duì)模擬輸入進(jìn)行過(guò)采樣以實(shí)現(xiàn)高達(dá)96 dB的信噪比(SNR)。
2. 對(duì)信號(hào)進(jìn)行雙增益采樣以提高有效動(dòng)態(tài)范圍。
使用AD7616的±10 V輸入范圍，在無(wú)任何過(guò)采樣的情況下，用戶通常可實(shí)現(xiàn)90.5 dB SNR。使用64倍過(guò)采樣比(OSR)時(shí)，此SNR提高到96 dB最大值。類(lèi)似地，對(duì)于±2.5 V范圍，無(wú)過(guò)采樣時(shí)可實(shí)現(xiàn)87 dB SNR，OSR為64時(shí)可實(shí)現(xiàn)93.9 dB SNR。
表1. 過(guò)采樣所實(shí)現(xiàn)的SNR
考慮一個(gè)來(lái)自傳感器的輸入信號(hào)，其相對(duì)于輸入范圍一般非常小，但可能超量程（例如啟動(dòng)期間或故障狀況下），如圖1所示。
圖1. 超量程信號(hào)
將兩個(gè)AD7616通道合并以對(duì)同一輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，便可實(shí)現(xiàn)較大動(dòng)態(tài)范圍。AD7616每個(gè)通道有一個(gè)PGA，經(jīng)過(guò)配置可接受±2.5 V、±5 V或±10 V的輸入信號(hào)。在對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)使用不同的增益，是提高動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵。圖2顯示了一個(gè)典型的雙采樣設(shè)置，其使用AD7616每個(gè)ADC的一個(gè)通道。AD7616包括兩個(gè)ADC內(nèi)核和兩個(gè)8:1多路復(fù)用器，總共有16個(gè)通道。本例使用每個(gè)多路復(fù)用器上的一個(gè)通道，從而可以對(duì)兩個(gè)通道同時(shí)采樣，如圖2所示。
圖2顯示了一個(gè)典型的雙采樣設(shè)置，其使用AD7616每個(gè)ADC的一個(gè)通道。AD7616包括兩個(gè)ADC內(nèi)核和兩個(gè)8:1多路復(fù)用器，總共有16個(gè)通道。本例使用每個(gè)多路復(fù)用器上的一個(gè)通道，從而可以對(duì)兩個(gè)通道同時(shí)采樣，如圖2所示。
圖2. 雙增益采樣設(shè)置
圖 2 所示連接是監(jiān)控三相電力系統(tǒng)某一相的典型連接，可以根據(jù)需要擴(kuò)展到監(jiān)控其他相。本應(yīng)用筆記所述的配置假設(shè) ADC 通道按照表 2 所示進(jìn)行分配，從而監(jiān)控三相。
表2. ADC通道配置
表 1 顯示，對(duì)于±2.5 V 范圍，OSR 為 64 時(shí)，過(guò)采樣可將 SNR提高到 94 dB。對(duì)于同樣的范圍，以低得多的 4 倍 OSR 進(jìn)行過(guò)采樣時(shí)，可以解析的最小信號(hào)約為±88 μV。已知±2.5 V范圍、OSR 為 4 倍時(shí) SNR 為 89 dB，最小信號(hào)可計(jì)算如下：
其中：
SNR 為信噪比。
最大信號(hào)為施加到模擬輸入端的信號(hào)的最大幅度。
最小信號(hào)為相對(duì)于本底噪聲的最小可分辨信號(hào)的幅度。
最大信號(hào)就是輸入范圍；本例中為±2.5 V。使用此輸入范圍，重新整理并求解該方程便可確定 ADC 可以解析的最小信號(hào)。計(jì)算結(jié)果為±88 μV。
使用±10 V和±2.5 V兩種輸入范圍進(jìn)行采樣，可以實(shí)現(xiàn)的最高動(dòng)態(tài)范圍為：
其中，DR為動(dòng)態(tài)范圍。
引腳配置
AD7616可以配置為硬件或軟件工作模式。硬件模式使用引腳控制來(lái)配置序列器、模擬輸入范圍和過(guò)采樣比等選項(xiàng)。軟件模式則是通過(guò)并行接口或串行接口對(duì)片上寄存器進(jìn)行編程，并可解鎖器件的更多功能。本設(shè)置示例使用軟件模式，通過(guò)并行接口編程。利用串行接口配置器件同利用并行接口對(duì)器件編程相似。有關(guān)詳細(xì)信息，參見(jiàn)AD7616數(shù)據(jù)手冊(cè)。
對(duì)于本例，在對(duì)片上寄存器編程之前，按照表3和圖3所示配置控制引腳，然后上電。復(fù)位解除時(shí)或發(fā)生完全復(fù)位之后，器件會(huì)鎖存硬件控制引腳值。對(duì)配置的任何改變也需要完全復(fù)位。
表3. 硬件引腳配置
圖3. 硬件控制引腳連接
配置好控制引腳之后，將適當(dāng)?shù)碾妷禾峁┙oVCC引腳和VDRIVE引腳，以給AD7616供電。電源穩(wěn)定后，需要讓器件完全復(fù)位。有關(guān)詳細(xì)信息，參見(jiàn)AD7616數(shù)據(jù)手冊(cè)。
對(duì)AD7616編程
在軟件模式下，AD7616可通過(guò)片上寄存器靈活配置。這些寄存器可通過(guò)并行或串行接口訪問(wèn)，有16位寬。本應(yīng)用筆記所述的例子使用并行接口。所需寄存器寫(xiě)操作的流程圖如圖4所示。下述寄存器寫(xiě)命令利用可編程序列器將AD7616配置為對(duì)三個(gè)不同信號(hào)進(jìn)行雙采樣。
首先寫(xiě)入配置寄存器。配置寄存器用在軟件模式下，用來(lái)配置ADC的許多主要功能，包括序列器、突發(fā)模式、過(guò)采樣和CRC操作。
將命令0x8460寫(xiě)入配置寄存器，使能序列器的突發(fā)模式。突發(fā)模式需要一個(gè)CONVST脈沖來(lái)啟動(dòng)序列器堆棧寄存器中配置的每個(gè)通道對(duì)的轉(zhuǎn)換。然后存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果，直至用戶準(zhǔn)備回讀結(jié)果。有關(guān)詳細(xì)信息，參見(jiàn)AD7616數(shù)據(jù)手冊(cè)。
接下來(lái)配置輸入范圍寄存器。如表2所示，使能六個(gè)通道進(jìn)行采樣。三個(gè)通道設(shè)置為±2.5 V范圍，另三個(gè)通道設(shè)置為±10 V范圍。有四個(gè)輸入范圍寄存器，但本例僅需要兩個(gè)：寄存器A1和寄存器B1。寫(xiě)入命令0x8815以將V0A至V2A通道的輸入范圍配置為±2.5 V范圍。寫(xiě)入命令0x8C3F以將V0B至V2B通道的輸入范圍配置為±10 V范圍。
最后寫(xiě)入序列器堆棧寄存器。序列器寄存器結(jié)構(gòu)形成一個(gè)32層堆棧，各層可包含兩個(gè)通道（ADC A中的任一通道和ADC B中的任一通道）。序列器編程如表4所示。
表4. 序列器編程
堆棧中最后一層（本例中為第三層）的SSREN位設(shè)置為邏輯1，以定義堆棧的最后一層。序列器達(dá)到SSREN位設(shè)為1的層之后，便將堆棧指針復(fù)位到堆棧的第一層。然后重復(fù)該序列。
AD7616現(xiàn)在已按照表2所示的配置，對(duì)三個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣。向器件寫(xiě)入命令0x0000，使其返回到讀取模式并開(kāi)始采樣。表5顯示了本例寄存器編程摘要。
圖4. 寄存器配置流程圖
表5. 寄存器摘要
轉(zhuǎn)換
在突發(fā)模式下，單個(gè)CONVST脈沖啟動(dòng)序列器堆棧寄存器中配置的每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換。器件內(nèi)部產(chǎn)生完成序列所需的其余CONVST信號(hào)。圖5顯示了器件在該模式下的操作。復(fù)位解除時(shí)，片內(nèi)寄存器進(jìn)行編程，如圖4所示。器件切換回轉(zhuǎn)換讀取模式之后，需要進(jìn)行一次偽轉(zhuǎn)換以將新配置鎖存到器件中。然后，用戶必須提供一個(gè)CONVST脈沖以啟動(dòng)整個(gè)序列的轉(zhuǎn)換。序列完成后（BUSY由高電平變?yōu)榈碗娖剑?，用戶便可回讀三個(gè)通道對(duì)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，如圖5所示。
圖5. 突發(fā)工作模式
讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果
在突發(fā)模式下，回讀轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生在序列中的所有通道完成轉(zhuǎn)換之后，如圖5所示。假設(shè)通道數(shù)為N，過(guò)采樣比為x，則完成轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)果回讀的周期時(shí)間(tCYCLE)可估計(jì)如下：
其中：
利用并行接口回讀轉(zhuǎn)換結(jié)果，即便使能突發(fā)序列器，用戶也能維持最大吞吐速率。將AD7616數(shù)據(jù)手冊(cè)中的適當(dāng)數(shù)值代入tCYCLE計(jì)算公式，得到以4倍OSR轉(zhuǎn)換三個(gè)通道對(duì)所需的周期時(shí)間為11.945 μs。此代換實(shí)現(xiàn)的吞吐速率為每通道83 kSPS。
結(jié)語(yǔ)
利用較小的±2.5 V輸入范圍設(shè)置，通過(guò)監(jiān)控ADC A輸出，用戶可以檢測(cè)過(guò)壓和過(guò)流狀況。借助這種方法，用戶可以利用±2.5 V范圍設(shè)置的滿量程幅度范圍來(lái)保護(hù)動(dòng)態(tài)范圍。然后，用戶可以切換到監(jiān)控較大的±10 V輸入范圍，以捕獲故障狀況的性質(zhì)和幅度。此方法使得用戶無(wú)需在ADC之前應(yīng)用動(dòng)態(tài)輸入范圍調(diào)整，而且AD7616的通道密度讓雙采樣成為一個(gè)高性價(jià)比選擇。本應(yīng)用筆記證明，使用雙采樣設(shè)置和4倍OSR，AD7616動(dòng)態(tài)范圍可提高到101 dB。在使能過(guò)采樣的情況下對(duì)三個(gè)通道進(jìn)行采樣，可以保持每通道83 kSPS以上的吞吐速率。在實(shí)際意義上，對(duì)于60 Hz輸入信號(hào)，使用本應(yīng)用筆記所述方法，每個(gè)線路周期用戶可以收集1300個(gè)以上的樣本。
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