单片技术的原理及在继电保护测试仪产品中的应用

      

AD7656的原理及在继电保护测试仪产品中的应用
AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC,它具有较大4LSBSINL和每通道达250kSPS的采样率,并且在片内包含一个2.5V内部基准电压源和基准缓冲器。该器件仅有典型值160mW的功耗,比最接近的同类双极性输入ADC的功耗降低了60%。

   AD7656包含一个低噪声、宽带采样保持放大器(T/H),以便处理输入频率高达8MHz的信号。该AD7656还具有高速并行和串行接口,可以与微处理器(MCU)或数字信号处理器(DSP)连接。AD7656在串行接口方式下,能提供一个菊花链连接方式,以便把多个ADC连接到一个串行接口上。

   AD7656采用具有ADI专利技术的iCMOS(工业CMOS)工艺。iCMOS继电保护测试仪工艺是一种高压半导体工艺与亚微米CMOS(互补金属氧化物半导体)和互补双极型工艺相结合的制造上艺。它能开发出承受30V电源电压的多种高性能模拟IC,并且其小封装尺寸是任何其他同类高电压IC都未曾达到的。与使用传统CMOS工艺的模拟IC不同,iCMOS器件能承受高电源电压,同时提高性能、显著降低功耗和缩小封装尺寸。AD7656是使用该种工艺设计制造的产品,所以非常适合在继电保护、电机控制等工业领域使用。图1是AD7656的内部原理框图。
   图2是AD7656在并行接口方式下的工作时序图。首先,通过MCU或DSP控制CONVST管脚启动转换,并保持该信号为高电平。AD7656启动转换信号后会自动输出BUSY信号,BUSY信号下降沿时,代表转换已经全部完成。此时,AD7656内部的6个寄存器中已经保存了转换的数据,然后通过控制片选CS和读RD信号依次顺序读出6个通道AD转换值。读出AD转换值后,改变CONVST为低电平信号。注意在设计时,一定要保证AD转换过程中CONVST管脚保持高电平。继电保护测试仪
   AVCC和DVCC是AD7656的模拟电压输入端和数字电压输入端。AD7656作为6通道独立的同步采样数据转换器,在转换过程中需要足够的电能量,所以对于AVcc的去耦在设计中就显得十分重要,后面将有具体描继电保护测试仪述。在实际电路设计中,可以单独提供±15V(或是±12V)电压给VDD和VSS电压输入端,同时提供+5V给AVCC模拟电压端,通过滤波器(小电阻或磁珠)把AVCC连接到DVCC,然后再通过滤波器供给CPU系统+5V电源;或在提供±15V采样电压时,将+15V电压使用DC/DC得到+5V电压,供给AVCC和DVCC输入端使用,而CPU系统则采用单独的+5V电源。

   在AVcCCDVCC的连接设计上,由于DVCC会引来一些数字噪声给AVCC,影响AD7656的采样性能。所以在AVCC和DVCC之间需要放置一个儿欧姆的小电阻或是一个小磁珠。加入小电阻或是磁珠后,在DVCC产生噪声的频点上,小电阻或是磁珠可以看成是高阻状态,能够使正常的信号通过并滤除噪声。

    3.3 AD7656基准设计

   AD7656具有10ppm的内部基准,对于一般的单芯片可以满足设计需要。但是在多芯片产品设计中,由于不同芯片内部的基准提供的初始精度不同,所以温度系数也会不同,为了得到更高的性能和可靠性,需要一个稳定可靠的基准。ADR421具有2.5V输入、lppm/℃的温度系数、初始精度可以达到0.04%,是一款在电力继电保护系统中成功应用的电压基准芯片。ADI最新推出了同ADR421管脚完伞兼容的ADR441产品,其具有1ppm/℃的温度系数,0.04%的初始精度,而且仅仅1.21μV的p-p噪声性能,也是十分适合电力继电保护产品应用的电压基准芯片。


    3 AD7656在电力继电保护产品中的应用

   当前,继电保护产品在不断地更新换代并改变着设计模式。最初由于工艺和芯片等各方面因素的影响,第一代电力继电保护产品均采用模拟开关,配合单通道16bit的ADC设计,例如AD976,AD57继电保护测试仪4等AD转换器产品;后来出现了使用16bit的AD7665和14bit的AD7685配合模拟开关的第二代继电保护产品,AD7665和AD7865在当前很多电力继电保护产品中仍有非常成功的应用案例;随着技术的更新和产品工艺的改进,尤其是其±10V双极多通道同步输入等技术特点,使AD7656有望成为电力继电保护的新一代产品。

    3.1AD7656前端模拟电路设计

   单片技术的原理及在继电保护测试仪产品中的应用支持输入±10V双极信号,按照经典的设计理论,需要对前端信号进行抗混叠滤波。为了满足16bit精度的要求,前端要选用高精度并且可以处理±10V双极信号的运算放大器作信号处理和滤波。

    3.2 AD7656电源设计

    3.2.1 VDD和VSS

   在AD7656的设计中,VDD和VSS主要作为采样保持开关工作的电源,图3是VDD和VSS工作的原理框图。一般设计时,需要保证大于VINx模拟输入端的输入电压范围,才能保证AD可靠工作。表1是AD7656在不同条件下需要的最小值。设计中建议加入一级缓冲,主要为了防止由于数字噪声耦合到电源对A/D转换产生继电保护测试仪影响,电力保护继电保护测试仪推荐设计使用ADI公司的ADG3308。ADG3308是一款ADI公司最新推出的用于总线电平转换和隔离的芯片,能在1.2V~5.5V的电源系统中以40Mbps的速率传输数据。与其他解决方案不同,ADG3308不需要用DIR引脚选择数据传输的方向。
    

 

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