AD7656的原理及在繼電保護測試儀產品中的應用
AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC,它具有*大4LSBSINL和每通道達250kSPS的采樣率,并且在片內包含一個2.5V內部基準電壓源和基準緩沖器。該器件僅有典型值160mW的功耗,比*接近的同類雙極性輸入ADC的功耗降低了60％。
AD7656包含一個低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T／H),以便處理輸入頻率高達8MHz的信號。該AD7656還具有高速并行和串行接口,可以與微處理器(MCU)或數字信號處理器(DSP)連接。AD7656在串行接口方式下,能提供一個菊花鏈連接方式,以便把多個ADC連接到一個串行接口上。
AD7656采用具有ADI**技術的iCMOS(工業(yè)CMOS)工藝。iCMOS繼電保護測試儀工藝是一種高壓半導體工藝與亞微米CMOS(互補金屬氧化物半導體)和互補雙極型工藝相結合的制造上藝。它能開發(fā)出承受30V電源電壓的多種高性能模擬IC,并且其小封裝尺寸是任何其他同類高電壓IC都未曾達到的。與使用傳統(tǒng)CMOS工藝的模擬IC不同,iCMOS器件能承受高電源電壓,同時提高性能、顯著降低功耗和縮小封裝尺寸。AD7656是使用該種工藝設計制造的產品,所以非常適合在繼電保護、電機控制等工業(yè)領域使用。圖1是AD7656的內部原理框圖。
圖2是AD7656在并行接口方式下的工作時序圖。首先,通過MCU或DSP控制CONVST管腳啟動轉換,并保持該信號為高電平。AD7656啟動轉換信號后會自動輸出BUSY信號,BUSY信號下降沿時,代表轉換已經全部完成。此時,AD7656內部的6個寄存器中已經保存了轉換的數據,然后通過控制片選CS和讀RD信號依次順序讀出6個通道AD轉換值。讀出AD轉換值后,改變CONVST為低電平信號。注意在設計時,一定要保證AD轉換過程中CONVST管腳保持高電平。繼電保護測試儀
AVCC和DVCC???AD7656的模擬電壓輸入端和數字電壓輸入端。AD7656作為6通道獨立的同步采樣數據轉換器,在轉換過程中需要足夠的電能量,所以對于AVcc的去耦在設計中就顯得十分重要,后面將有具體描繼電保護測試儀述。在實際電路設計中,可以單獨提供±15V(或是±12V)電壓給VDD和VSS電壓輸入端,同時提供+5V給AVCC模擬電壓端,通過濾波器(小電阻或磁珠)把AVCC連接到DVCC,然后再通過濾波器供給CPU系統(tǒng)+5V電源;或在提供±15V采樣電壓時,將+15V電壓使用DC／DC得到+5V電壓,供給AVCC和DVCC輸入端使用,而CPU系統(tǒng)則采用單獨的+5V電源。
在AVcCCDVCC的連接設計上,由于DVCC會引來一些數字噪聲給AVCC,影響AD7656的采樣性能。所以在AVCC和DVCC之間需要放置一個兒歐姆的小電阻或是一個小磁珠。加入小電阻或是磁珠后,在DVCC產生噪聲的頻點上,小電阻或是磁珠可以看成是高阻狀態(tài),能夠使正常的信號通過并濾除噪聲。
3.3 AD7656基準設計
AD7656具有10ppm的內部基準,對于一般的單芯片可以滿足設計需要。但是在多芯片產品設計中,由于不同芯片內部的基準提供的初始精度不同,所以溫度系數也會不同,為了得到更高的性能和可靠性,需要一個穩(wěn)定可靠的基準。ADR421具有2.5V輸入、lppm／℃的溫度系數、初始精度可以達到0.04％,是一款在電力繼電保護系統(tǒng)中成功應用的電壓基準芯片。ADI*新推出了同ADR421管腳完傘兼容的ADR441產品,其具有1ppm／℃的溫度系數,0.04％的初始精度,而且僅僅1.21μV的p-p噪聲性能,也是十分適合電力繼電保護產品應用的電壓基準芯片。
3 AD7656在電力繼電保護產品中的應用
當前,繼電保護產品在不斷地更新?lián)Q代并改變著設計模式。*初由于工藝和芯片等各方面因素的影響,**代電力繼電保護產品均采用模擬開關,配合單通道16bit的ADC設計,例如AD976,AD57繼電保護測試儀4等AD轉換器產品;后來出現了使用16bit的AD7665和14bit的AD7685配合模擬開關的**代繼電保護產品,AD7665和AD7865在當前很多電力繼電保護產品中仍有非常成功的應用案例;隨著技術的更新和產品工藝的改進,尤其是其±10V雙極多通道同步輸入等技術特點,使AD7656有望成為電力繼電保護的新一代產品。
3.1AD7656前端模擬電路設計
單片技術的原理及在繼電保護測試儀產品中的應用支持輸入±10V雙極信號,按照經典的設計理論,需要對前端信號進行抗混疊濾波。為了滿足16bit精度的要求,前端要選用高精度并且可以處理±10V雙極信號的運算放大器作信號處理和濾波。
3.2 AD7656電源設計
3.2.1 VDD和VSS
在AD7656的設計中,VDD和VSS主要作為采樣保持開關工作的電源,圖3是VDD和VSS工作的原理框圖。一般設計時,需要保證大于VINx模擬輸入端的輸入電壓范圍,才能保證AD可靠工作。表1是AD7656在不同條件下需要的*小值。設計中建議加入**緩沖,主要為了防止由于數字噪聲耦合到電源對A／D轉換產生繼電保護測試儀影響,電力保護繼電保護測試儀推薦設計使用ADI公司的ADG3308。ADG3308是一款ADI公司*新推出的用于總線電平轉換和隔離的芯片,能在1.2V～5.5V的電源系統(tǒng)中以40Mbps的速率傳輸數據。與其他解決方案不同,ADG3308不需要用DIR引腳選擇數據傳輸的方向。