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提高性能,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),搞定電力線監(jiān)控應(yīng)用就看它

發(fā)布時(shí)間:2020-05-19 來(lái)源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】對(duì)于許多應(yīng)用,監(jiān)控電力線意味著使用電流互感器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò),以便感測(cè)三相及零序的電流和電壓,如圖1所示。AD7606B具有高輸入阻抗,可以直接連接傳感器,并且它提供了所需的全部?jī)?nèi)建輸入模塊,從而簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
 
AD7606B在片內(nèi)集成8個(gè)獨(dú)立的信號(hào)鏈,即使采用5 V單電源供電(數(shù)字接口電壓Vdrive不計(jì)),仍可接受±10 V或±5 V的真正雙極性模擬輸入信號(hào)。因此,無(wú)需使用外部驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器和外部雙極性電源。
 
每個(gè)通道都由21 V模擬輸入箝位保護(hù)電路、具備5 MΩ輸入阻抗的電阻可編程增益放大器、一階抗混疊濾波器和16位SAR ADC組成。此外,還可包含一個(gè)過(guò)采樣率高達(dá)256的數(shù)字均值濾波器,以及一個(gè)低溫漂2.5 V基準(zhǔn)電壓源,用于幫助構(gòu)建完整的電力線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
 
除了提供完整的模擬信號(hào)鏈之外,AD7606B還提供許多校準(zhǔn)和診斷功能,以改善系統(tǒng)級(jí)性能和可靠性。
 
提高性能,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),搞定電力線監(jiān)控應(yīng)用就看它
圖1. 典型的電力線監(jiān)控應(yīng)用中的AD7606B
 
直接傳感器接口
 
與AD7606不同,AD7606B的輸入阻抗已提高到5 MΩ,使其可以直接與多種傳感器接口,從而獲得兩個(gè)好處:
 
1. 降低外部串聯(lián)電阻(例如,濾波或電阻分壓網(wǎng)絡(luò))導(dǎo)致的增益誤差。
2. 當(dāng)傳感器斷開時(shí),所看到的偏移量會(huì)減小,可以輕松實(shí)現(xiàn)傳感器斷開檢測(cè)功能。
 
外部電阻造成的增益誤差
 
進(jìn)行工廠修整時(shí),會(huì)嚴(yán)格控制PGA的RFB和RIN(一般為5 MΩ),確保準(zhǔn)確設(shè)置AD7606B的增益。但是,如圖1所示,如果在前端放置一個(gè)外部電阻,那么實(shí)際增益與理想的修整RFB/RIN值之間會(huì)存在偏差。
 
RFILTER越高,增益誤差越大,這需要從控制器一側(cè)補(bǔ)償。但是,RIN越高,相同RFILTER產(chǎn)生的影響就越小。與AD7606具有1 MΩ輸入阻抗不同,AD7606B具有5 MΩ阻抗,這意味著在沒(méi)有任何校準(zhǔn)的情況下,相同串聯(lián)電阻(RFILTER)的增益誤差會(huì)降低到約1/5,如圖2所示。
 
提高性能,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),搞定電力線監(jiān)控應(yīng)用就看它
圖2. 串聯(lián)電阻導(dǎo)致的增益誤差。
 
但是,通過(guò)在軟件模式下使用AD7606B,系統(tǒng)增益誤差可以基于每個(gè)通道自動(dòng)進(jìn)行片內(nèi)補(bǔ)償,因此完全無(wú)需再在控制器一側(cè)實(shí)施任何增益校準(zhǔn)計(jì)算。
 
傳感器斷開檢測(cè)
 
傳統(tǒng)上,將下拉電阻(RPD)與傳感器(圖1中所示的電流互感器)并聯(lián),用戶可通過(guò)監(jiān)測(cè)多個(gè)樣本(N)的ADC輸出代碼是否重復(fù)小于 20 LSBs,來(lái)檢測(cè)傳感器何時(shí)斷開。
 
建議采用比傳感器的源阻抗大得多的RPD,將該并聯(lián)電阻可能產(chǎn)生的誤差減至最小。但是,RPD越大,在傳感器斷開時(shí)生成的ADC輸出代碼也越大,這并非我們期望的結(jié)果。由于AD7606B的RIN比AD7606大,對(duì)于給定的RPD,如果傳感器斷開,ADC輸出代碼會(huì)降低(如圖3所示),從而降低了誤報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。
 
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圖3. 傳感器與ADC的模擬輸入斷開連接時(shí)的偏置誤差。
 
進(jìn)入AD7606B的軟件模式時(shí),可以使用開路檢測(cè)功能,從而無(wú)需后端軟件來(lái)檢測(cè)傳感器斷開情況。編程設(shè)置樣本數(shù)量N(在圖4的示例中,N = 3)之后,如果模擬輸入保持由幾個(gè)樣本報(bào)告較小的直流值,算法會(huì)自動(dòng)運(yùn)行,并在模擬輸入信號(hào)斷開被判定為開路時(shí),置一個(gè)標(biāo)記位。
 
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圖4. 傳感器斷開檢測(cè)
 
系統(tǒng)級(jí)性能
 
系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)
 
使用一對(duì)外部電阻時(shí),如圖1所示,它們之間出現(xiàn)任何不匹配都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生偏移。傳感器短接至地時(shí),該偏移可以測(cè)量為ADC輸出代碼。然后,可以通過(guò)編程設(shè)置對(duì)應(yīng)的通道偏移寄存器,在轉(zhuǎn)換結(jié)果中增加或減去–128 LSBs至+127 LSBs偏移,以補(bǔ)償系統(tǒng)偏移。
 
系統(tǒng)相位校準(zhǔn)
 
CONVST引腳用于管理模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動(dòng),以便同時(shí)在所有通道上觸發(fā)該流程。但是,對(duì)于通過(guò)電流互感器(CT)測(cè)量電流同時(shí)通過(guò)分壓電阻按比例縮小來(lái)測(cè)量電壓的應(yīng)用,存在電流和電壓通道之間相位不匹配的情況。為了補(bǔ)償這種不匹配,AD7606B可以延遲任何通道(相對(duì)延遲大一點(diǎn)兒的通道)上的采樣時(shí)刻,以便將輸出信號(hào)調(diào)整到同相,如圖5所示。
 
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圖5. 相位調(diào)整。
 
系統(tǒng)可靠性
 
為了提高系統(tǒng)的可靠性,在片內(nèi)增加了幾種診斷功能,包括:
 
1. 每個(gè)通道上的過(guò)壓/欠壓比較器。
2. 一種接口檢查,在每個(gè)通道上輸出固定的數(shù)據(jù),以驗(yàn)證通信狀態(tài)。
3. 如果嘗試對(duì)無(wú)效寄存器實(shí)施寫入或讀取,則會(huì)發(fā)出SPI無(wú)效讀取/寫入警報(bào)。
4. 在轉(zhuǎn)換開始后,如果BUSY線持續(xù)的時(shí)間比正常時(shí)間長(zhǎng),則會(huì)發(fā)出BUSY STUCK HIGH警報(bào)。
5. 如果檢測(cè)到對(duì)內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器的完全、部分或上電復(fù)位,則發(fā)出復(fù)位檢測(cè)警報(bào)。
6. 可以對(duì)存儲(chǔ)器映射、ROM和每個(gè)接口通信實(shí)施CRC校驗(yàn),以確保正確初始化和/或操作。
 
總結(jié)
 
AD7606B為市場(chǎng)帶來(lái)了完整的芯片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)??蓪?shí)現(xiàn)所有的模擬前端內(nèi)建模塊。它提供了一套完整的高級(jí)診斷功能,以及增益、偏移和相位校準(zhǔn)。因此,AD7606B降低了組件成本和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,從而簡(jiǎn)化了電力線監(jiān)控應(yīng)用設(shè)計(jì)。
 
 
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