12位A/D转换器ADS7864在电网谐波分析仪中的应用

发布时间:2010-9-13 13:38    发布者:techshare
关键词: ADS7864 , 电网 , 谐波分析仪
1 引言

随着用电量的增加,电网的谐波污染变得日益严重,这就要求电力监控设备能够及时准确地对电网谐波分量进行监测,在笔者研制的电网谐波分析仪中,使用ADS7864对各相关点的波形信号进行采集,实践证明,ADS7864的采样精度及稳定性是令人满意的。

ADS7864是Burr-Brown公司(已被德州仪器收购)开发的12位6通道A/D转换器,其主要特点如下:

6个模拟输入通道同时采样与保持;

2μs转换时间,500kS/s采样速率;

全差分输入;

功耗低,为50mW;

6个FIFO寄存器;

全硬件控制。

2 内部结构和引脚说明

图1所示为AD7864内部结构框图,该器件含有2个2μs的逐次逼近模数转换器,6个差分采样与保持放大器、1个带REFIN和REFOUT引脚的+2.5V内部电压基准以及1个高速并行接口。6个模拟输入通道分成3对(A、B、C)。每个A/D转换器都有3对输入端(A0/A1、B0/B1、C0/C1),可以同时采样、转换,因此可以保持两个模拟输入信号的相对相位信息。每对通道都有一个保持信号(HOLDA、HOLDB、HOLDC)使6个通道上的采样可同时进行,图2为ADS7864的引脚封装图,其引脚说明如图1所示。




ADS7864既可以使用内部参考电压源,也可以使用外部参考电压源,从图1可以看出,当使用内部2.5V参考电压源时,REFOUT引脚应该连接至REFIN引脚,这是一种常用方式,当输入模拟信号为2.4V-5.2V之间时,可以使用1.2V-2.6V范围内的外部参考电压源。

ADS7864只采用外部时钟(CLOCK),当外部时钟为8KHz时,A/D采样速率为500KHz,与2μs的最小转换时间相对应。

3 工作及控制模式

与MAX197不同,ADS7864不采用寄存器进行转换控制,而是完全依靠外部引脚进行控制,虽然控制比较简单,但是却需占用部分硬件资源。

(1)A/D转换的启动




ADS7864的转换启动控制使用HOLDx引脚(LOLDA、HOLDB、HOLDC),将一个或者所有的HOLDx信号拉低,则相应通道x的输入数据立即被置为保持模式,通道x的转换随即开始,如果其他通道已处于保持模式但还没有开始转换,通道x的转换则需列队等候直到上一轮转换完成为止。如果在一个时钟周期内不止一个通道进入保持模式,并且HOLDA也是被触发的保持信号时,通道A将首先开始转换,接着是通道B,最后是通道C,一旦某个特定的保持信号变为低,其随后的脉冲被忽略,直到这次转换完成或器件复位。



在转换完成时(BUSY信号变高),采样开关将关闭并且对选择的通道进行采样,延迟随后的转换,以便对ADS7864的输入电容完全充电,延迟时间取决于驱动放大器,但应该至少有175ns。

(2)转换结果的读取

ADS7864有3种不同的数据输出模式,用A2、A1和A0引脚选择,如表2所列。  




第一种是地址模式,在(A2A1A0)=从000到101时,可以直接对特定的通道寻址,该通道的地址在RD的下降沿之前应保持至少10ns,并且只要RD为低就不能改变。

第二种是循环模式,在(A2A1A0)=110时,接口以循环模式工作,此时,数据在第一个RD信号时从通道A0读取,接着是通道A1,随后是B0、B1、C0,最后是C1(再次读取A0之前),在一个复位信号之后或者对器件上电之后,通道A0的数据首先输出。

第三种是FIFO模式,在(A2A1A0)=111时,该模式中,先读取首先被转换的数据,此时,如果某个特定的通道最受关注、转换较频繁(例如,获取特定通道的历史记录),则每个通道就有3个输出寄存器用于存储数据。

ADS7864的输入为16位、12位输出数据存储于DB11(最高有效位)到DB0(最低有效位)。当DB11-DB0输出有效数据时,DB15为1,这点对于FIFO模式非常重要,在DB15变为0之前可以读取有效数据。DB14、DB13、DB12输出通道地址,其具体信息与表2中A2、A1、A0的地址设置相对应。

为了增加设计的灵活性,ADS7864支持不同宽度的数据总线。当数据宽度控制端BYTE被置为高电平时,ADS7864的16位数据输出端直接与16位数据总线相连,当BYTE端被置为低电平时,可以与8位数据总线连接,在第一个DR信号时低8位数据在输出引脚DB7到DB0读取,第二个RD信号时则读取高8位数据。

4 在电网谐波分析仪中的应用

电网谐波分析需要采集的数据包括三相线路的电压、电流共6个量(对于每条输电线路),在以往的开发过程中采用MAX197进行数据采集,但是MAX197不具备多通道同时采样保持功能,在转换时不能保证6个模拟量采样时间的一致性,影响了谐波分析的准确性。

在谐波分析仪的设计中,使用了TI公司的定点数字信号处理器TMS320F206(采用20MHz有源晶体振荡器作为外部时钟)进行数据采集控制和分析,由于DSP需要对采样数据进行每周期64点的连续FFT变换,运算比较复杂,所以最理想的采样数据位数应该为12位,留出4位作为运算时的溢出保护位,而不需要在软件设计过程中频繁地进行归一化处理,由于12位精度的ADS7864具有6通道同时保持放大、适中的转换速率与精度以及双极性输入等特点,非常使用于电网谐波分析仪的数据采集。TMS320F206(以下简称F206)与ADS7864的接口示意图如图3所示。




在许多相关文献中,为保证DSP运行速度与A/D转换器响应速度相匹配,往往采用片内I/O口与A/D转换器接口,依靠软件实现A/D转换器的片选(CS)与数据读取控制(RD),这种方式虽然可保证操作的可靠性,但同时也占用了DSP上的I/O口资源,而且具有接口连接的A/D转换器数量非常有限。

经过仔细分析,在电网谐波分析仪的硬件设计中F206与ADS7864仍然采用了传统的地址译码片选的接口方式,将F206的I/O空间选择端IS与地址线AD12-AD15先输入可编程逻辑器件GAL22V10,再输出片选信号CS,F206的RD端直接与ADS7864的读数据控制端DR端连接。

由于F206外部数据总线为16位,可将ADS7864的输出数据宽度控制端BYTE接地,16位输出直接与F206的数据总线相连。

由于在电网谐波分析中要求同时对三相电压、电流信号进行采集,所以ADS7864的采样保持启动控制端HOLDA、HOLDB、HOLDC直接与F206的IO1端连接,当IO1输出低电平时,同时启动三组6路信号的采样保持并进行转换。

在谐波分析仪的设计中,ADS7864的数据读取采用地址模式,每次转换结束后,由ADS7864的BUSY端通过反相器向F206的INT2端发出中断信号,完成一次6路信号的采样转换共响应3次中断,在每次中断服务程序中读取相应地址的转换数据。

5 结束语

根据笔者长期的设计体会,在DSP与A/D转换器接口的硬件与软件设计过程中,有几个带有共性的问题需要引起足够的重视:

(1)地址建立时间对接口的影响

在微处理器系统中为保证正确读取数据,在读数据控制信号RD有效前,需要提前建立地址中线信号,这一时间称为地址建立时间,40MHz主频时,F206的地址建立时间最小值为8.5ns,而ADS7864要求的地址建立时间至少为10ns(使用8MHz外部时钟时,下同)。显然,由于地址建立时间的约束,F206在40MHz主频时不能采用传统的地址译码片选方式与ADS7864接口,为保证时序的要求,必须使用I/O口。

206工作在20MHz主频时,地址建立时间为21ns,则可以采用传统的地址译码片选方式与ADS7864接口,这也是本文实际应用的接口方式。

(2)数据建立时间对接口的影响

证微处理器可靠地读取数据,在距读数据控制信号RD上升沿一段时间时,数据就应稳定地出现在数据总线上,这一时间称为数据建立时间,在ADS7864中,要求读数据控制信号RD和片选信号CS在输出数据有效前必须保持低电平至少30ns,但是当工作在20MHz主频时,F206的读数据控制信号RD所能提供的数据建立时间在20MHz主频时最少为30ns,显然是不能可靠满足要求的,必须使用F206的软件状态等待发生器来产生等待信号以读取数据。

综上所述,在DSP与A/D转换器的接口设计中,只要仔细分析并充分考虑DSP运行速度与A/D转换器响应时间之间的关系,并充分发挥DSP上软件等待状态发生器的作用,完全可以采用传统的地址译码片选方式实现DSP与A/D转换器之间的可靠接口,从而节约宝贵的I/O口资源。
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