引 言 在電力系統(tǒng)三相信號(hào)處理應(yīng)用中,常需要同時(shí)對(duì)A、B、C三相電壓和電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。如三相功率、電能測(cè)量及諧波分析等。美國(guó)ADI公司的AD7656是16位6通道同時(shí)采樣的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,內(nèi)部含有6個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換器,具有轉(zhuǎn)換精度高、速度快、功耗低、輸入模擬信號(hào)幅度大、信噪比高等特點(diǎn)。Phmps公司出品的LPC2210,是一款工業(yè)級(jí)的ARM控制器,處理速度快,性能穩(wěn)定,與AD7656共同組成的6通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能在很大程度上提高系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理能力。
1 AD7656的特點(diǎn)及工作原理
1.1 AD7656的特點(diǎn)
圖1為AD7656的內(nèi)部功能框圖。
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其主要特性為:
[*]6個(gè)16位獨(dú)立的ADC通道。[*]輸入模擬信號(hào)的范圍為±(10~15 V)。[*]最大轉(zhuǎn)換速率為250ksps。[*]低功耗,5 V供電時(shí)在250ksps下功耗為140 mW。[*]片上2.5 V參考電壓和參考緩沖器。[*]8/16位并行接口模式和串行接口模式。
1. 2 工作原理
AD7656是6通道16位逐次逼近型ADC,有2種接口模式:串行接口模式和高速的并行接口模式,并行接口模式又分為8位和16位傳送方式。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí),3個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)CONVSTA/B/C,用來控制每對(duì)或每4個(gè)或每6個(gè)ADC同時(shí)采樣。如果將3個(gè)CONVST引腳連接在一起,就可對(duì)6個(gè)ADC同時(shí)進(jìn)行采樣。在CONVSTX的上升沿,被選擇的ADC對(duì)被置為保持模式,轉(zhuǎn)換開始。CONVSTX的上升沿過后,BUSY信號(hào)變?yōu)楦唠娖奖砻鬓D(zhuǎn)換正在進(jìn)行,轉(zhuǎn)換時(shí)間是3μs,BUSY信號(hào)返回低電平表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。在BUSY信號(hào)的下降沿,ADC回到跟蹤模式,數(shù)據(jù)可以通過并行或串行接口從輸出寄存器讀出。16位并行接口讀取數(shù)據(jù)時(shí)先將CS置低,每當(dāng)讀信號(hào)(RD)變低,就從16位總線上讀取1路數(shù)據(jù),6路A/D數(shù)據(jù)則需要讀取6次,其內(nèi)部轉(zhuǎn)換16位并行接口模式時(shí)序如圖2所示。
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2 硬件設(shè)計(jì)
圖3為AD7656與LPC2210的接口設(shè)計(jì),在三相交流電信號(hào)處理方面的應(yīng)用中,選用Philips公司的ARM控制器LPC2210,它具有功耗低、性能高、速度快等特點(diǎn)。LPC2210的PO.22與CONVSTX相連,用來啟動(dòng)6路A/D的同時(shí)轉(zhuǎn)換。PO.23與RESET信號(hào)相連,為了控制AD7656復(fù)位。EINTl連接BUSY信號(hào),AD7656轉(zhuǎn)換結(jié)束后,BUSY信號(hào)變低,向LPC2210申請(qǐng)中斷。LPC2210的片選信號(hào)CSl和讀信號(hào)OE分別與A/D的片選信號(hào)CS和讀信號(hào)RD相連,用來讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,其地址范圍為0x81000000H~Ox81FFFFFFH。將LPC2210的16位數(shù)據(jù)總線和AD7656的16位數(shù)據(jù)總線相連接,由于LPC2210為3.3 V接口,而AD7656為5 V,所以串接100Ω電阻進(jìn)行電平匹配。另外LPC2210還涉及液晶、鍵盤和RS232接口電路,用于人機(jī)接口和計(jì)算結(jié)果上傳。
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在AD7656把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之前,需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,把模擬信號(hào)調(diào)整為適合AD7656模擬信號(hào)輸入要求的電平信號(hào)。AD7656連接外圍電路時(shí),在DVCC,AVCC,VDRIVE,REFIN/OUT和VSS引腳須加1組去耦電路,該去耦電路是由1個(gè)10μF和1個(gè)100 nF電容組成。去耦電容要盡量靠近器件,以達(dá)到更好的去耦效果。除了上述幾個(gè)接口外,AD7656其他關(guān)鍵引腳的連接是STBY接VDRIVE,選擇正常模式;RANGE接地表示選擇輸入范圍±10V;H/S SEL接地選擇硬件配置;SER/PAR接地,選擇并行接口;W/B接地表示16位并行輸出;WR/REFEN/DIS接VDRIVE表示選擇內(nèi)部參考。在具體電路板設(shè)計(jì)時(shí),數(shù)字地和模擬地要分開,在靠近電源輸入電路的地方連接在一起;AD7656芯片下方不要有數(shù)字信號(hào)通過,這是為了減少干擾,提高測(cè)量精度。
3 軟件設(shè)計(jì)
接口設(shè)計(jì)應(yīng)用于多路數(shù)據(jù)采集,LPC2210數(shù)據(jù)讀取、處理的過程如圖4所示。對(duì)三相交流電進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,要求每個(gè)周期采樣128點(diǎn),即20 ms采樣128點(diǎn),也就是每156.25μs采樣一次。用定時(shí)器0定時(shí),定時(shí)器時(shí)間到,啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,如果CONVSTA/B/C三個(gè)信號(hào)綁在一起,6個(gè)通道的模擬信號(hào)同時(shí)開始轉(zhuǎn)換,3μs后6個(gè)通道的數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換完,BUSY信號(hào)變低產(chǎn)生中斷,通知ARM讀取數(shù)據(jù)。LPC2210給片選信號(hào)CS和讀信號(hào)RD一個(gè)低電平開始讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,把6路數(shù)據(jù)讀完,退出中斷,等待定時(shí)器下一次定時(shí)到,啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換,待128次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完之后,暫停定時(shí)計(jì)數(shù),開始計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后,再次啟動(dòng)定時(shí),完成下一個(gè)周期的128次數(shù)據(jù)采集。
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結(jié) 語(yǔ)
本文介紹了一種新型的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656,它能同時(shí)采集6路信號(hào),而且與LPC2210接口電路簡(jiǎn)單,控制方便,可應(yīng)用于電力系統(tǒng)三相交流電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。