摘要：AD7606是ADI公司推出的新一代16位、8通道、同步采樣、雙極性輸入的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC。本文以國家智能電網(wǎng)的發(fā)展為契機(jī)，基于智能化變電站的解決方案，重點(diǎn)介紹AD7606系列ADC的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，為電力系統(tǒng)二次設(shè)備的開發(fā)提供有力的幫助。

關(guān)鍵詞：ADC；AD7606；智能電網(wǎng)；智能化變電站

DOI：10.3969／i.issn.1005-5517.2010.09.020

低碳時(shí)代的到來，智能電網(wǎng)是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動(dòng)向，也是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程。我國的智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各電壓等級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。智能電網(wǎng)以“安全、經(jīng)濟(jì)、高效、清潔、低碳”為核心，充分滿足用戶對(duì)電力的需求和優(yōu)化資源配置，確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，滿足環(huán)保約束，保證電能質(zhì)量。

日益增強(qiáng)的信號(hào)處理技術(shù)使得下一代系統(tǒng)的準(zhǔn)確度可優(yōu)于0.1％，準(zhǔn)確度的提升主要得益于采用高性能同步采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，它提供了滿足未來智能化變電站系統(tǒng)所需要的分辨率和性能。美國亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)公司(ADI)最新推出的新一代8通道同步采樣ADC家族系列可實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的信噪比(SNR)，可選的過采樣模式更可以進(jìn)一步提高SNR性能。AD7606多通道的集成可方便實(shí)現(xiàn)智能化變電站設(shè)備中的多路IV(電流和電壓)的測(cè)量和監(jiān)控，這使得電力線路監(jiān)控系統(tǒng)能夠宴時(shí)監(jiān)測(cè)和管理電網(wǎng)上發(fā)生的各種異常事件，宴現(xiàn)智能化變電站功能綜合化，系統(tǒng)保護(hù)、控制、測(cè)量裝置數(shù)字化，運(yùn)行管理智能化，適應(yīng)電力市場(chǎng)的發(fā)展，確保我國智能電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)性。

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的電力二次設(shè)備系統(tǒng)示意如圖1所示。一次側(cè)的電壓電流信號(hào)接入二次互感器PT／CT，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后輸入ADC，采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由CPU／DSP進(jìn)行處理，控制信號(hào)經(jīng)隔離后輸出，狀態(tài)信號(hào)經(jīng)隔離后輸入。

傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，要求電力二次設(shè)備具有更強(qiáng)的接口能力、控制能力、保護(hù)能力、測(cè)量能力、通信能力和數(shù)據(jù)處理能力。因此CPU／DSP和ADC一般是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵器件。

ADI公司的Blackfin系列處理器以強(qiáng)大的處理能力、高性能以及低成本特點(diǎn)符合電力二次設(shè)備市場(chǎng)的發(fā)展方向，使設(shè)備制造商能夠輕松實(shí)現(xiàn)各種通用或定制化的功能，可以在不改變(或很少改變)硬件的情況下迅速適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和新增功能需求，并大大降低產(chǎn)品研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和制造成本。同時(shí)在外設(shè)上，Blackfin系列提供了豐富的選擇，從而給客戶提供了極大的設(shè)計(jì)便利性和豐富的可用片上設(shè)計(jì)資源。參考ADI應(yīng)用工程師程濤的文童《ADI DSP處理器在電力二次設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用》可以獲取更多的信息。

以下將重點(diǎn)介紹ADc相關(guān)的部分。ADC是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)選用的ADc分辨率一般為14位，比如業(yè)界流行的4通道AD7865，輸入端可以接受真雙極性輸入信號(hào)，并且提供80dB的SNR。隨著業(yè)界對(duì)16位分辨率和多通道ADc的需求越來越強(qiáng)烈，ADI公司開發(fā)了6通道16bit的AD76S6以滿足設(shè)計(jì)的需求。AD7656具有86.5dB的SNR，可以提供滿足測(cè)量交流小信號(hào)所需的性能指標(biāo)。但是在新的設(shè)計(jì)需求中，系統(tǒng)中包含的電流／電壓互感器CT／PT的數(shù)量會(huì)有多個(gè)，對(duì)ADC總通道數(shù)的需求往往超過12個(gè)。作為電力二次設(shè)備制造商的關(guān)鍵供應(yīng)商，ADI公司深刻理解中國客戶的需求，在AD7656成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，再次推出16位8通道同步采樣的AD7606系列。

AD7606簡介及設(shè)計(jì)

AD7606／AD7606-6／AD7606-4為16位同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，分別有8、6、4個(gè)采集通道。片上集成模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型ADC內(nèi)核、數(shù)字濾波器、2.5V基準(zhǔn)電壓源及緩沖、高速串行和并行接口。AD7606采用5V單電源供電，不再需要正負(fù)雙電源，并支持真正±10V或±SV的雙極性信號(hào)輸。所有的通道均能以高達(dá)200 kSPS的速率進(jìn)行采樣，同時(shí)輸入端箝位保護(hù)電路可以承受最高達(dá)±16.5V的電壓。

傳統(tǒng)的逐次逼近(sAR)型ADC，由于其采樣電容的設(shè)計(jì)，模擬輸入前端一般需要運(yùn)算放大器(簡稱運(yùn)放，Operation Amplifier)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部采樣電容的驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。正因此電容的存在。其等效輸入阻抗與采樣頻率相關(guān)，而且在一些高采樣率的應(yīng)用中，使得前端驅(qū)動(dòng)運(yùn)放的選擇變得十分苛刻。

但在AD7606內(nèi)部的信號(hào)調(diào)理電路中，已經(jīng)包含了低噪聲、高輸入阻抗的信號(hào)調(diào)理電路，其等效輸入阻抗完全獨(dú)立于采樣率且固定為1Mohm。同時(shí)輸入端集成了具有40dB抗混疊抑制特性的濾波器，更是簡化了前端設(shè)計(jì)，不再需要外部驅(qū)動(dòng)和濾波電路。因此，二次互感器輸出的信號(hào)無需再經(jīng)過運(yùn)放來緩沖就可以直接接入AD7606。圖4是AD7606的典型設(shè)計(jì)。

AD7606內(nèi)部集成了2.5V帶隙電壓基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖電路。其溫度系數(shù)典型值為±10ppm／℃。設(shè)計(jì)應(yīng)用中，選用內(nèi)置基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)，將取決于系統(tǒng)的要求。多片ADC的設(shè)計(jì)中，如果需求高絕對(duì)精度，則應(yīng)采用高初始精度和低溫度系數(shù)的外部基準(zhǔn)，以消除不同器件內(nèi)置基準(zhǔn)之間的差異而帶來的誤差。推薦選用初始精度0.04％，溫度系數(shù)3ppm／℃的ADR421B。如果需求多片ADC通道之間的數(shù)值匹配，可設(shè)置第一片AD7606工作在內(nèi)置基準(zhǔn)模式。其余AD7606為外部基準(zhǔn)模式，然后通過第一片AD7606的內(nèi)置基準(zhǔn)輸出供給其余AD7606。這樣，在不加外部基準(zhǔn)的情況下即可保證多個(gè)AD7606通道間數(shù)據(jù)的匹配性，但此時(shí)系統(tǒng)的絕對(duì)精度取決于內(nèi)置基準(zhǔn)的勝能。

AD7606的數(shù)字接口可以配置在并行或串行模式。數(shù)字接口的電平V為2.3V～5.25V，可以跟當(dāng)前任何主流的CPU／DsP連接。需要注意的是，當(dāng)配置AD7606工作在串行接口模式時(shí)，數(shù)據(jù)總線的DB[15：9]和DB[6：0]引腳需要做接地處理。

AD7606提供了過采樣和數(shù)字濾波功能。通過引腳OS[2：0]可以設(shè)置過采樣倍數(shù)(OsR)為x2 x8，x16，x32，x64。過采樣打開后，內(nèi)部的過采樣控制電路和1階Sinc數(shù)字濾波器會(huì)自動(dòng)-被使能，同時(shí)3dB帶寬也會(huì)相應(yīng)地改變。

ADC一般需要模擬電源和數(shù)字電源。大多數(shù)的系統(tǒng)都會(huì)有5v數(shù)字電源，卻不一定具有5v模擬電源。此時(shí)如果模擬電路和數(shù)字電路共用同一個(gè)5V電源，有害的數(shù)字噪聲可能會(huì)耦合到模擬電路并降低ADc的性能，通常應(yīng)該避免這樣的設(shè)計(jì)。如果不可避免，需要將5V的數(shù)字電源進(jìn)行很好的濾波后再供給模擬電路用。AD7606的去耦設(shè)計(jì)十分簡潔，僅需要9個(gè)電容，其中包括2個(gè)10uf，2個(gè)1uf，5個(gè)0.1uf。參考如圖5所示。

AD7606的引腳定義已經(jīng)考慮了PCB(印制板)設(shè)計(jì)中的布局布線。從引腳定義圖中可以看出，LQFP封裝的4個(gè)側(cè)邊，模擬輸入端Aln在一側(cè)，數(shù)據(jù)總線接口在另一側(cè)，其余兩側(cè)分別為控制和配置引腳。設(shè)計(jì)中只需要4層PCB板，就可以發(fā)揮AD7606的性能。疊層建議如圖6。表層和底層為走線層，中間兩個(gè)內(nèi)層分別為地平面、電源平面。除了疊層設(shè)計(jì)，AD7606的手冊(cè)中也給出了說明和示例。

AD7606測(cè)試結(jié)果

工程師一般比較關(guān)心ADC的峰峰值噪聲，圖7是將AD7606的輸入端接地后連續(xù)采集8192個(gè)點(diǎn)后實(shí)際得到的數(shù)據(jù)直方圖。左側(cè)為不采用過采樣時(shí)的結(jié)果，右側(cè)為設(shè)置為x8倍過采樣時(shí)的結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)采用過采樣后，可以明顯降低AD7606的峰峰值噪聲，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的信噪比。同時(shí)，AD7606也有著優(yōu)異的偏移誤差(Offset Error)和增益誤差(Gain Error)。當(dāng)然，僅評(píng)估ADc的峰峰值噪聲并不能代表ADc的全部性能，借助于更多的設(shè)備才能完整評(píng)估出ADc的全部性能。

AD7606在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

隨著中國政府不斷加大智能電網(wǎng)的部署，對(duì)電力二次設(shè)備的要求也越來越高，同時(shí)也促進(jìn)了作為電網(wǎng)運(yùn)行重要支撐的智能化變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展。每個(gè)智能化變電站可能包含若干個(gè)互感器，將待測(cè)的電壓和電流值通過互感器輸出到ADC。要準(zhǔn)確測(cè)量這些小信號(hào)必須選擇具有高SNR、高動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range)的ADC，同時(shí)多通道的數(shù)據(jù)采集還需要ADC具有同步采樣能力。

智能電網(wǎng)中對(duì)電力系統(tǒng)二次設(shè)備的需求，對(duì)于總ADc通道數(shù)往往會(huì)有不同，不同等級(jí)的設(shè)備甚至對(duì)分辨率的要求也略有不同。圖2是電力二次設(shè)備的一個(gè)典型設(shè)計(jì)，選用了2片AD7606及BlackFm ADSP-BF518的解決方案。借助該ADc家族中的一系列器件，針對(duì)不同的應(yīng)用需求，通過在料單中選擇不同的器件，相同的PCB就可以滿足16、14、12通道，以及16、14、18位分辨率等系統(tǒng)需求，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的平臺(tái)化。這對(duì)于電力系統(tǒng)設(shè)備的兼容設(shè)計(jì)、版本管理都有很好的幫助。另外，如果采用多片AD7606的設(shè)計(jì)，更可以滿足不同系統(tǒng)配置的要求。