ADS8344及其在电子式互感器高压侧数据处理系统中的应用

互感器主要用于电力系统基本参数的测量,同时为电力系统的计量､保护与监控单元提供信号｡随着电力系统输电容量的增长和电网电压等级的提高,基于电磁式原理的传统互感器渐渐不能满足电力系统飞速发展的需要,呈现出一系列自身难以克服的缺陷｡随着信息技术和计算机技术的高速发展,数字信号处理技术已逐渐成为一门主流技术,并在许多领域得到广泛应用｡再加上光纤通信技术和传感技术的日趋成熟完善,使得研制新型的电力互感器成为可能｡本文介绍的电子式互感器是运用Rogowski线圈测量电流?利用电容分压原理测量电压,采用高速低耗A/D芯片和DSP处理器完成高压侧数据的实时处理,再经E/O变换,以光纤作为信号传输媒质,把高压侧转换的脉冲信号传输到低压侧进行测量保护的混合型电子式光电组合互感器｡



1 电子式互感器高压侧数据处理系统  

电子式互感器高压侧数据处理系统主要由信号预处理､A/D转换､DSP主控和E/O转换四部分组成｡信号预处理部分接收各种传感头测量的模拟信号并对其进行一些预处理｡比如:Rogowski线圈感应的电动势需经一积分器变换成与一次电流同相位成正比的电压信号;传感头测量的模拟信号必须经过调压,且要考虑一定的裕度,使其符合A/D芯片模拟通道的允许输入范围｡A/D转换部分主要是在DSP主控芯片的控制下实时将模拟信号变换成数字信号｡E/O转换部分是将数字信号经过调制变成光脉冲信号,然后由光纤传输到低压侧｡

2 ADS8344的主要特点  

2.1 ADS8344的结构特点  

ADS8344是一个高速､低功耗､16位逐次逼近型ADC,采用2.7V至5V单电源供电,最大采样速率为100kHz,信噪比达84dB?带有串行接口,它包含8个单端模拟输入通道(CH0~CH7)?也可合成为4个差分输入｡100kHz时的典型功耗为10mV｡参考电压VREF的范围从500mV到VCC,相应的每个模拟通道的输入从0V到VREF｡自带采样/保持功能,采用20引脚QSDP封装或20引脚SSOP封装,工作温度范围为-40℃~+85℃｡该芯片适合应用在电池供电系统(如个人数字助理､移动通信)和测试装置中｡  

ADS8344主要由多路转换开关､采样/保持器､参考电压､A/D转换器､比较器､控制逻辑电路和逐次逼近寄存器(SAR)等部分组成,其内部结构原理如图1所示｡  

2.2 ADS8344的引脚排列及说明  

ADS8344的引脚排列如图2所示,各引脚说明如下:  

CH0~CH7:模拟输入通道的输入端,8个单端模拟输入通道可合用为双端差分输入,所有通道的输入范围从0V到+VREF,未用的输入通道应接GND以避免噪声输入｡
COM:模拟输入的参考地,单端输入通道的零地位点,直接接地或接地电位参考点｡  
SHDN:掉电控制位,当为低时,芯片切换到低功耗掉电模式｡  
+VCC:电源输入端,范围为+2.7V~+5V｡  
DOUT:串行数据输出端,在DCLK的下降沿时数据输出,当CS为高时,输出为高阻态｡  
DIN:串行数据输入端,当CS为低时,数据在DCLK的上升沿被锁存｡  
DCLK:外部时钟输入端,该外部时钟决定了芯片的转换率(fDCLK=24fSAMPLE)｡  
CS:片选端,为低电平时,选中该芯片｡  
GND:参考地｡  
VREF:参考电源输入端｡  
BUSY:模数转换状态输出引脚｡当进行模数转换时,该引脚输出低电平,当BUSY端产生一下降沿时,表示模数转换结束,数据输出有效｡  

  

2.3 ADS8344的工作特点  

ADS8344的控制寄存器是一个8位只写寄存器,数据从DIN引脚输入,当微机读取完上次转换结果时,下一个转换通道的控制字节就写到了DIN引脚,需要8个DCLK时钟才能将完整的控制信息写到控制寄存器｡控制寄存器各位功能说明如下:  


  
S:控制字节的开始位,为高时才表示输入的字节有效｡  
A2~A0:模拟输入通道选择位｡  
SGL/DIF:模拟通道输入方式选择位｡当为高时,为单端输入;为低时,为双端差分输入｡  
PD1~PD0:功率管理选择位｡  

(1)模拟通道的输入方式  

ADS8344的8个模拟输入通道可以设置成单端输入或差分输入｡单端输入时,各个模拟通道均输入+IN信号,而从COM引脚接入-IN信号｡双端差分输入时,通道CHO和CH4､CH1和CH5､CH2和CH6､CH3和CH7组合成差分输入｡当芯片进入保持阶段时,+IN和-IN的差分输入信号送到内部的电容器阵列上｡-IN输入的电压范围为-0.2V~+1.25V,+IN输入电压范围为-0.2V到+VCC+0.2V｡例如:若参考基准电压为1.25V, 而COM引脚接地,则单端输入通道的电压范围为0V~+1.25V;若基准输入电压为3.3V,而COM引脚接+0.5V,则单端输入通道的输入电压范围为+0.5V ~+3.8V｡  

(2)功率管理方式


  
ADS8344提供了灵活的功率管理模式,允许用户在给定的通过率下获得最佳的功率性能,可以通过对控制寄存器功率位PD0和PD1的编程设置来进行芯片的功耗管理｡PD0=0,PD1=0时为自动关断模式｡在这种模式下,ADS8344在每次转换结束时自动进入低功耗模式,当下一次转换开始时,芯片立即全部上电,不需要额外的延时,并且第一次转换是有效的;PD0=0,PD1=1时为内部时钟模式;PD0=1,PD1=0时为预留模式;PD0=1,PD1=1时为完全功率模式,这种模式下的芯片总是上电的｡  

(3)时钟方式  

ADS8344可以由内部时钟执行逐次转换,也可以由外部时钟来执行,而在这两种模式下,都是由外部时钟来控制芯片数据的输入/输出｡如果用户想更换芯片的时钟模式,则在芯片转换到新的模式之前需要一个额外的转换周期,因为PD0和PD1功率管理选择位必须在时钟模式转换前被提前写入到ADS8344的控制寄存器｡  

在外部时钟模式下,外部输入时钟不仅控制了数据输入/输出芯片,而且也决定了A/D芯片的转换速率｡在内部时钟模式下,ADS8344芯片自行产生时钟信号,这样所连接的微机就不需产生SAR的转换时钟,转换结果可以方便地输出到微机｡

3 ADS8344的典型应用  

本文介绍的电子式互感器高压侧数据采集系统采用TMS 320LC545作为主控芯片,选用ADS8344芯片实现对传感头输出的各路模拟信号的实时采集和模数变换｡高压侧数据处理系统的主要工作流程是:接收传感头输出的模拟信号并进行预处理,然后送到A/D芯片转换成数字信号,最后经过E/O变换成光信号输出到光纤传输系统｡  

TMS320LC545是16位定点低功耗的数字处理器,工作电压为+3.3V,片内RAM为6kB,片外ROM为48kB,内含一个标准串行口和一个缓冲串行口｡两者的接口设计如图3所示｡TMS320LC545的串行端口用内部的CLKX?串行时钟 和FSX(帧同步时钟)配置为突发模式下工作,串行口寄存器SPC设置如下:FO=0,串行口发送和接收数据都是16位;FSM=1,串行口工作在字符组方式,每发送/接收一个字都要求一个帧同步脉冲FSX/FSR;MCM=0,CLKX采用外部时钟,该外部时钟由低压侧通过光纤送上来,可确保高､低压侧时钟一致;TXM=1,将FSX设置成输出,每次发送数据时由片内产生一个帧同步脉冲输出｡ADS8344的CS接TMS320LC545的FSX和FSR,使数据输入和输出的帧脉冲信号均由DSP产生;ADS8344的DCLK接TMS320LC545的CLKX和CLKR,从而使数据输入和输出的同步时钟均来自DSP;ADS8344的BUSY接TMS320LC545的BIO,当BUSY产生下降沿信号时,则通知DSP可以开始接收转换结果了｡

ADS8344的串行接口时序如图4所示｡当CS为低时,ADS8344 通过DIN引脚接收由DSP芯片DX引脚发送过来的串行数据,并写入A/D芯片的控制寄存器,这需要8个DCLK时钟,前4个时钟周期用于接收控制字节的开始位和通道选择位,当接收接下来的4个控制位时芯片同时对所选通道采样,采样完成后进行模数转换,当 BUSY产生一下降沿信号后DSP开始接收由DOUT输出的转换结果,16位串行数据需要16个DCLK时钟,在接收串行数据的LSB位时,下一个通道的控制字开始输入到A/D芯片｡这样,ADS8344完成一次完整的数据采样保持､转换和输出共需要25个DCLK时钟｡

4 结论  

电子式互感器具有传统电磁式互感器无可比拟的优势,在电力系统电压､电流测量保护中有着广阔的发展潜力｡ADS8344所具有的高精度､低功耗､多通道特性使之很适合应用在电子式互感器高压侧来完成数据的实时采集和转换｡