AD7656的原理及在继电保护产品中的应用

1 AD7656的性能简介
AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC，它具有最大4 LSBS INL和每通道达250kSPS的采样率，并且在片内包含一个2.5V内部基准电压源和基准缓冲器。该器件仅有典型值160mW的功耗，比最接近的同类双极性输入ADC的功耗降低了60%。

AD7656包含一个低噪声、宽带采样保持放大器(T／H)，以便处理输入频率高达8MHz的信号。该AD7656还具有高速并行和串行接口，可以与微处理器(MCU)或数字信号处理器(DSP)连接。AD7656在串行接口方式下，能提供一个菊花链连接方式，以便把多个ADC连接到一个串行接口上。

AD7656采用具有ADI专利技术的iCMOS(工业CMOS)工艺。iCMOS 工艺是一种高压半导体工艺与亚微米CMOS(互补金属氧化物半导体)和互补双极型工艺相结合的制造上艺。它能开发出承受30V电源电压的多种高性能模拟IC，并且其小封装尺寸是任何其他同类高电压IC都未曾达到的。与使用传统CMOS工艺的模拟IC不同，iCMOS器件能承受高电源电压，同时提高性能、显著降低功耗和缩小封装尺寸。AD7656是使用该种工艺设计制造的产品，所以非常适合在继电保护、电机控制等工业领域使用。图1是AD7656的内部原理框图。


2 AD7656的工作原理

AD7656足具有独立的六通道逐次逼近型(SAR)的模数转换器，转换处理和数据的精度是通过CONVST信号和一个内部晶振控制的。3个CONVST管脚允许3路ADC对独立同步采样。当3个CONVST管脚连接到一起时，就可以进行6个通道的同步采样。 AD7656具有高速的并行和串行接口，允许其与Microprocessors和DSP进行接口。当使用串行接口模式时，AD7656具有的菊花链特性允许多个ADC和一个串行接口连接。由于在电力继电保护产品中以并行接口连接设计为主，所以下面将以并行接口的连接方式介绍其工作原理。

图2是AD7656在并行接口方式下的工作时序图。首先，通过MCU或DSP控制CONVST管脚启动转换，并保持该信号为高电平。AD7656启动转换信号后会自动输出BUSY信号，BUSY信号下降沿时，代表转换已经全部完成。此时，AD7656内部的6个寄存器中已经保存了转换的数据，然后通过控制片选CS和读RD信号依次顺序读出6个通道AD转换值。 读出AD转换值后，改变CONVST为低电平信号。注意在设计时，一定要保证AD转换过程中CONVST管脚保持高电平。


3 AD7656在电力继电保护产品中的应用

当前，继电保护产品在不断地更新换代并改变着设计模式。最初由于工艺和芯片等各方面因素的影响，第一代电力继电保护产品均采用模拟开关，配合单通道16bit的ADC设计，例如AD976，AD574等AD转换器产品；后来出现了使用16bit的AD7665和14bit的AD7685配合模拟开关的第二代继电保护产品，AD7665和AD7865在当前很多电力继电保护产品中仍有非常成功的应用案例；随着技术的更新和产品工艺的改进，尤其是其±10V双极多通道同步输入等技术特点，使AD7656有望成为电力继电保护的新一代产品。

3.1 AD7656前端模拟电路设计

AD7656可以支持输入±10V双极信号，按照经典的设计理论，需要对前端信号进行抗混叠滤波。为了满足16bit精度的要求，前端要选用高精度并且可以处理±10V双极信号的运算放大器作信号处理和滤波。

3.2 AD7656电源设计

3.2.1 VDD和VSS

在AD7656的设计中，VDD和VSS主要作为采样保持开关工作的电源，图3是VDD和VSS工作的原理框图。一般设计时，需要保证大于VINx模拟输入端的输入电压范围，才能保证AD可靠工作。表1是AD7656在不同条件下需要的最小值。


实际设计中，可以采用几种方式得到VDD和VSS。一种方式是采用开关电源的方式来设计产生VDD和VSS；另一种是采用电荷泵的方式提供VDD和VSS；还有一种方式是使用DC-DC模块来提供VDD和VSS。由于AD7656对于VDD的纹波比较敏感，会直接影响采样得到的精度，所以，无论应用那种方式提供VDD和VSS，均要考虑较好的滤波系统。图4是一种采用美国ADI公司生产的ADP1611提供VDD和VSS的DC-DC方案设计。


3.2.2 AVCC(AGND)和DVCC(DGND)

AVCC和DVCC是AD7656的模拟电压输入端和数字电压输入端。AD7656作为6通道独立的同步采样数据转换器，在转换过程中需要足够的电能量，所以对于AVcc的去耦在设计中就显得十分重要，后面将有具体描述。在实际电路设计中，可以单独提供±15V(或是±12V)电压给VDD和VSS电压输入端，同时提供+5V给AVCC模拟电压端，通过滤波器(小电阻或磁珠)把AVCC连接到DVCC，然后再通过滤波器供给CPU系统+5V电源；或在提供±15V采样电压时，将+15V电压使用DC／DC得到+5V电压，供给AVCC和DVCC输入端使用，而CPU系统则采用单独的+5V电源。

在AVcCCDVCC的连接设计上，由于DVCC会引来一些数字噪声给AVCC，影响AD7656的采样性能。所以在AVCC和DVCC之间需要放置一个儿欧姆的小电阻或是一个小磁珠。加入小电阻或是磁珠后，在DVCC产生噪声的频点上，小电阻或是磁珠可以看成是高阻状态，能够使正常的信号通过并滤除噪声。