AD7656的原理介绍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