1 AD7656的性能簡介
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和每通道達250kSPS的采樣率,并且在片內包含一個2.5V內部基準電壓源和基準緩沖器。該器件僅有典型值160mW的功耗,比最接近的同類雙極性輸入ADC的功耗降低了60％。
AD7656包含一個低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T／H),以便處理輸入頻率高達8MHz的信號。該AD7656還具有高速并行和串行接口,可以與微處理器(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)連接。AD7656在串行接口方式下,能提供一個菊花鏈連接方式,以便把多個ADC連接到一個串行接口上。
AD7656采用具有ADI專利技術的iCMOS(工業(yè)CMOS)工藝。iCMOS 工藝是一種高壓半導體工藝與亞微米CMOS(互補金屬氧化物半導體)和互補雙極型工藝相結合的制造上藝。它能開發(fā)出承受30V電源電壓的多種高性能模擬IC,并且其小封裝尺寸是任何其他同類高電壓IC都未曾達到的。與使用傳統(tǒng)CMOS工藝的模擬IC不同,iCMOS器件能承受高電源電壓,同時提高性能、顯著降低功耗和縮小封裝尺寸。AD7656是使用該種工藝設計制造的產品,所以非常適合在繼電保護、電機控制等工業(yè)領域使用。圖1是AD7656的內部原理框圖。
2 AD7656的工作原理
AD7656足具有獨立的六通道逐次逼近型(SAR)的模數(shù)轉換器,轉換處理和數(shù)據(jù)的精度是通過CONVST信號和一個內部晶振控制的。3個CONVST管腳允許3路ADC對獨立同步采樣。當3個CONVST管腳連接到一起時,就可以進行6個通道的同步采樣。 AD7656具有高速的并行和串行接口,允許其與Microprocessors和DSP進行接口。當使用串行接口模式時,AD7656具有的菊花鏈特性允許多個ADC和一個串行接口連接。由于在電力繼電保護產品中以并行接口連接設計為主,所以下面將以并行接口的連接方式介紹其工作原理。
圖2是AD7656在并行接口方式下的工作時序圖。首先,通過MCU或DSP控制CONVST管腳啟動轉換,并保持該信號為高電平。AD7656啟動轉換信號后會自動輸出BUSY信號,BUSY信號下降沿時,代表轉換已經(jīng)全部完成。此時,AD7656內部的6個寄存器中已經(jīng)保存了轉換的數(shù)據(jù),然后通過控制片選CS和讀RD信號依次順序讀出6個通道AD轉換值。 讀出AD轉換值后,改變CONVST為低電平信號。注意在設計時,一定要保證AD轉換過程中CONVST管腳保持高電平。
3 AD7656在電力繼電保護產品中的應用
當前,繼電保護產品在不斷地更新?lián)Q代并改變著設計模式。最初由于工藝和芯片等各方面因素的影響,第一代電力繼電保護產品均采用模擬開關,配合單通道16bit的ADC設計,例如AD976,AD574等AD轉換器產品;后來出現(xiàn)了使用16bit的AD7665和14bit的AD7685配合模擬開關的第二代繼電保護產品,AD7665和AD7865在當前很多電力繼電保護產品中仍有非常成功的應用案例;隨著技術的更新和產品工藝的改進,尤其是其±10V雙極多通道同步輸入等技術特點,使AD7656有望成為電力繼電保護的新一代產品。
3.1 AD7656前端模擬電路設計
AD7656可以支持輸入±10V雙極信號,按照經(jīng)典的設計理論,需要對前端信號進行抗混疊濾波。為了滿足16bit精度的要求,前端要選用高精度并且可以處理±10V雙極信號的運算放大器作信號處理和濾波。
3.2 AD7656電源設計
3.2.1 VDD和VSS
在AD7656的設計中,VDD和VSS主要作為采樣保持開關工作的電源,圖3是VDD和VSS工作的原理框圖。一般設計時,需要保證大于VINx模擬輸入端的輸入電壓范圍,才能保證AD可靠工作。表1是AD7656在不同條件下需要的最小值。
實際設計中,可以采用幾種方式得到VDD和VSS。一種方式是采用開關電源的方式來設計產生VDD和VSS;另一種是采用電荷泵的方式提供VDD和VSS;還有一種方式是使用DC-DC模塊來提供VDD和VSS。由于AD7656對于VDD的紋波比較敏感,會直接影響采樣得到的精度,所以,無論應用那種方式提供VDD和VSS,均要考慮較好的濾波系統(tǒng)。圖4是一種采用美國ADI公司生產的ADP1611提供VDD和VSS的DC-DC方案設計。‘
3.2.2 AVCC(AGND)和DVCC(DGND)
AVCC和DVCC是AD7656的模擬電壓輸入端和數(shù)字電壓輸入端。AD7656作為6通道獨立的同步采樣數(shù)據(jù)轉換器,在轉換過程中需要足夠的電能量,所以對于AVcc的去耦在設計中就顯得十分重要,后面將有具體描述。在實際電路設計中,可以單獨提供±15V(或是±12V)電壓給VDD和VSS電壓輸入端,同時提供+5V給AVCC模擬電壓端,通過濾波器(小電阻或磁珠)把AVCC連接到DVCC,然后再通過濾波器供給CPU系統(tǒng)+5V電源;或在提供±15V采樣電壓時,將+15V電壓使用DC／DC得到+5V電壓,供給AVCC和DVCC輸入端使用,而CPU系統(tǒng)則采用單獨的+5V電源。
在AVcCCDVCC的連接設計上,由于DVCC會引來一些數(shù)字噪聲給AVCC,影響AD7656的采樣性能。所以在AVCC和DVCC之間需要放置一個兒歐姆的小電阻或是一個小磁珠。加入小電阻或是磁珠后,在DVCC產生噪聲的頻點上,小電阻或是磁珠可以看成是高阻狀態(tài),能夠使正常的信號通過并濾除噪聲。
3.3 AD7656基準設計
AD7656具有10ppm的內部基準,對于一般的單芯片可以滿足設計需要。但是在多芯片產品設計中,由于不同芯片內部的基準提供的初始精度不同,所以溫度系數(shù)也會不同,為了得到更高的性能和可靠性,需要一個穩(wěn)定可靠的基準。ADR421具有2.5V輸入、lppm／℃的溫度系數(shù)、初始精度可以達到0.04％,是一款在電力繼電保護系統(tǒng)中成功應用的電壓基準芯片。ADI最新推出了同ADR421管腳完傘兼容的ADR441產品,其具有1ppm／℃的溫度系數(shù),0.04％的初始精度,而且僅僅1.21μV的p-p噪聲性能,也是十分適合電力繼電保護產品應用的電壓基準芯片。
3.4 AD7656的接地設計
3.4.1 單片AD7656接地方式
AD7656在單芯片設計時,接地需要采用系統(tǒng)單點接地方式。AD7656的AGND和DGND分別作為模擬電路和數(shù)字電路的平面地來處理。在AD7656的芯片下面進行接地處理。此時,AVCC和DVCC的電源采用不同的電源電路設計,如圖5所示。
3.4.2 多片AD7656接地方式
對于繼電保護產品需要采用多片AD7656使用的系統(tǒng),其接地方式和單片系統(tǒng)有很大差別。多片系統(tǒng)設計上把AD7656的AGND和DGND作為統(tǒng)一的模擬地平面處理,而把同AD7656接口的CPU處理器的電源地作為數(shù)字地平面處理,采用系統(tǒng)單點接地方式時,需要在同多片AD7656距離接近的地方作為接地點。同時應注意,ACND和DGND是單獨通過各自的過孔連接到模擬地平面的,如圖6所示。
3.5 AD7656系統(tǒng)的電容設計
AD7656在轉換過程中,對于電容的要求比較嚴格,主要原因是模數(shù)轉換器在轉換過程中需要足夠的電能量保證其完整正確地把模擬信號轉換成為數(shù)字信號。由于AD7656有6個獨立通道的ADC,所以6個通道同步轉換的過程中,需要較多的瞬態(tài)電流從AVCC流入AD,因此需要較多的能量保證AVCC的電源電壓的供給,所以在設計上需要配置足夠的電容。不恰當?shù)碾娙菰O計和電路板設計會對電路的整體性能造成很大的影響。通過實際的測試和試驗,推薦以下幾種設計方案。
3.5.1 方案一
圖7是推薦的可以得到最好性能的電容設計。主要的設計要求包括：
(1) VDD,VSS,Vdrive,DVCC,REFCAPA,REFCAPB,REFCAPC,REFIN／OUT管腳都需要一個100nF和10μF的去耦電容;
(2) 每個AVCC管腳需要配置一個100nF和一個10μF的去耦電容;
(3) 在AVCC的板級輸人端加入一個推薦為22μF以上的去耦電容;
(4) 設計單獨的AVCC電源平面。
3.5.2 方案二
通過一些試驗證明,方案一對于設計電路板的排布是一個十分艱巨的任務,為了減少對于板級面積的壓力,設計了方案二。其基本可以達到方案一的效果,電路與方案一類似,設計差別為：
(1) 每個AVCC管腳需要配置一個10μF的去耦電容;
(2) 每個AVCC管腳需要單獨通過過孔連接到AVCC電源平面。
3.5.3 方案三
方案三是更加簡潔的設計方案,是在方案一基礎上建立的,具體差別為：
(1) 把6個ADC的AVCC電源管腳分成3組,每組放置一個100μF的去耦電容;
(2) 不需要較大的去耦電容放置在板級AVCC輸入端。
3.6 其他設計注意事項
3.6.1 復位問題
用AD7656進行產品設計的時候,要注意到一點：無論采取硬件模式或軟件模式,在AD7656上電后必須對其進行復位,復位脈沖一般在100ns以上。
3.6.2 Vdrive連接問題
Vdrive管腳主要用于控制總線上的電壓信號,一般與所用I／O總線的電壓一致,所以可以提供3.3V或是5V。
3.6.3 總線緩沖問題
在設計中建議加入一級緩沖,主要為了防止由于數(shù)字噪聲耦合到電源對A／D轉換產生影響,推薦設計使用ADI公司的ADG3308。ADG3308是一款ADI公司最新推出的用于總線電平轉換和隔離的芯片,能在1.2V～5.5V的電源系統(tǒng)中以40Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。與其他解決方案不同,ADG3308不需要用DIR引腳選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?它接受該器件中每一個具體通道執(zhí)行的自動檢測,從而允許同時讀和寫信號,設計上簡單方便。
總之,AD7656作為6通道、同步采樣的16bit AD轉換器產品,是專為針對電力繼電保護和電機控制設計量身定做的一款產品,同時也適用于電力故障錄波、負控終端等產品的設計和應用。
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