12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864在電網(wǎng)諧波分析儀中的應(yīng)用分析

ADS7864是Burr-Brown公司開(kāi)發(fā)的12位6通道A/D轉(zhuǎn)換器，介紹了ADS7864的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作模式及編程要點(diǎn)，給出了ADS7864在電網(wǎng)諧波分析儀中與數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F206的接口應(yīng)用實(shí)例，并且對(duì)DSP與A/D轉(zhuǎn)換器的接口特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

1 引言

隨著用電量的增加，電網(wǎng)的諧波污染變得日益嚴(yán)重，這就要求電力監(jiān)控設(shè)備能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)電網(wǎng)諧波分量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在筆者研制的電網(wǎng)諧波分析儀中，使用ADS7864對(duì)各相關(guān)點(diǎn)的波形信號(hào)進(jìn)行采集。實(shí)踐表明，ADS7864的采樣精度及穩(wěn)定性是令人滿意的。

ADS7864是Burr-Brown公司(已被德州儀器收購(gòu))開(kāi)發(fā)的12位6通道A/D轉(zhuǎn)換器，其主要特點(diǎn)如下：

6個(gè)模擬輸入通道同時(shí)采樣與保持；

2μs轉(zhuǎn)換時(shí)間，500 kS/s采樣速率；

全差分輸入；

功耗低，為50mW；

6個(gè)FIF0寄存器；

全硬件控制。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳說(shuō)明

圖1所示為ADS7864內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，該器件含有2個(gè)2μs的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6個(gè)差分采樣與保持放大器、1個(gè)帶REFIN和REFOUT引腳的+2.5V內(nèi)部電壓基準(zhǔn)以及1個(gè)高速并行接口。6個(gè)模擬輸入通道分成3對(duì)(A、B、C)。每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器都有3對(duì)輸入端(A0/A1、B0/B1、C0/C1)，可以同時(shí)采樣、轉(zhuǎn)換，因此可以保持兩個(gè)模擬輸入信號(hào)的相對(duì)相位信息。每對(duì)通道都有一個(gè)保持信號(hào)(HOLDA、HOLDB、HOLDC)使6個(gè)通道上的采樣可同時(shí)進(jìn)行。圖2為ADS7864的引腳封裝圖，其引腳說(shuō)明如表l所示。

ADS7864既可以使用內(nèi)部參考電壓源，也可以使用外部參考電壓源。從圖1可以看出，當(dāng)使用內(nèi)部2.5 V參考電壓源時(shí)，REFOUT引腳應(yīng)該連接至REFIN引腳，這是一種常用方式。當(dāng)輸入模擬信號(hào)為2.4V~5.2 V之間時(shí)，可以使用1.2 V~2.6 V范圍內(nèi)的外部參考電壓源。

ADS7864只采用外部時(shí)鐘(CIDCK)，當(dāng)外部時(shí)鐘為8 MHz時(shí)，A/D采樣速率為500 kHz，與2μs的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間相對(duì)應(yīng)。

3 工作及控制模式

與MAXl97不同，ADS7864不采用寄存器進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制，而是完全依靠外部引腳進(jìn)行控制，雖然控制比較簡(jiǎn)單，但是卻需占用部分硬件資源。

(1)A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)

ADS7864的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制使用HOLDx引腳(HOLDA、HOLDB、HOLDC)，將一個(gè)或者所有的HOLDx信號(hào)拉低，則相應(yīng)通道x的輸入數(shù)據(jù)立即被置為保持模式，通道x的轉(zhuǎn)換隨即開(kāi)始。如果其他通道已處于保持模式但還沒(méi)有開(kāi)始轉(zhuǎn)換，通道x的轉(zhuǎn)換則需列隊(duì)等候直到上一輪轉(zhuǎn)換完成為止。如果在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)不止一個(gè)通道進(jìn)入保持模式，并且HOLDA也是被觸發(fā)的保持信號(hào)時(shí)，通道A將首先開(kāi)始轉(zhuǎn)換，接著是通道B，最后是通道C。一旦某個(gè)特定的保持信號(hào)變?yōu)榈停潆S后的脈沖將被忽略，直到這次轉(zhuǎn)換完成或器件復(fù)位。

在轉(zhuǎn)換完成時(shí)(BUSY信號(hào)變高)，采樣開(kāi)關(guān)將關(guān)閉并且對(duì)選擇的通道進(jìn)行采樣。延遲隨后的轉(zhuǎn)換，以便對(duì)ADS7864的輸入電容完全充電。延遲時(shí)間取決于驅(qū)動(dòng)放大器，但應(yīng)該至少有175 ns。

(2)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取

ADS7864有3種不同的數(shù)據(jù)輸出模式，用A2、A1和A0引腳選擇。如表2所列。

第一種是地址模式，在(A2 Al A0)=從000到101時(shí)，可以直接對(duì)特定的通道尋址。該通道的地址在RD的下降沿之前應(yīng)保持至少10 ns，并且只要RD為低就不能改變。

第二種是循環(huán)模式，在(A2 A1 AO)=110時(shí)，接口以循環(huán)模式工作。此時(shí)，數(shù)據(jù)在第一個(gè)RD信號(hào)時(shí)從通道AO讀取，接著是通道A1，隨后是B0、B1、CO，最后是Cl(再次讀取A0之前)。在一個(gè)復(fù)位信號(hào)之后或者對(duì)器件上電之后，通道A0的數(shù)據(jù)首先輸出。

第三種是FIFO模式，在(A2 A1 A0)=11l時(shí)，該模式中，先讀取首先被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。此時(shí)，如果某個(gè)特定的通道最受關(guān)注、轉(zhuǎn)換較頻繁(例如，獲取特定通道的歷史記錄)，則每個(gè)通道就有3個(gè)輸出寄存器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

ADS7864的輸出為16位，12位輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于DBll(最高有效位)到DB0(最低有效位)。當(dāng)DBll～DB0輸出有效數(shù)據(jù)時(shí)，DBl5為l。這點(diǎn)對(duì)于FIFO模式非常重要。在DBl5變?yōu)镺之前可以讀取有效數(shù)據(jù)。DBl4、DBl3、DBl2輸出通道地址，其具體信息與表2中A2、A1、AO的地址設(shè)置相對(duì)應(yīng)。

為了增加設(shè)計(jì)的靈活性，ADS7864支持不同寬度的數(shù)據(jù)總線。當(dāng)數(shù)據(jù)寬度控制端BYTE被置為高電平時(shí)，ADS7864的16位數(shù)據(jù)輸出端直接與16位數(shù)據(jù)總線相連；當(dāng)BYTE端被置為低電平時(shí)，可以與8位數(shù)據(jù)總線連接，在第一個(gè)RD信號(hào)時(shí)低8位數(shù)據(jù)在輸出引腳DB7到DB0上讀取，第二個(gè)RD信號(hào)時(shí)則讀取高8位數(shù)據(jù)。

4 在電網(wǎng)諧波分析儀中的應(yīng)用

電網(wǎng)諧波分析需要采集的數(shù)據(jù)包括三相線路的電壓、電流共6個(gè)量(對(duì)于每條輸電線路)，在以往的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用MAXl97進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但是MAXl97不具備多通道同時(shí)采樣保持功能，在轉(zhuǎn)換時(shí)不能保證6個(gè)模擬量采樣時(shí)間的一致性，影響了諧波分析的準(zhǔn)確性。

在諧波分析儀的設(shè)計(jì)中，使用了TI公司的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F206(采用20 MHz有源晶體振蕩器作為外部時(shí)鐘)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制和分析，由于DSP需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行每周期64點(diǎn)的連續(xù)FFT變換，運(yùn)算比較復(fù)雜，所以最理想的采樣數(shù)據(jù)位數(shù)應(yīng)該為12位，留出4位作為運(yùn)算時(shí)的溢出保護(hù)位，而不需要在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中頻繁地進(jìn)行歸一化處理。由于12位精度的ADS7864具有6通道同時(shí)保持放大、適中的轉(zhuǎn)換速率與精度以及雙極性輸入等特點(diǎn)，非常適用于電網(wǎng)諧波分析儀的數(shù)據(jù)采集。TMS320F206(以下簡(jiǎn)稱F206)與ADS7864的接口示意圖如圖3所示。

在許多相關(guān)文獻(xiàn)中，為保證DSP運(yùn)行速度與A/D轉(zhuǎn)換器響應(yīng)速度相匹配，往往采用片內(nèi)I/O口與A/D轉(zhuǎn)換器接口，依靠軟件實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的片選(CS)與數(shù)據(jù)讀取控制(RD)，這種方式雖然可保證操作的可靠性，但同時(shí)也占用了DSP上的I/O口資源，而且具有接口連接的A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)量非常有限。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，在電網(wǎng)諧波分析儀的硬件設(shè)計(jì)中F206與ADS7864仍然采用了傳統(tǒng)的地址譯碼片選的接口方式，將F206的I/O空間選擇端IS與地址線ADl2～ADl5先輸入可編程邏輯器件GAL22V10，再輸出片選信號(hào)CS。F206的RD端直接與ADS7864的讀數(shù)據(jù)控制端RD端連接。

由于F206外部數(shù)據(jù)總線為16位，可將ADS7864的輸出數(shù)據(jù)寬度控制端BYTE接地，16位輸出直接與F206的數(shù)據(jù)總線相連。

由于在電網(wǎng)諧波分析中要求同時(shí)對(duì)三相電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，所以ADS7864的采樣保持啟動(dòng)控制端HOLDA、HOLDB、HOLDC直接與F206的I01端連接，當(dāng)I01輸出低電平時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)三組6路信號(hào)的采樣保持并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。


在諧波分析儀的設(shè)計(jì)中，ADS7864的數(shù)據(jù)讀取采用地址模式，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，由ADS7864的BUSY端通過(guò)反相器向F206的INT2端發(fā)出中斷信號(hào)，完成一次6路信號(hào)的采樣轉(zhuǎn)換共響應(yīng)3次中斷，在每次中斷服務(wù)程序中讀取相應(yīng)地址的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)筆者長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)體會(huì)，在DSP與A/D轉(zhuǎn)換器接口的硬件與軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，有幾個(gè)帶有共性的問(wèn)題需要引起足夠的重視：

(1)地址建立時(shí)間對(duì)接口的影響

在微處理器系統(tǒng)中為保證正確讀取數(shù)據(jù)，在讀數(shù)據(jù)控制信號(hào)RD有效前，需要提前建立地址總線信號(hào)，這一時(shí)間稱為地址建立時(shí)間。在40 MHz主頻時(shí)，F(xiàn)206的地址建立時(shí)間最小值為8.5 ns，而ADS7864要求的地址建立時(shí)間至少為10 ns(使用8MHz外部時(shí)鐘時(shí)，下同)。顯然，由于地址建立時(shí)間的約束，F(xiàn)206在40 MHz主頻時(shí)不能采用傳統(tǒng)的地址譯碼片選方式與ADS7864接口，為保證時(shí)序的要求，必須使用I/0口。

當(dāng)F206工作在20 MHz主頻時(shí)，地址建立時(shí)間為2l ns，則可以采用傳統(tǒng)的地址譯碼片選方式與ADS7864接口，這也是本文實(shí)際應(yīng)用的接口方式。

(2)數(shù)據(jù)建立時(shí)間對(duì)接口的影響

為保證微處理器可靠地讀取數(shù)據(jù)，在距讀數(shù)據(jù)控制信號(hào)RD上升沿一段時(shí)間時(shí)，數(shù)據(jù)就應(yīng)穩(wěn)定地出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，這一時(shí)間稱為數(shù)據(jù)建立時(shí)間。在ADS7864中，要求讀數(shù)據(jù)控制信號(hào)RD和片選信號(hào)CS在輸出數(shù)據(jù)有效前必須保持低電平至少30 ns，但是當(dāng)工作在20 MHz主頻時(shí)，F(xiàn)206的讀數(shù)據(jù)控制信號(hào)RD所能提供的數(shù)據(jù)建立時(shí)間在20 MHz主潁時(shí)最少為30 ns，顯然是不能可靠滿足要求的，必須使用F206的軟件狀態(tài)等待發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生等待信號(hào)以讀取數(shù)據(jù)。

綜上所述，在DSP與A/D轉(zhuǎn)換器的接口設(shè)計(jì)中，只要仔細(xì)分析并充分考慮DSP運(yùn)行速度與A/D轉(zhuǎn)換器響應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系，并充分發(fā)揮DSP上軟件等待狀態(tài)發(fā)生器的作用，完全可以采用傳統(tǒng)的地址譯碼片選方式實(shí)現(xiàn)DSP與A/D轉(zhuǎn)換器之間的可靠接口，從而節(jié)約寶貴的I/O口資源。