【導讀】對于許多應用,監(jiān)控電力線意味著使用電流互感器和電阻分壓網(wǎng)絡,以便感測三相及零序的電流和電壓,如圖1所示。AD7606B具有高輸入阻抗,可以直接連接傳感器,并且它提供了所需的全部內(nèi)建輸入模塊,從而簡化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計。
AD7606B在片內(nèi)集成8個獨立的信號鏈,即使采用5 V單電源供電(數(shù)字接口電壓Vdrive不計),仍可接受±10 V或±5 V的真正雙極性模擬輸入信號。因此,無需使用外部驅(qū)動運算放大器和外部雙極性電源。
每個通道都由21 V模擬輸入箝位保護電路、具備5 MΩ輸入阻抗的電阻可編程增益放大器、一階抗混疊濾波器和16位SAR ADC組成。此外,還可包含一個過采樣率高達256的數(shù)字均值濾波器,以及一個低溫漂2.5 V基準電壓源,用于幫助構建完整的電力線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
除了提供完整的模擬信號鏈之外,AD7606B還提供許多校準和診斷功能,以改善系統(tǒng)級性能和可靠性。
圖1. 典型的電力線監(jiān)控應用中的AD7606B
直接傳感器接口
與AD7606不同,AD7606B的輸入阻抗已提高到5 MΩ,使其可以直接與多種傳感器接口,從而獲得兩個好處:
1. 降低外部串聯(lián)電阻(例如,濾波或電阻分壓網(wǎng)絡)導致的增益誤差。
2. 當傳感器斷開時,所看到的偏移量會減小,可以輕松實現(xiàn)傳感器斷開檢測功能。
外部電阻造成的增益誤差
進行工廠修整時,會嚴格控制PGA的RFB和RIN(一般為5 MΩ),確保準確設置AD7606B的增益。但是,如圖1所示,如果在前端放置一個外部電阻,那么實際增益與理想的修整RFB/RIN值之間會存在偏差。
RFILTER越高,增益誤差越大,這需要從控制器一側(cè)補償。但是,RIN越高,相同RFILTER產(chǎn)生的影響就越小。與AD7606具有1 MΩ輸入阻抗不同,AD7606B具有5 MΩ阻抗,這意味著在沒有任何校準的情況下,相同串聯(lián)電阻(RFILTER)的增益誤差會降低到約1/5,如圖2所示。
圖2. 串聯(lián)電阻導致的增益誤差。
但是,通過在軟件模式下使用AD7606B,系統(tǒng)增益誤差可以基于每個通道自動進行片內(nèi)補償,因此完全無需再在控制器一側(cè)實施任何增益校準計算。
傳感器斷開檢測
傳統(tǒng)上,將下拉電阻(RPD)與傳感器(圖1中所示的電流互感器)并聯(lián),用戶可通過監(jiān)測多個樣本(N)的ADC輸出代碼是否重復小于 20 LSBs,來檢測傳感器何時斷開。
建議采用比傳感器的源阻抗大得多的RPD,將該并聯(lián)電阻可能產(chǎn)生的誤差減至最小。但是,RPD越大,在傳感器斷開時生成的ADC輸出代碼也越大,這并非我們期望的結(jié)果。由于AD7606B的RIN比AD7606大,對于給定的RPD,如果傳感器斷開,ADC輸出代碼會降低(如圖3所示),從而降低了誤報的風險。
圖3. 傳感器與ADC的模擬輸入斷開連接時的偏置誤差。
進入AD7606B的軟件模式時,可以使用開路檢測功能,從而無需后端軟件來檢測傳感器斷開情況。編程設置樣本數(shù)量N(在圖4的示例中,N = 3)之后,如果模擬輸入保持由幾個樣本報告較小的直流值,算法會自動運行,并在模擬輸入信號斷開被判定為開路時,置一個標記位。
圖4. 傳感器斷開檢測
系統(tǒng)級性能
系統(tǒng)失調(diào)校準
使用一對外部電阻時,如圖1所示,它們之間出現(xiàn)任何不匹配都會導致產(chǎn)生偏移。傳感器短接至地時,該偏移可以測量為ADC輸出代碼。然后,可以通過編程設置對應的通道偏移寄存器,在轉(zhuǎn)換結(jié)果中增加或減去–128 LSBs至+127 LSBs偏移,以補償系統(tǒng)偏移。
系統(tǒng)相位校準
CONVST引腳用于管理模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動,以便同時在所有通道上觸發(fā)該流程。但是,對于通過電流互感器(CT)測量電流同時通過分壓電阻按比例縮小來測量電壓的應用,存在電流和電壓通道之間相位不匹配的情況。為了補償這種不匹配,AD7606B可以延遲任何通道(相對延遲大一點兒的通道)上的采樣時刻,以便將輸出信號調(diào)整到同相,如圖5所示。
圖5. 相位調(diào)整。
系統(tǒng)可靠性
為了提高系統(tǒng)的可靠性,在片內(nèi)增加了幾種診斷功能,包括:
1. 每個通道上的過壓/欠壓比較器。
2. 一種接口檢查,在每個通道上輸出固定的數(shù)據(jù),以驗證通信狀態(tài)。
3. 如果嘗試對無效寄存器實施寫入或讀取,則會發(fā)出SPI無效讀取/寫入警報。
4. 在轉(zhuǎn)換開始后,如果BUSY線持續(xù)的時間比正常時間長,則會發(fā)出BUSY STUCK HIGH警報。
5. 如果檢測到對內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器的完全、部分或上電復位,則發(fā)出復位檢測警報。
6. 可以對存儲器映射、ROM和每個接口通信實施CRC校驗,以確保正確初始化和/或操作。
總結(jié)
AD7606B為市場帶來了完整的芯片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)??蓪崿F(xiàn)所有的模擬前端內(nèi)建模塊。它提供了一套完整的高級診斷功能,以及增益、偏移和相位校準。因此,AD7606B降低了組件成本和系統(tǒng)設計的復雜性,從而簡化了電力線監(jiān)控應用設計。
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