16位逐次逼近型ADC ADS834實現(xiàn)高壓側(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設計

互感器主要用于電力系統(tǒng)基本參數(shù)的測量，同時為電力系統(tǒng)的計量、保護與監(jiān)控單元提供信號。隨著電力系統(tǒng)輸電容量的增長和電網(wǎng)電壓等級的提高，基于電磁式原理的傳統(tǒng)互感器漸漸不能滿足電力系統(tǒng)飛速發(fā)展的需要，呈現(xiàn)出一系列自身難以克服的缺陷。隨著信息技術和計算機技術的高速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術已逐漸成為一門主流技術，并在許多領域得到廣泛應用。再加上光纖通信技術和傳感技術的日趨成熟完善，使得研制新型的電力互感器成為可能。本文介紹的電子式互感器是運用Ｒｏｇｏｗｓｋｉ線圈測量電流，利用電容分壓原理測量電壓，采用高速低耗Ａ／Ｄ芯片和ＤＳＰ處理器完成高壓側(cè)數(shù)據(jù)的實時處理，再經(jīng)Ｅ／Ｏ變換，以光纖作為信號傳輸媒質(zhì)，把高壓側(cè)轉(zhuǎn)換的脈沖信號傳輸?shù)降蛪簜?cè)進行測量保護的混合型電子式光電組合互感器。

１、電子式互感器高壓側(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

電子式互感器高壓側(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由信號預處理、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、ＤＳＰ主控和Ｅ／Ｏ轉(zhuǎn)換四部分組成。信號預處理部分接收各種傳感頭測量的模擬信號并對其進行一些預處理。比如：Ｒｏｇｏｗｓｋｉ線圈感應的電動勢需經(jīng)一積分器變換成與一次電流同相位成正比的電壓信號；傳感頭測量的模擬信號必須經(jīng)過調(diào)壓，且要考慮一定的裕度，使其符合Ａ／Ｄ芯片模擬通道的允許輸入范圍。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換部分主要是在ＤＳＰ主控芯片的控制下實時將模擬信號變換成數(shù)字信號。Ｅ／Ｏ轉(zhuǎn)換部分是將數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制變成光脈沖信號，然后由光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)。

２、ＡＤＳ８３４４的主要特點

２．１ ＡＤＳ８３４４的結(jié)構特點

ＡＤＳ８３４４是一個高速、低功耗、16位逐次逼近型ＡＤＣ，采用２．７Ｖ至５Ｖ單電源供電，最大采樣速率為１００ｋＨｚ，信噪比達８４ｄＢ？帶有串行接口，它包含８個單端模擬輸入通道（ＣＨ０～ＣＨ７）？也可合成為４個差分輸入。１００ｋＨｚ時的典型功耗為１０ｍＶ。參考電壓ＶＲＥＦ的范圍從５００ｍＶ到ＶＣＣ，相應的每個模擬通道的輸入從０Ｖ到ＶＲＥＦ。自帶采樣／保持功能，采用２０引腳ＱＳＤＰ封裝或２０引腳ＳＳＯＰ封裝，工作溫度范圍為－４０℃～＋８５℃。該芯片適合應用在電池供電系統(tǒng)（如個人數(shù)字助理、移動通信）和測試裝置中。

ＡＤＳ８３４４主要由多路轉(zhuǎn)換開關、采樣／保持器、參考電壓、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、比較器、控制邏輯電路和逐次逼近寄存器（ＳＡＲ）等部分組成，其內(nèi)部結(jié)構原理如圖１所示。

２．２ ＡＤＳ８３４４的引腳排列及說明

ＡＤＳ８３４４的引腳排列如圖２所示，各引腳說明如下：

ＣＨ０～ＣＨ７：模擬輸入通道的輸入端，８個單端模擬輸入通道可合用為雙端差分輸入，所有通道的輸入范圍從０Ｖ到＋ＶＲＥＦ，未用的輸入通道應接ＧＮＤ以避免噪聲輸入。

ＣＯＭ：模擬輸入的參考地，單端輸入通道的零地位點，直接接地或接地電位參考點。

ＳＨＤＮ：掉電控制位，當為低時，芯片切換到低功耗掉電模式。

＋ＶＣＣ：電源輸入端，范圍為＋２．７Ｖ～＋５Ｖ。

ＤＯＵＴ：串行數(shù)據(jù)輸出端，在ＤＣＬＫ的下降沿時數(shù)據(jù)輸出，當ＣＳ為高時，輸出為高阻態(tài)。

ＤＩＮ：串行數(shù)據(jù)輸入端，當ＣＳ為低時，數(shù)據(jù)在ＤＣＬＫ的上升沿被鎖存。

ＤＣＬＫ：外部時鐘輸入端，該外部時鐘決定了芯片的轉(zhuǎn)換率（ｆＤＣＬＫ＝２４ｆＳＡＭＰＬＥ）。

ＣＳ：片選端，為低電平時，選中該芯片。

ＧＮＤ：參考地。

ＶＲＥＦ：參考電源輸入端。

ＢＵＳＹ：模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出引腳。當進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，該引腳輸出低電平，當ＢＵＳＹ端產(chǎn)生一下降沿時，表示模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)輸出有效。

２．３ ＡＤＳ８３４４的工作特點

ＡＤＳ８３４４的控制寄存器是一個８位只寫寄存器，數(shù)據(jù)從ＤＩＮ引腳輸入，當微機讀取完上次轉(zhuǎn)換結(jié)果時，下一個轉(zhuǎn)換通道的控制字節(jié)就寫到了ＤＩＮ引腳，需要８個ＤＣＬＫ時鐘才能將完整的控制信息寫到控制寄存器?？刂萍拇嫫鞲魑还δ苷f明如下：

Ｓ：控制字節(jié)的開始位，為高時才表示輸入的字節(jié)有效。

Ａ２～Ａ０：模擬輸入通道選擇位。

ＳＧＬ／ＤＩＦ：模擬通道輸入方式選擇位。當為高時，為單端輸入；為低時，為雙端差分輸入。

ＰＤ１～ＰＤ０：功率管理選擇位。

（１）模擬通道的輸入方式

ＡＤＳ８３４４的８個模擬輸入通道可以設置成單端輸入或差分輸入。單端輸入時，各個模擬通道均輸入＋ＩＮ信號，而從ＣＯＭ引腳接入－ＩＮ信號。雙端差分輸入時，通道ＣＨＯ和ＣＨ４、ＣＨ１和ＣＨ５、ＣＨ２和ＣＨ６、ＣＨ３和ＣＨ７組合成差分輸入。當芯片進入保持階段時，＋ＩＮ和－ＩＮ的差分輸入信號送到內(nèi)部的電容器陣列上。－ＩＮ輸入的電壓范圍為－０．２Ｖ～＋１．２５Ｖ，＋ＩＮ輸入電壓范圍為－０．２Ｖ到＋ＶＣＣ＋０．２Ｖ。例如：若參考基準電壓為１．２５Ｖ， 而ＣＯＭ引腳接地，則單端輸入通道的電壓范圍為０Ｖ～＋１．２５Ｖ；若基準輸入電壓為３．３Ｖ，而ＣＯＭ引腳接＋０．５Ｖ，則單端輸入通道的輸入電壓范圍為＋０．５Ｖ ～＋３．８Ｖ。

（２）功率管理方式

ＡＤＳ８３４４提供了靈活的功率管理模式，允許用戶在給定的通過率下獲得最佳的功率性能，可以通過對控制寄存器功率位ＰＤ０和ＰＤ１的編程設置來進行芯片的功耗管理。ＰＤ０＝０，ＰＤ１＝０時為自動關斷模式。在這種模式下，ＡＤＳ８３４４在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時自動進入低功耗模式，當下一次轉(zhuǎn)換開始時，芯片立即全部上電，不需要額外的延時，并且第一次轉(zhuǎn)換是有效的；ＰＤ０＝０，ＰＤ１＝１時為內(nèi)部時鐘模式；ＰＤ０＝１，ＰＤ１＝０時為預留模式；ＰＤ０＝１，ＰＤ１＝１時為完全功率模式，這種模式下的芯片總是上電的。

（３）時鐘方式

ＡＤＳ８３４４可以由內(nèi)部時鐘執(zhí)行逐次轉(zhuǎn)換，也可以由外部時鐘來執(zhí)行，而在這兩種模式下，都是由外部時鐘來控制芯片數(shù)據(jù)的輸入／輸出。如果用戶想更換芯片的時鐘模式，則在芯片轉(zhuǎn)換到新的模式之前需要一個額外的轉(zhuǎn)換周期，因為ＰＤ０和ＰＤ１功率管理選擇位必須在時鐘模式轉(zhuǎn)換前被提前寫入到ＡＤＳ８３４４的控制寄存器。

在外部時鐘模式下，外部輸入時鐘不僅控制了數(shù)據(jù)輸入／輸出芯片，而且也決定了Ａ／Ｄ芯片的轉(zhuǎn)換速率。在內(nèi)部時鐘模式下，ＡＤＳ８３４４芯片自行產(chǎn)生時鐘信號，這樣所連接的微機就不需產(chǎn)生ＳＡＲ的轉(zhuǎn)換時鐘，轉(zhuǎn)換結(jié)果可以方便地輸出到微機。

３、ＡＤＳ８３４４的典型應用

本文介紹的電子式互感器高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用ＴＭＳ ３２０ＬＣ５４５作為主控芯片，選用ＡＤＳ８３４４芯片實現(xiàn)對傳感頭輸出的各路模擬信號的實時采集和模數(shù)變換。高壓側(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要工作流程是：接收傳感頭輸出的模擬信號并進行預處理，然后送到Ａ／Ｄ芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后經(jīng)過Ｅ／Ｏ變換成光信號輸出到光纖傳輸系統(tǒng)。

ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５是１６位定點低功耗的數(shù)字處理器，工作電壓為＋３．３Ｖ，片內(nèi)ＲＡＭ為６ｋＢ，片外ＲＯＭ為４８ｋＢ，內(nèi)含一個標準串行口和一個緩沖串行口。兩者的接口設計如圖３所示。ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的串行端口用內(nèi)部的ＣＬＫＸ？串行時鐘？和ＦＳＸ（幀同步時鐘）配置為突發(fā)模式下工作，串行口寄存器ＳＰＣ設置如下：ＦＯ＝０，串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)都是１６位；ＦＳＭ＝１，串行口工作在字符組方式，每發(fā)送／接收一個字都要求一個幀同步脈沖ＦＳＸ／ＦＳＲ；ＭＣＭ＝０，ＣＬＫＸ采用外部時鐘，該外部時鐘由低壓側(cè)通過光纖送上來，可確保高、低壓側(cè)時鐘一致；ＴＸＭ＝１，將ＦＳＸ設置成輸出，每次發(fā)送數(shù)據(jù)時由片內(nèi)產(chǎn)生一個幀同步脈沖輸出。ＡＤＳ８３４４的ＣＳ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＦＳＸ和ＦＳＲ，使數(shù)據(jù)輸入和輸出的幀脈沖信號均由ＤＳＰ產(chǎn)生；ＡＤＳ８３４４的ＤＣＬＫ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＣＬＫＸ和ＣＬＫＲ，從而使數(shù)據(jù)輸入和輸出的同步時鐘均來自ＤＳＰ；ＡＤＳ８３４４的ＢＵＳＹ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＢＩＯ，當ＢＵＳＹ產(chǎn)生下降沿信號時，則通知ＤＳＰ可以開始接收轉(zhuǎn)換結(jié)果了。

ＡＤＳ８３４４的串行接口時序如圖４所示。當ＣＳ為低時，ＡＤＳ８３４４ 通過ＤＩＮ引腳接收由ＤＳＰ芯片ＤＸ引腳發(fā)送過來的串行數(shù)據(jù)，并寫入Ａ／Ｄ芯片的控制寄存器，這需要８個ＤＣＬＫ時鐘，前４個時鐘周期用于接收控制字節(jié)的開始位和通道選擇位，當接收接下來的４個控制位時芯片同時對所選通道采樣，采樣完成后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當 ＢＵＳＹ產(chǎn)生一下降沿信號后ＤＳＰ開始接收由ＤＯＵＴ輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果，１６位串行數(shù)據(jù)需要１６個ＤＣＬＫ時鐘，在接收串行數(shù)據(jù)的ＬＳＢ位時，下一個通道的控制字開始輸入到Ａ／Ｄ芯片。這樣，ＡＤＳ８３４４完成一次完整的數(shù)據(jù)采樣保持、轉(zhuǎn)換和輸出共需要２５個ＤＣＬＫ時鐘。

４、結(jié)論

電子式互感器具有傳統(tǒng)電磁式互感器無可比擬的優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)電壓、電流測量保護中有著廣闊的發(fā)展?jié)摿?。ＡＤＳ８３４４所具有?a target="_blank">高精度、低功耗、多通道特性使之很適合應用在電子式互感器高壓側(cè)來完成數(shù)據(jù)的實時采集和轉(zhuǎn)換。

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