逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器MAX115的工作原理和實(shí)際應(yīng)用分析

電力調(diào)度控制系統(tǒng)包括遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控四部分，數(shù)據(jù)采集屬于遙測(cè)部分。電力調(diào)度控制系統(tǒng)一般在現(xiàn)場(chǎng)采集四路電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)后需要進(jìn)行一系列的加、減、乘、除、平方、開(kāi)方運(yùn)算，這不僅要求ＣＰＵ的處理速度要快，而且對(duì)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的速度也提出了一定的要求。因此，有必要尋找一種轉(zhuǎn)換速度快、精度高、容易控制的轉(zhuǎn)換器來(lái)完成系統(tǒng)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換。ＭＡＸ１１５是面向１６位和３２位微處理器設(shè)計(jì)的８通道逐次逼近型Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。相對(duì)于其它多通道Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)？ＭＡＸ１１５的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)真正的多通道同步采樣，因此可以很好地應(yīng)用在分布式ＲＴＵ系統(tǒng)中。

ＭＡＸ１１５內(nèi)部含有四個(gè)同步采樣／保持放大器和四個(gè)二選一電路？具有８?jìng)€(gè)單獨(dú)的輸入？？每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換速度為２μｓ，采樣速率為３９０ｋｓｐｓ（單通道）、２１８ｋｓｐｓ（雙通道）、１５２ｋｓｐｓ（３通道）、１５２ｋｓｐｓ（４通道）輸入模擬電壓為：±５Ｖ，各通道均有過(guò)壓保護(hù)功能（±１７Ｖ），同時(shí)片內(nèi)含有２．５Ｖ參考電壓和可編程時(shí)序發(fā)生器，此外， ＭＡＸ１１５還帶有高速并行ＤＳＰ接口，器件內(nèi)部可提供１０ＭＨｚ時(shí)鐘。

１ ＭＡＸ１１５的工作原理

ＭＡＸ１１５內(nèi)部含有一個(gè)逐次逼近型Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和四個(gè)采樣／保持放大器？每個(gè)采樣／保持放大器均與一個(gè)二選一開(kāi)關(guān)相連。因此，ＭＡＸ１１５共有８?jìng)€(gè)輸入通道，通過(guò)對(duì)內(nèi)部時(shí)序發(fā)生器的編程可以使用Ａ、 Ｂ兩組采樣／保持放大器中的一組對(duì)一路到四路輸入進(jìn)行同步監(jiān)視，其結(jié)果存儲(chǔ)在片內(nèi)ＲＡＭ里。

２ ＭＡＸ１１５的基本操作

２．１ 通道選擇

ＭＡＸ１１５的輸入數(shù)據(jù)線Ａ０～Ａ３的高兩位與輸出數(shù)據(jù)線Ｄ０～Ｄ１１的低兩位通過(guò)三態(tài)門復(fù)用，向Ａ０～Ａ３寫入數(shù)據(jù)可控制８?jìng)€(gè)通道的選通。ＭＡＸ１１５共有８種轉(zhuǎn)換模式及一個(gè)節(jié)電模式。系統(tǒng)上電后，默認(rèn)ＣＨ１Ａ為轉(zhuǎn)換通道，也可以通過(guò)向Ａ０～Ａ３寫控制字來(lái)選通轉(zhuǎn)換通道。芯片的通道選擇如表１所列。

表1 MAX115的通道選擇方式

向ＭＡＸ１１５輸入轉(zhuǎn)換指令時(shí)，應(yīng)將ＣＳ拉低并對(duì)Ａ０～Ａ３數(shù)據(jù)線編程。然后再給ＷＲ一個(gè)低脈沖，編程指令在ＷＲ或ＣＳ的上升沿被鎖存。這時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器做好了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)備。一旦轉(zhuǎn)換程序開(kāi)始執(zhí)行，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將在指定方式下連續(xù)執(zhí)行轉(zhuǎn)換，直到重新編程或斷電為止。

２．２ 模數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)

選擇了轉(zhuǎn)換通道后，再給ＣＯＮＶＳＴ一個(gè)低電壓，芯片將啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換過(guò)程。此后，模擬輸入將在ＣＯＮＶＳＴ上升沿被采樣，此時(shí)由于采樣／保持放大器被置成保持模式，附加的ＣＯＮＶＳＴ脈沖被忽略，因此在最后的轉(zhuǎn)換完成以前，電路不能進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換。若是單通道轉(zhuǎn)換，那么Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)束后，中斷信號(hào)ＩＮＴ將變低以指示轉(zhuǎn)換已完成。若是多通道轉(zhuǎn)換，則最后一個(gè)通道Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)束后， ＩＮＴ才變低。這種模式下，測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)視ＩＮＴ信號(hào)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。

２．３ 讀數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)是以順序方式來(lái)讀取的。單通道工作只需執(zhí)行一次讀操作，而在多通道時(shí)，在ＲＤ腳上連續(xù)加脈沖就能順序取得ＣＨ１－ＣＨ４的轉(zhuǎn)換結(jié)果。連續(xù)讀時(shí)，ＣＳ要保持低電平。無(wú)論芯片工作在何種方式，在進(jìn)行了四次讀操作后，其內(nèi)部地址指針都會(huì)重新指向ＣＨ１。ＣＯＮＶＳＴ被置低時(shí)，內(nèi)部地址指針也會(huì)重新指向ＣＨ１。

２．４ 時(shí)鐘

ＭＡＸ１１５內(nèi)部含有頻率為１０ＭＨｚ的時(shí)鐘電路，把ＣＬＫ管腳接到ＤＶｄｄ上可激活內(nèi)部時(shí)鐘（內(nèi)部時(shí)鐘建立時(shí)間一般為１６５μｓ）。也可在ＣＬＫ上建立一個(gè)占空比為３０％～７０％的外部時(shí)鐘信號(hào)。本系統(tǒng)采用了ＭＡＸ１１５的內(nèi)部時(shí)鐘。

由于ＭＡＸ１１５同時(shí)具有采樣／保持和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換功能，所以只需將被測(cè)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化后引入ＭＡＸ１１５的四個(gè)通道引腳，然后通過(guò)軟件設(shè)置就可實(shí)現(xiàn)采樣／保持功能。在采樣／保持信號(hào)后，通過(guò)軟件對(duì)ＭＡＸ１１５的轉(zhuǎn)換管腳進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。

３　電網(wǎng)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理

電力調(diào)度控制系統(tǒng)中電壓有效值、電流有效值的計(jì)算公式如下：

上兩式中，ｎ為一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù)，ｕ０～ｕｎ－１和Ｉ０～Ｉｎ－１分別為一個(gè)周期內(nèi)各點(diǎn)電壓和電流的采樣值。由于實(shí)際變電站中的供電網(wǎng)絡(luò)是三相交流電，因此需要計(jì)算的有效值為三相電的線電壓有效值Ｕａｂ、Ｕｃｂ和線電流有效值有Ｉａ、Ｉｃ。利用Ｕａｂ、Ｕｃｂ和Ｉａ、Ｉｃ可計(jì)算出系統(tǒng)的有功功率Ｐ和無(wú)功功率Ｑ。公式如下：

要處理這么龐大的計(jì)算，使用普通的八位單片機(jī)一般難以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。本系統(tǒng)使用的是十六位單片機(jī)８０Ｃ１９６ＫＢ。與八位單片機(jī)相比，十六位單片機(jī)克服了累加器瓶頸問(wèn)題，它在內(nèi)存中開(kāi)辟出２３２個(gè)字節(jié)的空間作為通用寄存器使用，增加了數(shù)據(jù)存取的自由度，大大提高了工作效率。而且這些通用寄存器可以按字節(jié)、字、雙字存取，這也給計(jì)算帶來(lái)了很大方便。另外，８０Ｃ１９６ＫＢ的指令周期可達(dá)１２５ｎｓ，比八位單片機(jī)的１μｓ快得多。

４、硬件電路

４．１ ＭＡＸ１１５與８０Ｃ１９６ＫＢ的接口設(shè)計(jì)

ＭＡＸ１１５和８０Ｃ１９６ＫＢ的接口電路如圖１所示，圖中的ＭＡＸ１１５需要正、負(fù)電源供電。此外，ＭＡＸ１１５的Ａ／Ｄ輸出是１２位的，而此時(shí)８０Ｃ１９６ＫＢ的總線工作方式應(yīng)是１６位的，故當(dāng)ＭＡＸ１１５片選有效時(shí)？ＣＳ為低？，其總線寬度控制信號(hào)ＢＵＳＷＩＤＴＨ＝１？總線寬度是１６位？，否則讀取的數(shù)據(jù)將不正確；ＭＡＸ１１５的通道選擇是由Ａ０～Ａ３決定的，并可在采樣初始化時(shí)確定。在本模塊中，讀數(shù)時(shí)序可由ＨＳＩ．０控制。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換則可通過(guò)向一地址內(nèi)寫入數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

４．２ 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有軟件看門狗功能。但在程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)，光靠軟件看門狗防止程序運(yùn)行死鎖或“跑飛”是不安全的，還需要有硬件看門狗電路來(lái)保證系統(tǒng)的安全復(fù)位和正常運(yùn)行。硬件看門狗復(fù)位電路如圖２所示。

圖中，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，三極管Ｔ１飽和導(dǎo)通，其集電極輸出低電平復(fù)位信號(hào)。而當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，電容Ｃ１充電完畢，Ｔ１基極電流逐漸減小，直至Ｔ１截止，其集電極變?yōu)楦唠娖?，?fù)位信號(hào)消失，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，此后，轉(zhuǎn)換器每次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換都要對(duì)計(jì)數(shù)器４０２４復(fù)位；而當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，ＭＡＸ１１５不再轉(zhuǎn)換時(shí)，復(fù)位信號(hào)將無(wú)法對(duì)計(jì)數(shù)器４０２４復(fù)位，于是計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)滿后右邊的與非門Ｕ１２Ｂ將輸出高電平以使Ｔ２飽和導(dǎo)通，進(jìn)而使集電極變?yōu)榈碗娖?，從而產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位。這樣，在程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)就可很快地得到糾正。

５、軟件設(shè)計(jì)

圖３所示是本系統(tǒng)的軟件流程圖。程序運(yùn)行時(shí)，可先用以下兩條語(yǔ)句啟動(dòng)看門狗：

ＬＤＢ ＷＡＴＣＨＤＯＧ，＃１ＥＨ

ＬＤＢ ＷＡＴＣＨＤＯＧ，＃０Ｅ１Ｈ

然后判斷信號(hào)是否同步，不同步時(shí)等待，同步則啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，只要選中系統(tǒng)給ＭＡＸ１１５分配的地址即可。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，由ＣＰＵ讀出結(jié)果并存放在外存儲(chǔ)器中，再進(jìn)行下一次采樣轉(zhuǎn)換。這樣轉(zhuǎn)換三相電的一個(gè)周期信號(hào)后，便可計(jì)算出其電壓有效值、電流有效值、有功功率和無(wú)功功率，最后由單片機(jī)的串行口輸出計(jì)算結(jié)果。之后再進(jìn)行下一個(gè)周期的處理，如此循環(huán)下去。

６、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是電力調(diào)度自動(dòng)化管理系統(tǒng)不可缺少的組成部分。隨著電子元器件制造工藝水平的提高，各種新器件不斷涌現(xiàn)，芯片的功能也不斷增強(qiáng)，這使得提高系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性成為可能。本文所述的基于ＭＡＸ１１５的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和模／數(shù)轉(zhuǎn)換是對(duì)已使用多年的系統(tǒng)的改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后系統(tǒng)的實(shí)時(shí)效果明顯增強(qiáng)，維護(hù)起來(lái)也更加方便。

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