16位逐次逼近型ADC ADS834實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

互感器主要用于電力系統(tǒng)基本參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)為電力系統(tǒng)的計(jì)量、保護(hù)與監(jiān)控單元提供信號(hào)。隨著電力系統(tǒng)輸電容量的增長(zhǎng)和電網(wǎng)電壓等級(jí)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(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已逐漸成為一門主流技術(shù)，并在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。再加上光纖通信技術(shù)和傳感技術(shù)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(yùn)用Ｒｏｇｏｗｓｋｉ線圈測(cè)量電流，利用電容分壓原理測(cè)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(shí)時(shí)處理，再經(jīng)Ｅ／Ｏ變換，以光纖作為信號(hào)傳輸媒質(zhì)，把高壓側(cè)轉(zhuǎn)換的脈沖信號(hào)傳輸?shù)降蛪簜?cè)進(jìn)行測(cè)量保護(hù)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(hào)預(yù)處理、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、ＤＳＰ主控和Ｅ／Ｏ轉(zhuǎn)換四部分組成。信號(hào)預(yù)處理部分接收各種傳感頭測(cè)量的模擬信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行一些預(yù)處理。比如：Ｒｏｇｏｗｓｋｉ線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)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(hào)；傳感頭測(cè)量的模擬信號(hào)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(shí)時(shí)將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。Ｅ／Ｏ轉(zhuǎn)換部分是將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過調(diào)制變成光脈沖信號(hào)，然后由光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)。

２、ＡＤＳ８３４４的主要特點(diǎn)

２．１ ＡＤＳ８３４４的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ＡＤＳ８３４４是一個(gè)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(dá)８４ｄＢ？帶有串行接口，它包含８?jìng)€(gè)單端模擬輸入通道（ＣＨ０～ＣＨ７）？也可合成為４個(gè)差分輸入。１００ｋＨｚ時(shí)的典型功耗為１０ｍＶ。參考電壓ＶＲＥＦ的范圍從５００ｍＶ到ＶＣＣ，相應(yīng)的每個(gè)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(yīng)用在電池供電系統(tǒng)（如個(gè)人數(shù)字助理、移動(dòng)通信）和測(cè)試裝置中。

ＡＤＳ８３４４主要由多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、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(gòu)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?jìng)€(gè)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(yīng)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(diǎn)，直接接地或接地電位參考點(diǎn)。

ＳＨＤＮ：掉電控制位，當(dāng)為低時(shí)，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(shí)數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)ＣＳ為高時(shí)，輸出為高阻態(tài)。

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

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

ＣＳ：片選端，為低電平時(shí)，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(dāng)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，該引腳輸出低電平，當(dāng)ＢＵＳＹ端產(chǎn)生一下降沿時(shí)，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(diǎn)

ＡＤＳ８３４４的控制寄存器是一個(gè)８位只寫寄存器，數(shù)據(jù)從ＤＩＮ引腳輸入，當(dāng)微機(jī)讀取完上次轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，下一個(gè)轉(zhuǎn)換通道的控制字節(jié)就寫到了ＤＩＮ引腳，需要８?jìng)€(gè)ＤＣＬＫ時(shí)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(shí)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(dāng)為高時(shí)，為單端輸入；為低時(shí)，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?jìng)€(gè)模擬輸入通道可以設(shè)置成單端輸入或差分輸入。單端輸入時(shí)，各個(gè)模擬通道均輸入＋ＩＮ信號(hào)，而從ＣＯＭ引腳接入－ＩＮ信號(hào)。雙端差分輸入時(shí)，通道ＣＨＯ和ＣＨ４、ＣＨ１和ＣＨ５、ＣＨ２和ＣＨ６、ＣＨ３和ＣＨ７組合成差分輸入。當(dāng)芯片進(jìn)入保持階段時(shí)，＋ＩＮ和－ＩＮ的差分輸入信號(hào)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(zhǔn)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(zhǔn)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(duì)控制寄存器功率位ＰＤ０和ＰＤ１的編程設(shè)置來進(jìn)行芯片的功耗管理。ＰＤ０＝０，ＰＤ１＝０時(shí)為自動(dòng)關(guān)斷模式。在這種模式下，ＡＤＳ８３４４在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)下一次轉(zhuǎn)換開始時(shí)，芯片立即全部上電，不需要額外的延時(shí)，并且第一次轉(zhuǎn)換是有效的；ＰＤ０＝０，ＰＤ１＝１時(shí)為內(nèi)部時(shí)鐘模式；ＰＤ０＝１，ＰＤ１＝０時(shí)為預(yù)留模式；ＰＤ０＝１，ＰＤ１＝１時(shí)為完全功率模式，這種模式下的芯片總是上電的。

（３）時(shí)鐘方式

ＡＤＳ８３４４可以由內(nèi)部時(shí)鐘執(zhí)行逐次轉(zhuǎn)換，也可以由外部時(shí)鐘來執(zhí)行，而在這兩種模式下，都是由外部時(shí)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(shí)鐘模式，則在芯片轉(zhuǎn)換到新的模式之前需要一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換周期，因?yàn)椋校模昂停校模惫β使芾磉x擇位必須在時(shí)鐘模式轉(zhuǎn)換前被提前寫入到ＡＤＳ８３４４的控制寄存器。

在外部時(shí)鐘模式下，外部輸入時(shí)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(shí)鐘模式下，ＡＤＳ８３４４芯片自行產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，這樣所連接的微機(jī)就不需產(chǎn)生ＳＡＲ的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換結(jié)果可以方便地輸出到微機(jī)。

３、ＡＤＳ８３４４的典型應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)傳感頭輸出的各路模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)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(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，然后送到Ａ／Ｄ芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過Ｅ／Ｏ變換成光信號(hào)輸出到光纖傳輸系統(tǒng)。

ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５是１６位定點(diǎn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行口和一個(gè)緩沖串行口。兩者的接口設(shè)計(jì)如圖３所示。ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的串行端口用內(nèi)部的ＣＬＫＸ？串行時(shí)鐘？和ＦＳＸ（幀同步時(shí)鐘）配置為突發(fā)模式下工作，串行口寄存器ＳＰＣ設(shè)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(gè)字都要求一個(gè)幀同步脈沖ＦＳＸ／ＦＳＲ；ＭＣＭ＝０，ＣＬＫＸ采用外部時(shí)鐘，該外部時(shí)鐘由低壓側(cè)通過光纖送上來，可確保高、低壓側(cè)時(shí)鐘一致；ＴＸＭ＝１，將ＦＳＸ設(shè)置成輸出，每次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由片內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)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(hào)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(shí)鐘均來自ＤＳＰ；ＡＤＳ８３４４的ＢＵＳＹ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＢＩＯ，當(dāng)ＢＵＳＹ產(chǎn)生下降沿信號(hào)時(shí)，則通知ＤＳＰ可以開始接收轉(zhuǎn)換結(jié)果了。

ＡＤＳ８３４４的串行接口時(shí)序如圖４所示。當(dāng)ＣＳ為低時(shí)，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?jìng)€(gè)ＤＣＬＫ時(shí)鐘，前４個(gè)時(shí)鐘周期用于接收控制字節(jié)的開始位和通道選擇位，當(dāng)接收接下來的４個(gè)控制位時(shí)芯片同時(shí)對(duì)所選通道采樣，采樣完成后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng) ＢＵＳＹ產(chǎn)生一下降沿信號(hào)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(gè)ＤＣＬＫ時(shí)鐘，在接收串行數(shù)據(jù)的ＬＳＢ位時(shí)，下一個(gè)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(gè)ＤＣＬＫ時(shí)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(shì)，在電力系統(tǒng)電壓、電流測(cè)量保護(hù)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(yīng)用在電子式互感器高壓側(cè)來完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和轉(zhuǎn)換。

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