AD7656的原理介紹及在繼電保護(hù)產(chǎn)品中的應(yīng)用

1 AD7656的性能簡(jiǎn)介

AD7656是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC,它具有最大4 LSBS INL和每通道達(dá)250kSPS的采樣率,并且在片內(nèi)包含一個(gè)2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器。該器件僅有典型值160mW的功耗,比最接近的同類雙極性輸入ADC的功耗降低了60％。

AD7656包含一個(gè)低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T／H),以便處理輸入頻率高達(dá)8MHz的信號(hào)。該AD7656還具有高速并行和串行接口,可以與微處理器(MCU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)連接。AD7656在串行接口方式下,能提供一個(gè)菊花鏈連接方式,以便把多個(gè)ADC連接到一個(gè)串行接口上。

AD7656采用具有ADI專利技術(shù)的iCMOS(工業(yè)CMOS)工藝。iCMOS 工藝是一種高壓半導(dǎo)體工藝與亞微米CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)和互補(bǔ)雙極型工藝相結(jié)合的制造上藝。它能開發(fā)出承受30V電源電壓的多種高性能模擬IC,并且其小封裝尺寸是任何其他同類高電壓IC都未曾達(dá)到的。與使用傳統(tǒng)CMOS工藝的模擬IC不同,iCMOS器件能承受高電源電壓,同時(shí)提高性能、顯著降低功耗和縮小封裝尺寸。AD7656是使用該種工藝設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品,所以非常適合在繼電保護(hù)、電機(jī)控制等工業(yè)領(lǐng)域使用。圖1是AD7656的內(nèi)部原理框圖。

2 AD7656的工作原理

AD7656足具有獨(dú)立的六通道逐次逼近型(SAR)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換處理和數(shù)據(jù)的精度是通過CONVST信號(hào)和一個(gè)內(nèi)部晶振控制的。3個(gè)CONVST管腳允許3路ADC對(duì)獨(dú)立同步采樣。當(dāng)3個(gè)CONVST管腳連接到一起時(shí),就可以進(jìn)行6個(gè)通道的同步采樣。 AD7656具有高速的并行和串行接口,允許其與Microprocessors和DSP進(jìn)行接口。當(dāng)使用串行接口模式時(shí),AD7656具有的菊花鏈特性允許多個(gè)ADC和一個(gè)串行接口連接。由于在電力繼電保護(hù)產(chǎn)品中以并行接口連接設(shè)計(jì)為主,所以下面將以并行接口的連接方式介紹其工作原理。

圖2是AD7656在并行接口方式下的工作時(shí)序圖。首先,通過MCU或DSP控制CONVST管腳啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,并保持該信號(hào)為高電平。AD7656啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)后會(huì)自動(dòng)輸出BUSY信號(hào),BUSY信號(hào)下降沿時(shí),代表轉(zhuǎn)換已經(jīng)全部完成。此時(shí),AD7656內(nèi)部的6個(gè)寄存器中已經(jīng)保存了轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù),然后通過控制片選CS和讀RD信號(hào)依次順序讀出6個(gè)通道AD轉(zhuǎn)換值。 讀出AD轉(zhuǎn)換值后,改變CONVST為低電平信號(hào)。注意在設(shè)計(jì)時(shí),一定要保證AD轉(zhuǎn)換過程中CONVST管腳保持高電平。

3 AD7656在電力繼電保護(hù)產(chǎn)品中的應(yīng)用

當(dāng)前,繼電保護(hù)產(chǎn)品在不斷地更新?lián)Q代并改變著設(shè)計(jì)模式。最初由于工藝和芯片等各方面因素的影響,第一代電力繼電保護(hù)產(chǎn)品均采用模擬開關(guān),配合單通道16bit的ADC設(shè)計(jì),例如AD976,AD574等AD轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品;后來出現(xiàn)了使用16bit的AD7665和14bit的AD7685配合模擬開關(guān)的第二代繼電保護(hù)產(chǎn)品,AD7665和AD7865在當(dāng)前很多電力繼電保護(hù)產(chǎn)品中仍有非常成功的應(yīng)用案例;隨著技術(shù)的更新和產(chǎn)品工藝的改進(jìn),尤其是其±10V雙極多通道同步輸入等技術(shù)特點(diǎn),使AD7656有望成為電力繼電保護(hù)的新一代產(chǎn)品。

3.1 AD7656前端模擬電路設(shè)計(jì)

AD7656可以支持輸入±10V雙極信號(hào),按照經(jīng)典的設(shè)計(jì)理論,需要對(duì)前端信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波。為了滿足16bit精度的要求,前端要選用高精度并且可以處理±10V雙極信號(hào)的運(yùn)算放大器作信號(hào)處理和濾波。

3.2 AD7656電源設(shè)計(jì)

3.2.1 VDD和VSS

在AD7656的設(shè)計(jì)中,VDD和VSS主要作為采樣保持開關(guān)工作的電源,圖3是VDD和VSS工作的原理框圖。一般設(shè)計(jì)時(shí),需要保證大于VINx模擬輸入端的輸入電壓范圍,才能保證AD可靠工作。表1是AD7656在不同條件下需要的最小值。