在電力線路測量和保護(hù)系統(tǒng)中，需要對多相輸配電網(wǎng)絡(luò)的大量電流和電壓通道進(jìn)行同步采樣。AD76068通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）集成16位雙極性同步采樣SAR ADC和片內(nèi)過壓保護(hù)功能，可大大簡化信號調(diào)理電路，并減少器件數(shù)量、電路板面積和測量保護(hù)板的成本。電力線路測量時轉(zhuǎn)角方向的確定，一般是按初步設(shè)計時在1/10000圖紙確定好的路線來現(xiàn)場定向的，其的難點(diǎn)在于無法將圖紙上的轉(zhuǎn)角方向直接運(yùn)用于實(shí)踐。如果通過在圖紙上量取角度的方法來定向，其誤差將達(dá)到2以上。為了做到定向，提高測量效率，在實(shí)際測量工作中摸索出一種簡單實(shí)用的方法即參照物定向法。

　　在測量和保護(hù)系統(tǒng)中，為了保持多相電力線網(wǎng)絡(luò)的電流和電壓通道之間的相位信息，必須具備同步采樣能力。AD7606具有寬動態(tài)范圍，是捕獲欠壓/欠流和過壓/過流狀況的理想器件。輸入電壓范圍可以通過引腳編程設(shè)置為±5 V或±10 V。

　　AD7606器件布局在通道間匹配和器件間匹配方面進(jìn)行了優(yōu)化，有助于簡化高通道數(shù)系統(tǒng)的校準(zhǔn)程序。當(dāng)通道間匹配非常重要時，此電路可以使用2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源AD7606；而對于要求出色的高通道數(shù)應(yīng)用，此電路可以使用外部精密基準(zhǔn)電壓源ADR421，低噪聲及出色的穩(wěn)定性和特性使得ADR421非常適合高轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

　　電路描述

　　AD7606是一款16位、6通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。該器件內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型ADC、靈活的數(shù)字濾波器、2.5V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口。

　　如果REF SELECT引腳接邏輯高電平，則選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。如果REF SELECT引腳接邏輯低電平，則選擇外部基準(zhǔn)電壓源。

　　電源要求如下：AVCC = 5 V, VDRIVE = 2.3 V至5 V。

　　本電路筆記描述一個評估板的布局和性能，其中內(nèi)置兩個AD7606，構(gòu)成一個16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　為實(shí)現(xiàn)良好的通道間匹配和器件間匹配，模擬輸入通道和器件去耦的對稱布局非常重要。所示數(shù)據(jù)支持利用圖1所示16通道ADC實(shí)現(xiàn)的匹配性能。

　　圖1. 采用兩個AD7606 8通道DAS的16通道、16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　16通道DAS的雙路AD7606板布局

　　在內(nèi)置多個AD7606器件的系統(tǒng)中，為確保器件之間的性能匹配良好，這些器件必須采用對稱布局。圖2顯示采用兩個AD7606器件的布局。

　　圖2. 采用兩個AD7606的16通道DAS的PCB布局

　　AVCC電壓平面沿兩個器件的右側(cè)布設(shè)，VDRIVE 電源走線沿兩個AD7606器件的左側(cè)布設(shè)。AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC 連接?；鶞?zhǔn)電壓芯片ADR421位于兩個AD7606器件之間，基準(zhǔn)電壓走線向上布設(shè)到U2的引腳42，向下布設(shè)到 U1的引腳42，AD7606器件可以沿南北方向放置，基準(zhǔn)電壓位于器件的中間，類似于圖2。

　　REFIN/REFOUT引腳和REFCAPA、REFCAPB引腳的去耦電容是攸關(guān)性能的重要電容，應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)的AD7606引腳?？赡艿脑挘瑧?yīng)將這些電容放在電路板上與AD7606器件相同的一側(cè)。圖3顯示AD7606電路板頂層的建議去耦配置。所示的四個陶瓷電容是 REFIN/REFOUT引腳、REGCAP引腳、REFCAPA引腳和REFCAPB引腳的去耦電容。

　　圖3. 頂層去耦，顯示了兩個REFCAPA引腳、REFIN/REFOUT引腳和REFCAPA/B引腳的去耦電容

　　圖4顯示底層去耦配置，它用于四個AVCC引腳和VDRIVE引腳的去耦。使用多個過孔將引腳與其相應(yīng)的去耦電容相連。AD7606器件周圍去耦電容的對稱布局有利于器件間的性能匹配。多個過孔用來將電容焊盤和引腳焊盤接地及接到電壓平面和基準(zhǔn)電壓走線。

　　基于16位8通道DAS AD7606的可擴(kuò)展多通道同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的布局考慮。

　　圖4. 底層去耦，顯示了四個AVCC引腳和VDRIVE引腳的去耦電容

　　16通道系統(tǒng)的通道間匹配

　　在高通道數(shù)系統(tǒng)中，良好的通道間和器件間性能匹配可以大大簡化校準(zhǔn)程序。AD7606器件、模擬輸入通道和去耦電容的對稱布局有助于多個器件之間的性能匹配。使用公共系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓將能進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的匹配性能。圖5顯示所有輸入接地時，用于測量板上16個通道之間性能匹配的電路配置。還有多7個碼的分布直方圖，各通道直方圖的中心為碼0，如圖6所示。

　　基于16位8通道DAS AD7606的可擴(kuò)展多通道同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的布局考慮。

　　圖5. 用于測試16通道系統(tǒng)通道間匹配的電路示意圖，該系統(tǒng)采用兩個AD7606和外部基準(zhǔn)電壓源ADR421，所有輸入接地。

　　圖6. 圖5所示電路的直方圖，顯示了使用外部基準(zhǔn)電壓源ADR421的16通道系統(tǒng)的通道間匹配性能。

　　AD7606內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源

　　AD7606采用5V單電源供電，可以處理±10V和±5V真雙極性輸入信號，同時所有通道均能以高達(dá)200 kSPS的吞吐速率采樣。輸入箝位保護(hù)電路可以耐受達(dá)±16.5V的電壓。它采用單電源工作方式，具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗，因此無需驅(qū)動運(yùn)算放大器和外部雙極性電源。AD7606-6抗混疊濾波器的3 dB截止頻率為22 kHz；當(dāng)采樣速率為200 ksps時，它具有40 dB抗混疊抑制特性。靈活的數(shù)字濾波器采用引腳驅(qū)動，可以改善信噪比（SNR），并降低3 dB帶寬。如圖7所示。

　　圖7. 用于測試一個AD7606通道間匹配的電路示意圖，使用U1內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源

　　AD7606 U2器件可配置為在外部基準(zhǔn)電壓源模式下工作。U1 REFIN/RFOUT引腳提供的2.5 V基準(zhǔn)電壓路由至U2的REFIN/REFOUT引腳。一個10 μF去耦電容位于AD7606器件的REFIN/REFOUT引腳。在AD7606 U1和U2上，REFCAPA和REFCAPB引腳短接在一起，并通過一個10 μF陶瓷電容去耦至GND。

　　兩個AD7606器件均以200 kSPS的采樣速率工作，一個7.5 V直流信號施加于U1的V1和V2，如圖7所示。碼的直方圖如圖8所示。在同一器件的通道之間，平均輸出碼相差1.2個碼。板上的所有16個通道以200 kSPS速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　圖8. 圖7所示電路的直方圖

　　7.5 V信號施加于U1的V1和U2的V1，板上的所有16個通道以200 kSPS速率工作，如圖9的配置電路示意圖所示。碼的直方圖如圖10所示。

　　圖9. 用于測試兩個AD7606之間器件間匹配的電路示意圖，U1內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源

　　圖10. 圖9所示電路的直方圖

　　將一個AD7606的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源時，以上直方圖顯示，一個AD7606器件的通道之間以及多個器件的通道之間都具有非常好的匹配性能。

　　除了通道間匹配和器件間匹配外，如果ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的也非常重要，則應(yīng)使用外部小容差、低漂移基準(zhǔn)電壓源作為系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源。在該電路中，ADR421 2.5 V基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源。

　　施加于AD7606器件的基準(zhǔn)電壓會影響ADC輸出碼：

　　實(shí)際理想碼的值會因溫度而不同，具體取決于系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)特性。在非常重要的應(yīng)用中，或者在希望避免通過復(fù)雜的溫度校準(zhǔn)程序?qū)崿F(xiàn)和通道匹配的應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)使用ADR421等小容差、低漂移2.5 V基準(zhǔn)電壓源作為AD7606器件的系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源。

　　7.5 V直流電壓施加于U1的輸入（V1和V2），如圖11的電路所示，并使用外部基準(zhǔn)電壓源。U1的兩個通道的碼直方圖如圖12所示。兩個通道的碼直方圖平均值相差0.9 LSB。

　　圖11. 用于測試一個AD7607通道間匹配的電路示意圖，使用外部基準(zhǔn)電壓源

　　圖12. 圖11所示電路的直方圖

　　在用于測試器件間匹配的圖13所示電路中，7.5 V直流信號施加于U1和U2 AD7606器件的V1通道，并使用外部基準(zhǔn)電壓源。兩個AD7606器件的兩個V1通道的碼直方圖如圖14所示。板上的所有16個通道以200 kSPS吞吐速率工作。U1和U2的V1通道之間的碼直方圖平均值相差0.6 LSB。

　　圖13. 用于測試兩個AD7606器件間匹配的電路示意圖，使用外部基準(zhǔn)電壓源

　　圖14. 圖13所示電路的直方圖

　　以上直方圖顯示，采用ADR421外部系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源時，一個AD7606器件的直方圖平均值間匹配和多個AD7606器件的直方圖平均值間匹配均小于1 LSB。

　　結(jié)論

　　本布局能夠確保通過一個AD7606實(shí)現(xiàn)通道間良好匹配性能，并且同一PC板上的多個AD7606之間也具有良好的器件間匹配性能。AD7606器件的對稱布局，特別是去耦電容將有助于實(shí)現(xiàn)良好的通道間匹配和器件間匹配。在高通道數(shù)系統(tǒng)中，良好的通道間和器件間性能匹配意味著校準(zhǔn)程序得以簡化。

參考文獻(xiàn):

[1]. AD7606 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AD7606_2040241.html.
[2]. ADR421 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ADR421_124352.html.
[3]. PCB datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[4]. AD7607 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AD7607_2040195.html.