背景知识

对于许多应用,监控电力线意味着使用电流互感器和电阻分压网络,以便感测三相及零序的电流和电压 ,如图 1 所示。AD7606B 具有高输入阻抗,可以直接连接传感器,并且它提供了所需的全部内建输入模块,从而简化了数据采集系统设计。

 

图 1. 典型的电力线监控应用中的 AD7606B

 

AD7606B 在片内集成 8 个独立的信号链,即使采用 5 V 单电源供电(数字接口电压 Vdrive 不计),仍可接受±10 V 或±5 V 的真正双极性模拟输入信号。因此,无需使用外部驱动运算放大器和外部双极性电源。

 

每个通道都由 21V 模拟输入箝位保护电路、具备 5MΩ输入阻抗的电阻可编程增益放大器、一阶抗混叠滤波器和 16 位 SARADC 组成。此外,还可包含一个过采样率高达 256 的数字均值滤波器,以及一个低温漂 2.5 V 基准电压源,用于帮助构建完整的电力线数据采集系统。

 

除了提供完整的模拟信号链之外,AD7606B 还提供许多校准和诊断功能,以改善系统级性能和可靠性。

 

直接传感器接口

与 AD7606 不同,AD7606B 的输入阻抗已提高到 5 MΩ,使其可以直接与多种传感器接口,从而获得两个好处:

 

  • 降低外部串联电阻(例如,滤波或电阻分压网络)导致的增益误差。

 

  • 当传感器断开时,所看到的偏移量会减小,可以轻松实现传感器断开检测功能。

 

外部电阻造成的增益误差

进行工厂修整时,会严格控制 PGA 的 RFB 和 RIN N(一般为 5MΩ),确保准确设置 AD7606B 的增益。但是,如图 1 所示,如果在前端放置一个外部电阻,那么实际增益与理想的修整 RFB/RIN 值之间会存在偏差。

 

RFILTER 越高,增益误差越大,这需要从控制器一侧补偿。但是,RIN 越高,相同 RFILTER 产生的影响就越小。与 AD7606 具有 1 MΩ输入阻抗不同,AD7606B 具有 5 MΩ阻抗,这意味着在没有任何校准的情况下,相同串联电阻(RFILTER)的增益误差会降低到约 1/5,如图 2 所示。

图 2. 串联电阻导致的增益误差

 

但是,通过在软件模式下使用 AD7606B,系统增益误差可以基于每个通道自动进行片内补偿,因此完全无需再在控制器一侧实施任何增益校准计算。

 

传感器断开检测

传统上,将下拉电阻(RPD)与传感器(图 1 中所示的电流互感器)并联,用户可通过监测多个样本(N)的 ADC 输出代码是否重复小于 20 LSBs,来检测传感器何时断开。

 

建议采用比传感器的源阻抗大得多的 RPD,将该并联电阻可能产生的误差减至最小。但是,RPD 越大,在传感器断开时生成的 ADC 输出代码也越大,这并非我们期望的结果。由于 AD7606B 的 RIN 比 AD7606 大,对于给定的 RPD,如果传感器断开,ADC 输出代码会降低(如图 3 所示),从而降低了误报的风险。

 

图 3. 传感器与 ADC 的模拟输入断开连接时的偏置误差

 

进入 AD7606B 的软件模式时,可以使用开路检测功能,从而无需后端软件来检测传感器断开情况。编程设置样本数量 N(在图 4 的示例中,N = 3)之后,如果模拟输入保持由几个样本报告较 小的直流值,算法会自动运行,并在模拟输入信号断开被判定为开路时,置一个标记位。

 

图 4. 传感器断开检测

 

系统级性能

系统失调校准

使用一对外部电阻时,如图 1 所示,它们之间出现任何不匹配都会导致产生偏移。传感器短接至地时,该偏移可以测量为 ADC 输出代码。然后,可以通过编程设置对应的通道偏移寄存器,在转换结果中增加或减去–128 LSBs 至+127 LSBs 偏移,以补偿系统偏移。

 

系统相位校准

CONVST 引脚用于管理模数转换启动,以便同时在所有通道上触发该流程。但是,对于通过电流互感器(CT)测量电流同时通过分压电阻按比例缩小来测量电压的应用,存在电流和电压通道之间相位不匹配的情况。为了补偿这种不匹配,AD7606B 可以延迟任何通道(相对延迟大一点儿的通道)上的采样时刻,以便将输出信号调整到同相,如图 5 所示。

 

图 5. 相位调整

 

系统可靠性

为了提高系统的可靠性,在片内增加了几种诊断功能,包括:

 

  • 每个通道上的过压 / 欠压比较器

 

  • 一种接口检查,在每个通道上输出固定的数据,以验证通信状态。

 

  • 如果尝试对无效寄存器实施写入或读取,则会发出 SPI 无效读取 / 写入警报。

 

  • 在转换开始后,如果 BUSY 线持续的时间比正常时间长,则会发出 BUSY STUCK HIGH 警报。

 

  • 如果检测到对内部 LDO 稳压器的完全、部分或上电复位,则发出复位检测警报。

 

  • 可以对存储器映射、ROM 和每个接口通信实施 CRC 校验,以确保正确初始化和 / 或操作。

 

总结

AD7606B 为市场带来了完整的芯片数据采集系统。可实现所有的模拟前端内建模块。它提供了一套完整的高级诊断功能,以及增益、偏移和相位校准。因此,AD7606B 降低了组件成本和系统 设计的复杂性,从而简化了电力线监控应用设计。