動態範圍要求

 

genjujutiyingyong


，mubiaoshuruxinhaofudukenenghenbuxiangtong。liru，xiangduiyuguzhangzhuangkuang，jidianqibaohuyingyongdexinhaoliangchengyibanhenxiao，danyonghukenengxiwangtongshiceliangbiaochengzhuangkuangheguzhangzhuangkuang。zhezhongceliangxuyaoyigejuyoudadongtaifanweideADC來將這些較小輸入信號解析到所需的精度。此類應用所需的動態範圍可通過下式計算：

 

 

其中：

 

DR為動態範圍。

 

Signal_MAX為ADC可以分辨的最大信號。

 

Signal_MIN為ADC可以分辨的最小信號。

 

根據應用的精度要求
，用戶可能希望精度高於16位。此要求可利用AD7616並通過下述方法實現：

 

1. 對模擬輸入進行過采樣以實現高達96 dB的信噪比(SNR)。

 

2. 對信號進行雙增益采樣以提高有效動態範圍。

 

使用AD7616的±10 V輸入範圍
，在無任何過采樣的情況下
，用戶通常可實現90.5 dB SNR。使用64倍過采樣比(OSR)時
，此SNR提高到96 dB最大值。類似地，對於±2.5 V範圍，無過采樣時可實現87 dB SNR
，OSR為64時可實現93.9 dB SNR。

 

表1. 過采樣所實現的SNR

 

考慮一個來自傳感器的輸入信號，其相對於輸入範圍一般非常小，但可能超量程（例如啟動期間或故障狀況下），如圖1所示。

 

圖1. 超量程信號

 

將兩個AD7616通道合並以對同一輸入信號進行采樣，便可實現較大動態範圍。AD7616每個通道有一個PGA，經過配置可接受±2.5 V、±5 V或±10 V的輸入信號。在對同一信號進行采樣時使用不同的增益

，是提高動態範圍的關鍵。圖2顯示了一個典型的雙采樣設置，其使用AD7616每個ADC的一個通道。AD7616包括兩個ADC內核和兩個8:1多路複用器

，總共有16個通道。本例使用每個多路複用器上的一個通道
，從而可以對兩個通道同時采樣，如圖2所示。

 

圖2顯示了一個典型的雙采樣設置

，其使用AD7616每個ADC的一個通道。AD7616包括兩個ADC內核和兩個8:1多路複用器，總共有16個通道。本例使用每個多路複用器上的一個通道
，從而可以對兩個通道同時采樣，如圖2所示。

 

圖2. 雙增益采樣設置

 

圖 2 所示連接是監控三相電力係統某一相的典型連接，可以根據需要擴展到監控其他相。本應用筆記所述的配置假設 ADC 通道按照表 2 所示進行分配
，從而監控三相。

 

表2. ADC通道配置

 

表 1 顯示

，對於±2.5 V 範圍，OSR 為 64 時
，過采樣可將 SNR提高到 94 dB。對於同樣的範圍，以低得多的 4 倍 OSR 進行過采樣時，可以解析的最小信號約為±88 μV。已知±2.5 V範圍
、OSR 為 4 倍時 SNR 為 89 dB，最小信號可計算如下：
 

 

其中：

 

SNR 為信噪比。

 

最大信號為施加到模擬輸入端的信號的最大幅度。

 

最小信號為相對於本底噪聲的最小可分辨信號的幅度。

 

最大信號就是輸入範圍
；本例中為±2.5 V。使用此輸入範圍，重新整理並求解該方程便可確定 ADC 可以解析的最小信號。計算結果為±88 μV。

 

使用±10 V和±2.5 V兩種輸入範圍進行采樣
，可以實現的最高動態範圍為：

 

 

其中，DR為動態範圍。

 

引腳配置

 

AD7616可以配置為硬件或軟件工作模式。硬件模式使用引腳控製來配置序列器、模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)範(fan)圍(wei)和(he)過(guo)采(cai)樣(yang)比(bi)等(deng)選(xuan)項(xiang)。軟(ruan)件(jian)模(mo)式(shi)則(ze)是(shi)通(tong)過(guo)並(bing)行(xing)接(jie)口(kou)或(huo)串(chuan)行(xing)接(jie)口(kou)對(dui)片(pian)上(shang)寄(ji)存(cun)器(qi)進(jin)行(xing)編(bian)程(cheng)
，並(bing)可(ke)解(jie)鎖(suo)器(qi)件(jian)的(de)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng)。本(ben)設(she)置(zhi)示(shi)例(li)使(shi)用(yong)軟(ruan)件(jian)模(mo)式(shi)，通(tong)過(guo)並(bing)行(xing)接(jie)口(kou)編(bian)程(cheng)。利(li)用(yong)串(chuan)行(xing)接(jie)口(kou)配(pei)置(zhi)器(qi)件(jian)同(tong)利(li)用(yong)並(bing)行(xing)接(jie)口(kou)對(dui)器(qi)件(jian)編(bian)程(cheng)相(xiang)似(si)。有(you)關(guan)詳(xiang)細(xi)信(xin)息(xi)，參(can)見(jian)AD7616數據手冊。

 

對於本例
，在對片上寄存器編程之前
，按照表3和圖3所示配置控製引腳，然後上電。複位解除時或發生完全複位之後，器件會鎖存硬件控製引腳值。對配置的任何改變也需要完全複位。

 

表3. 硬件引腳配置

 

圖3. 硬件控製引腳連接

 

配置好控製引腳之後
，將適當的電壓提供給V_CC引腳和V_DRIVE引腳，以給AD7616供電。電源穩定後
，需要讓器件完全複位。有關詳細信息，參見AD7616數據手冊。

 

對AD7616編程

 

在軟件模式下，AD7616可通過片上寄存器靈活配置。這些寄存器可通過並行或串行接口訪問
，有16位寬。本應用筆記所述的例子使用並行接口。所需寄存器寫操作的流程圖如圖4所示。下述寄存器寫命令利用可編程序列器將AD7616配置為對三個不同信號進行雙采樣。

 

首先寫入配置寄存器。配置寄存器用在軟件模式下
，用來配置ADC的許多主要功能

，包括序列器、突發模式
、過采樣和CRC操作。

 

將命令0x8460寫入配置寄存器，使能序列器的突發模式。突發模式需要一個CONVST脈衝來啟動序列器堆棧寄存器中配置的每個通道對的轉換。然後存儲轉換結果，直至用戶準備回讀結果。有關詳細信息，參見AD7616數據手冊。

 

接下來配置輸入範圍寄存器。如表2所示
，使能六個通道進行采樣。三個通道設置為±2.5 V範圍，另三個通道設置為±10 V範圍。有四個輸入範圍寄存器，但本例僅需要兩個：寄存器A1和寄存器B1。寫入命令0x8815以將V0A至V2A通道的輸入範圍配置為±2.5 V範圍。寫入命令0x8C3F以將V0B至V2B通道的輸入範圍配置為±10 V範圍。

 

最後寫入序列器堆棧寄存器。序列器寄存器結構形成一個32層堆棧，各層可包含兩個通道（ADC A中的任一通道和ADC B中的任一通道）。序列器編程如表4所示。

 

表4. 序列器編程

 

堆棧中最後一層（本例中為第三層）的SSREN位設置為邏輯1，以定義堆棧的最後一層。序列器達到SSREN位設為1的層之後，便將堆棧指針複位到堆棧的第一層。然後重複該序列。

 

AD7616現在已按照表2所示的配置，對三個信號進行采樣。向器件寫入命令0x0000，使其返回到讀取模式並開始采樣。表5顯示了本例寄存器編程摘要。

 

圖4. 寄存器配置流程圖

 

表5. 寄存器摘要

 

轉換

 

在突發模式下，單個CONVST脈衝啟動序列器堆棧寄存器中配置的每個通道的轉換。器件內部產生完成序列所需的其餘CONVST信號。圖5顯示了器件在該模式下的操作。複位解除時，片內寄存器進行編程，如圖4所示。器件切換回轉換讀取模式之後，需要進行一次偽轉換以將新配置鎖存到器件中。然後
，用戶必須提供一個CONVST脈衝以啟動整個序列的轉換。序列完成後（BUSY由高電平變為低電平），用戶便可回讀三個通道對的轉換結果，如圖5所示。

 

圖5. 突發工作模式

 

讀取轉換結果

 

在突發模式下，回讀轉換結果發生在序列中的所有通道完成轉換之後

，如圖5所示。假設通道數為N，過采樣比為x
，則完成轉換和轉換結果回讀的周期時間(t_CYCLE)可估計如下：

 

 

其中：

 

 

利用並行接口回讀轉換結果
，即便使能突發序列器

，用戶也能維持最大吞吐速率。將AD7616數據手冊中的適當數值代入t_CYCLE計算公式
，得到以4倍OSR轉換三個通道對所需的周期時間為11.945 μs。此代換實現的吞吐速率為每通道83 kSPS。

 

結語

 

利用較小的±2.5 V輸入範圍設置
，通過監控ADC A輸出
，用戶可以檢測過壓和過流狀況。借助這種方法，用戶可以利用±2.5 V範圍設置的滿量程幅度範圍來保護動態範圍。然後，用戶可以切換到監控較大的±10 V輸入範圍
，以捕獲故障狀況的性質和幅度。此方法使得用戶無需在ADC之前應用動態輸入範圍調整，而且AD7616的通道密度讓雙采樣成為一個高性價比選擇。本應用筆記證明，使用雙采樣設置和4倍OSR，AD7616動態範圍可提高到101 dB。在使能過采樣的情況下對三個通道進行采樣，可以保持每通道83 kSPS以上的吞吐速率。在實際意義上

，對於60 Hz輸入信號，使用本應用筆記所述方法，每個線路周期用戶可以收集1300個以上的樣本。

 

 

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