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Improving System-Level Performance and Robustness in Power Line Monitoring 作者：Lluis Beltran Gil | ADI 應用工程師 背景知識 對于許多應用，監控電力線意味著使用電流互感器和電阻分壓網絡，以便感測三相及零序的電流和電壓 ，如圖1所示。AD7606B具有高輸入阻抗，可以直接連接傳感器，并且它提供了所需的全部內建輸入模塊，從而簡化了數據采集系統設計。 
圖1. 典型的電力線監控應用中的AD7606B AD7606B在片內集成8個獨立的信號鏈，即使采用5 V單電源供電（數字接口電壓Vdrive不計），仍可接受±10 V或±5 V的真正雙極性模擬輸入信號。因此，無需使用外部驅動運算放大器和外部雙極性電源。 每個通道都由21V模擬輸入箝位保護電路、具備5MΩ輸入阻抗的電阻可編程增益放大器、一階抗混疊濾波器和16位SARADC組成。此外，還可包含一個過采樣率高達256的數字均值濾波器，以及一個低溫漂2.5 V基準電壓源，用于幫助構建完整的電力線數據采集系統。 除了提供完整的模擬信號鏈之外，AD7606B還提供許多校準和診斷功能，以改善系統級性能和可靠性。 直接傳感器接口 與AD7606不同，AD7606B的輸入阻抗已提高到5 MΩ，使其可以直接與多種傳感器接口，從而獲得兩個好處： • 降低外部串聯電阻（例如，濾波或電阻分壓網絡）導致的增益誤差。 • 當傳感器斷開時，所看到的偏移量會減小，可以輕松實現傳感器斷開檢測功能。 外部電阻造成的增益誤差 進行工廠修整時，會嚴格控制PGA的RFB和RIN N（一般為5MΩ），確保準確設置AD7606B的增益。但是，如圖1所示，如果在前端放置一個外部電阻，那么實際增益與理想的修整RFB/RIN值之間會存在偏差。 RFILTER越高，增益誤差越大，這需要從控制器一側補償。但是，RIN越高，相同RFILTER 產生的影響就越小。與AD7606具有1 MΩ輸入阻抗不同，AD7606B具有5 MΩ阻抗，這意味著在沒有任何校準的情況下，相同串聯電阻(RFILTER)的增益誤差會降低到約1/5，如圖2所示。
圖2. 串聯電阻導致的增益誤差 但是，通過在軟件模式下使用AD7606B，系統增益誤差可以基于每個通道自動進行片內補償，因此完全無需再在控制器一側實施任何增益校準計算。 傳感器斷開檢測 傳統上，將下拉電阻(RPD)與傳感器（圖1中所示的電流互感器）并聯，用戶可通過監測多個樣本(N)的ADC輸出代碼是否重復小于20 LSBs，來檢測傳感器何時斷開。 建議采用比傳感器的源阻抗大得多的RPD，將該并聯電阻可能產生的誤差減至最小。但是，RPD越大，在傳感器斷開時生成的ADC輸出代碼也越大，這并非我們期望的結果。由于AD7606B的RIN比AD7606大，對于給定的RPD，如果傳感器斷開，ADC輸出代碼會降低（如圖3所示），從而降低了誤報的風險。
圖3. 傳感器與ADC的模擬輸入斷開連接時的偏置誤差 進入AD7606B的軟件模式時，可以使用開路檢測功能，從而無需后端軟件來檢測傳感器斷開情況。編程設置樣本數量N（在圖4的示例中，N = 3）之后，如果模擬輸入保持由幾個樣本報告較 小的直流值，算法會自動運行，并在模擬輸入信號斷開被判定為開路時，置一個標記位。
圖4. 傳感器斷開檢測 系統級性能 系統失調校準 使用一對外部電阻時，如圖1所示，它們之間出現任何不匹配都會導致產生偏移。傳感器短接至地時，該偏移可以測量為ADC輸出代碼。然后，可以通過編程設置對應的通道偏移寄存器，在轉換結果中增加或減去–128 LSBs至+127 LSBs偏移，以補償系統偏移。 系統相位校準 CONVST引腳用于管理模數轉換啟動，以便同時在所有通道上觸發該流程。但是，對于通過電流互感器(CT)測量電流同時通過分壓電阻按比例縮小來測量電壓的應用，存在電流和電壓通道之間相位不匹配的情況。為了補償這種不匹配，AD7606B可以延遲任何通道（相對延遲大一點兒的通道）上的采樣時刻，以便將輸出信號調整到同相，如圖5所示。
圖5. 相位調整 系統可靠性 為了提高系統的可靠性，在片內增加了幾種診斷功能，包括： • 每個通道上的過壓/欠壓比較器。 • 一種接口檢查，在每個通道上輸出固定的數據，以驗證通信狀態。 • 如果嘗試對無效寄存器實施寫入或讀取，則會發出SPI無效讀取/寫入警報。 • 在轉換開始后，如果BUSY線持續的時間比正常時間長，則會發出BUSY STUCK HIGH警報。 • 如果檢測到對內部LDO穩壓器的完全、部分或上電復位，則發出復位檢測警報。 • 可以對存儲器映射、ROM和每個接口通信實施CRC校驗，以確保正確初始化和/或操作。 總結 AD7606B為市場帶來了完整的芯片數據采集系統。可實現所有的模擬前端內建模塊。它提供了一套完整的高級診斷功能，以及增益、偏移和相位校準。因此，AD7606B降低了組件成本和系統 設計的復雜性，從而簡化了電力線監控應用設計。 作者 Lluis Beltran Gil Lluis Beltran Gil畢業于瓦倫西亞理工大學，于2009年獲電子工程學士學位，2012年獲工業工程學士學位。畢業后，Lluis于2013年加入ADI公司，擔任利默里克精密轉換器部的應用工程師，支持溫度傳感器開發。目前，Lluis就職于ADI精密轉換器部SAR ADC應用團隊，工作地點在西班牙瓦倫西亞。 |
