新一代16位8通道同步采样ADC-AD7606在智能电网中的应用

一个典型的电力二次设备系统示意如图1所示。一次侧的电压电流信号接入二次互感器PT/CT，经过信号调理后输入ADC，采样转换后的数据由CPU/DSP进行处理，控制信号经隔离后输出，状态信号经隔离后输入。

传统电网向智能电网转变，要求电力二次设备具有更强的接口能力、控制能力、保护能力、测量能力、通信能力和数据处理能力，因此CPU/DSP和ADC一般是系统设计中需要考虑的两个关键器件。

ADI公司的Blackfin系列处理器以强大的处理能力、高性能以及低成本特点符合电力二次设备市场的发展方向，使设备制造商能够轻松实现各种通用或定制化的功能，可以在不改变(或很少改变)硬件的情况下迅速适应不断发展的标准和新增功能需求，并大大降低产品研发风险和制造成本。同时在外设上，Blackfin系列提供了丰富的选择，从而给客户提供了极大的设计便利性和丰富的可用片上设计资源。参考ADI应用工程师程涛的文章《ADI DSP处理器在电力二次设备领域的应用》，可以获取更多的信息。

以下将重点介绍ADC相关的部分。ADC是数据采集系统中的一个重要环节。在传统的设计中，系统选用的ADC分辨率一般为14位，比如业界流行的4通道AD7865，输入端可以接受真双极性输入信号，并且提供80dB的SNR。随着业界对16 位分辨率和多通道ADC的需求越来越强烈，ADI公司开发了6通道16bit的AD7656以满足设计的需求。AD7656具有86.5dB的SNR，可以提供满足测量交流小信号所需的性能指标。但是在新的设计需求中，系统中包含的电流/电压互感器CT/PT的数量会有多个，对ADC总通道数的需求往往超过12个。作为电力二次设备制造商的关键供应商，ADI公司深刻理解中国客户的需求，在AD7656成功应用的经验基础之上，再次推出16位8通道同步采样的AD7606系列。

AD7606/AD7606-6/AD7606-4为16位同步采样模数数据采集系统(DAS)，分别有8、6、4个采集通道。片上集成模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC内核、数字滤波器、2.5V基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口。AD7606采用5V单电源供电，不再需要正负双电源，并支持真正±10V或±5V的双极性信号输。所有的通道均能以高达200 kSPS的速率进行采样，同时输入端箝位保护电路可以承受最高达±16.5V的电压。

传统的逐次逼近(SAR)型ADC，由于其采样电容的设计，模拟输入前端一般需要运算放大器(简称运放，Operation Amplifier)来实现内部采样电容的驱动，如图3所示。正因此电容的存在，其等效输入阻抗与采样频率相关，而且在一些高采样率的应用中，使得前端驱动运放的选择变得十分苛刻。

但在AD7606内部的信号调理电路中，已经包含了低噪声、高输入阻抗的信号调理电路，其等效输入阻抗完全独立于采样率且固定为1Mohm。同时输入端集成了具有40dB抗混叠抑制特性的滤波器，更是简化了前端设计，不再需要外部驱动和滤波电路。因此，二次互感器输出的信号无需再经过运放来缓冲就可以直接接入AD7606。图4是AD7606的典型设计。

AD7606内部集成了2.5V带隙电压基准和基准缓冲电路，其温度系数典型值为±10ppm/℃。设计应用中，选用内置基准或外部基准，将取决于系统的要求。多片ADC的设计中，如果需求高绝对精度，则应采用高初始精度和低温度系数的外部基准，以消除不同器件内置基准之间的差异而带来的误差。推荐选用初始精度0.04%，温度系数3ppm/℃的ADR421B。如果需求多片ADC通道之间的数值匹配，可设置第一片AD7606工作在内置基准模式，其余AD7606为外部基准模式，然后通过第一片AD7606的内置基准输出供给其余AD7606。这样，在不加外部基准的情况下即可保证多个AD7606通道间数据的匹配性，但此时系统的绝对精度取决于内置基准的性能。

AD7606的数字接口可以配置在并行或串行模式。数字接口的电平Vdrive为2.3V～5.25V，可以跟当前任何主流的CPU/DSP连接。需要注意的是，当配置AD7606工作在串行接口模式时，数据总线的DB[15:9]和DB[6:0]引脚需要做接地处理。

AD7606提供了过采样和数字滤波功能。通过引脚OS[2:0]可以设置过采样倍数(OSR)为x2, x4, x8, x16, x32, x64。过采样打开后，内部的过采样控制电路和1阶Sinc数字滤波器会自动被使能，同时-3dB带宽也会相应地改变。

ADC一般需要模拟电源和数字电源。大多数的系统都会有5V数字电源，却不一定具有5V模拟电源。此时如果模拟电路和数字电路共用同一个5V电源，有害的数字噪声可能会耦合到模拟电路并降低ADC的性能，通常应该避免这样的设计。如果不可避免，需要将5V的数字电源进行很好的滤波后再供给模拟电路用。AD7606的去耦设计十分简洁，仅需要9个电容，其中包括2个10mF，2个1mF，5个0.1mF。参考如图5所示。

AD7606的引脚定义已经考虑了PCB(印制板)设计中的布局布线。从引脚定义图中可以看出，LQFP封装的4个侧边，模拟输入端Ain在一侧，数据总线接口在另一侧，其余两侧分别为控制和配置引脚。设计中只需要4层PCB板，就可以发挥AD7606的性能。叠层建议如图6。表层和底层为走线层，中间两个内层分别为地平面、电源平面。除了叠层设计，AD7606的手册中也给出了说明和示例。