一、AD7656簡(jiǎn)介

　　AD7656具有最大4 LSBS INL和每通道達(dá)250kSPS的采樣率，并且在片內(nèi)包含一個(gè)2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器。該器件僅有典型值160mW的功耗，比最接近的同類雙極性輸入ADC的功耗降低了60% 。

　　AD7656包含一個(gè)低噪聲、寬帶采樣保持放大器（T/H），以便處理輸入頻率高達(dá)8MHz的信號(hào)。該AD7656還具有高速并行和串行接口，可以與微處理器（mcu）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）連接。AD7656在串行接口方式下，能提供一個(gè)菊花鏈連接方式，以便把多個(gè)ADC連接到一個(gè)串行接口上。

　　AD7656工作原理：

　　AD7656足具有獨(dú)立的六通道逐次逼近型（SAR）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換處理和數(shù)據(jù)的精度是通過CONVST信號(hào)和一個(gè)內(nèi)部晶振控制的。3個(gè)CONVST管腳允許3路ADC對(duì)獨(dú)立同步采樣。當(dāng)3個(gè)CONVST管腳連接到一起時(shí)，就可以進(jìn)行6個(gè)通道的同步采樣。 AD7656具有高速的并行和串行接口，允許其與Microprocessors和DSP進(jìn)行接口。當(dāng)使用串行接口模式時(shí)，AD7656具有的菊花鏈特性允許多個(gè)ADC和一個(gè)串行接口連接。由于在電力繼電保護(hù)產(chǎn)品中以并行接口連接設(shè)計(jì)為主，所以下面將以并行接口的連接方式介紹其工作原理。

　　首先，通過MCU或DSP控制CONVST管腳啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，并保持該信號(hào)為高電平。AD7656啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)后會(huì)自動(dòng)輸出BUSY信號(hào)，BUSY信號(hào)下降沿時(shí)，代表轉(zhuǎn)換已經(jīng)全部完成。

　　此時(shí)，AD7656內(nèi)部的6個(gè)寄存器中已經(jīng)保存了轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，然后通過控制片選CS和讀RD信號(hào)依次順序讀出6個(gè)通道AD轉(zhuǎn)換值。 讀出AD轉(zhuǎn)換值后，改變CONVST為低電平信號(hào)。注意在設(shè)計(jì)時(shí)，一定要保證AD轉(zhuǎn)換過程中CONVST管腳保持高電平。

　　AD7656的應(yīng)用：

　　當(dāng)前，繼電保護(hù)產(chǎn)品在不斷地更新?lián)Q代并改變著設(shè)計(jì)模式。最初由于工藝和芯片等各方面因素的影響，第一代電力繼電保護(hù)產(chǎn)品均采用模擬開關(guān)，配合單通道16bit的ADC設(shè)計(jì)，例如AD976，AD574等AD轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品；后來出現(xiàn)了使用16bit的AD7665和14bit的AD7685配合模擬開關(guān)的第二代繼電保護(hù)產(chǎn)品，AD7665和AD7865在當(dāng)前很多電力繼電保護(hù)產(chǎn)品中仍有非常成功的應(yīng)用案例；隨著技術(shù)的更新和產(chǎn)品工藝的改進(jìn)，尤其是其±10V雙極多通道同步輸入等技術(shù)特點(diǎn)，使AD7656有望成為電力繼電保護(hù)的新一代產(chǎn)品。

　　二、TMS320C6713簡(jiǎn)介

　　TMS320C6713 DSP是美國(guó)TI于1997年推出的C6000系列DSP芯片的一款，它是32位高速浮點(diǎn)型DSP，時(shí)鐘最高頻率為300MHz。

　　TMS320C6713主要特點(diǎn)有：

　　（1）體系結(jié)構(gòu)采用超長(zhǎng)指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，單指令字長(zhǎng)為32位，指令包里有8個(gè)指令，總字長(zhǎng)達(dá)到256位。執(zhí)行指令的功能單元已經(jīng)在編譯時(shí)分配好，程序運(yùn)行時(shí)通過專門的指令分配模塊，可以將每個(gè)256位的指令包同時(shí)分配到8個(gè)處理單元，并由8個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行。其最大處理能力可以達(dá)到2400MIPS。

　　（2）采用二級(jí)緩沖處理，4KByte直接匹配的程序緩沖L1P，4KByte可匹配的數(shù)據(jù)緩沖L1D，256KByteL2額外匹配內(nèi)存。32位外部存儲(chǔ)器接口，可無縫連接SRAM、EPROM、Flash、SBSRAM和SDRAM。

　　（3）豐富的外設(shè)，包括DMA，EDMA，支持無需CPU參與可以在允許的地址空間里傳送數(shù)據(jù)，擴(kuò)展總線，具有主機(jī)口和I/O端口操作等功能，多通道緩沖串口，其通過配置能和多種串行通信接口通信，兩個(gè)32位通用定時(shí)器等。

　　三、模擬轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　1、模擬轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　由于在綜合控制計(jì)算機(jī)采集的信號(hào)源與AD7656要求的輸入信號(hào)不匹配，所以對(duì)信號(hào)源的信號(hào)進(jìn)行前端調(diào)理電路調(diào)整，在AD7656前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)主要考慮了如下因素：

　　（1）阻抗匹配。由于輸入信號(hào)的信號(hào)源不一定是低阻抗，AD7656的輸入端很可能會(huì)對(duì)信號(hào)源信號(hào)分壓，從而影響采集轉(zhuǎn)換信號(hào)的精度。在AD7656前級(jí)輸入采用運(yùn)算放大緩沖器解決該問題，因?yàn)檫\(yùn)算放大緩沖器具有很高的輸入阻抗，因此不會(huì)對(duì)信號(hào)源分壓，同時(shí)它的低輸出阻抗適合驅(qū)動(dòng)AD7656的輸入端;

　　（2）減小容性負(fù)載的影響。AD7656輸入端具有容性負(fù)載特性，通常需要一個(gè)電阻和電容組成外部補(bǔ)償電路，采用該電路給信號(hào)源增加了容性負(fù)載。

　　AD7656前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)見圖3所示。AD7656前端調(diào)理電路采用的運(yùn)算放大緩沖器為ADI公司的OP177FS，其具有低輸入失調(diào)電壓（25μV），失調(diào)電壓時(shí)間漂移最大0.1μV/℃，開環(huán)增益最小12V/μV，電源電流2.0mA。

　　2、AD7656與TMS320C6713B接口電路設(shè)計(jì)

　　AD7656與TMS320C6713B接口電路采取并行接口設(shè)計(jì)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)將AD7656的“SER/PAR”管腳設(shè)置為并行接口方式，“W/B”管腳設(shè)置為字方式，“H/SSEL”管腳設(shè)置為硬件啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式。TMS320C6713B通過外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）總線實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7656訪問，啟動(dòng)對(duì)AD7656轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)，接口電路結(jié)構(gòu)圖見圖4所示。

　　TMS320C6713B通過CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7656控制邏輯譯碼，來滿足AD7656的訪問時(shí)信號(hào)的邏輯要求，AD7656訪問時(shí)序圖見圖5所示。

　　AD7656包括6通道ADC轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)6通道ADC同步轉(zhuǎn)換，減少了多路ADC轉(zhuǎn)換采樣時(shí)間。在CPLD邏輯設(shè)計(jì)中采用同時(shí)控制“CONVSTA”

　　“CONVSTB”“CONVSTC”管腳輸出有效完成6通道ADC通道同步轉(zhuǎn)換。

　　根據(jù)圖5所示AD76565通過“CONVSTA，B，C”信號(hào)的上升沿啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，ADC轉(zhuǎn)換過程中，“BUSY”信號(hào)為邏輯“高”標(biāo)識(shí)，ADC正在轉(zhuǎn)換過程中，ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生，從“CONVSTA，B，C”信號(hào)的上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換3μs后ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束，“BUSY”信號(hào)為邏輯“低”表示ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束。TMS320C6713B通過EMIF總線接口完成對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。對(duì)AD7656芯片轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取，通過“CS”片選信號(hào)和“RD”讀信號(hào)控制，6個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，TMS320C6713B控制“CS”為有效和6個(gè)“RD”讀有效信號(hào)，完成對(duì)模擬量輸入“V1”信號(hào)、“V2”信號(hào)、“V3”信號(hào)、“V4”信號(hào)、“V5”信號(hào)、“V6”信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。

　　3、AD7656設(shè)計(jì)中應(yīng)注意問題

　　3.1電壓基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

　　由于AD7656轉(zhuǎn)換的精度與參考電壓基準(zhǔn)電壓的精度有很大關(guān)系，參考電壓基準(zhǔn)輸出電壓值用來確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的滿量程輸入范圍，同時(shí)參考電壓基準(zhǔn)電壓的任何誤差都會(huì)嚴(yán)重影響ADC的線性和無雜散動(dòng)態(tài)范圍。

　　由于AD7656內(nèi)部集成的電壓基準(zhǔn)參數(shù)精度低，一般在對(duì)于分辨率大于12位的ADC應(yīng)用中采用高精密外部電壓基準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)采用高精密外部電壓基準(zhǔn)AD780BR作為AD7656轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)。通過表2對(duì)兩種電壓基準(zhǔn)參數(shù)比較，看出外部高精密電壓基準(zhǔn)精度高，具有更低的溫度系數(shù)、熱遲滯和長(zhǎng)期漂移。

　　四、PCB設(shè)計(jì)

　　1、數(shù)\模區(qū)域分割

　　在高速AD采集電路的設(shè)計(jì)中，達(dá)到高精度與PCB設(shè)計(jì)是密不可分的，所以進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)過程中，按照電路實(shí)現(xiàn)的功能可以簡(jiǎn)單地劃分為數(shù)字電路和模擬電路兩部分，將數(shù)字區(qū)域與模擬區(qū)域進(jìn)行分割，形成每個(gè)區(qū)域的獨(dú)立電源和地，這樣可以有效抑制干涉的傳導(dǎo)和RF能量的輻射。

　　AD7656芯片在管腳定義時(shí)將模擬量和數(shù)字量信號(hào)按區(qū)域定義，有利于PCB設(shè)計(jì)中數(shù)字量和模擬量區(qū)域分割，布線時(shí)注意模擬信號(hào)區(qū)域布模擬信號(hào)線，數(shù)字信號(hào)區(qū)域布數(shù)字信號(hào)線，不要將數(shù)字信號(hào)線和模擬信號(hào)線并行布線。

　　在本系統(tǒng)中模擬地和數(shù)字地采用一個(gè)電勢(shì)參考點(diǎn)，所以模擬地和數(shù)字地采用單點(diǎn)共地，共地點(diǎn)盡可能地靠近AD7656。

　　2、電源去耦設(shè)計(jì)

　　由于AD7656芯片存在多個(gè)電源管腳，在每個(gè)電源管腳需要連接去耦電容。去耦電容的設(shè)計(jì)中采用并聯(lián)100nF和10 μF電容。電容選擇時(shí)可選用具有小等效串聯(lián)電感（ESL）瓷介質(zhì)電容。AD7656的去耦電容設(shè)計(jì)見圖6所示。

　　五、AD采集軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　TI公司提供良好的C/C++編譯器，在TMS320C6713B軟件開放過程中支持C/C++語言設(shè)計(jì)。并且提供的良好的庫函數(shù)（DSPLIB），支持TMS320C6713B的數(shù)學(xué)運(yùn)算和矢量運(yùn)行。

　　采集軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)，主要包括初始化函數(shù)、AD7656轉(zhuǎn)換啟動(dòng)函數(shù)和AD7656轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取函數(shù)。

　　初始化函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)TMS320C6713B系統(tǒng)時(shí)鐘、EMIF總線時(shí)鐘配置，EMIF總線接口訪問時(shí)序的配置。通過該初始化函數(shù)配置，配置CS（片選）RD讀信號(hào)相對(duì)時(shí)序關(guān)系，滿足AD7656訪問時(shí)序關(guān)系。

　　AD7656轉(zhuǎn)換啟動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)AD7656的AD轉(zhuǎn)換，該函數(shù)控制AD7656轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)CONVSTA，B，C為有效狀態(tài)，同步6路AD轉(zhuǎn)換。

　　AD7656轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)識(shí)查詢函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7656轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)識(shí)信號(hào)BUSY查詢，判斷AD7656內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。

　　AD7656轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取函數(shù)實(shí)現(xiàn)檔查詢到AD轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)識(shí)后，讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。該函數(shù)通過連續(xù)的6次讀操作，讀取6路AD同步轉(zhuǎn)換結(jié)果。AD采集軟件流程見圖7所示。

　　六、結(jié)束語

　　針對(duì)要求高精度、多路信號(hào)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)采集，本設(shè)計(jì)選用了AD7656和TMS320C6713B相結(jié)合作為某控制系統(tǒng)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控以及故障檢測(cè)系統(tǒng)方案，本設(shè)計(jì)接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采集精度高、速度快，可同時(shí)完成對(duì)多路信號(hào)的采集。系統(tǒng)聯(lián)試證明，本系統(tǒng)完全滿足某控制系統(tǒng)對(duì)工作狀態(tài)監(jiān)控以及故障檢測(cè)信號(hào)的采集精度和實(shí)時(shí)性的要求。