摘 要：AD7656是ADI（美國模擬器件公司）在2006年最新推出的16位、6通道,、同步采樣" title="同步采樣">同步采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品,。本文介紹該款產(chǎn)品的性能、工作原理及在電力繼電保護(hù)" title="繼電保護(hù)">繼電保護(hù)類產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)要求和注意事項(xiàng),。
關(guān)鍵詞：AD7656? iCMOS? 繼電保護(hù)? 單點(diǎn)接地? 去耦
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1 AD7656的性能簡介
??? AD7656是高集成度,、6通道,、16bit" title="16bit">16bit逐次逼近（SAR）型ADC，它具有最大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,。該AD7656還具有高速并行和串行接口" title="串行接口">串行接口,，可以與微處理器（MCU）或數(shù)字信號處理器（DSP）連接。AD7656在串行接口方式下,，能提供一個菊花鏈連接方式,，以便把多個ADC連接到一個串行接口上。
??? AD7656采用具有ADI專利技術(shù)的iCMOS(工業(yè)CMOS)工藝,。iCMOS工藝是一種高壓半導(dǎo)體工藝與亞微米CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）和互補(bǔ)雙極型工藝相結(jié)合的制造工藝,。它能開發(fā)出承受30V電源電壓的多種高性能模擬IC，并且其小封裝尺寸是任何其他同類高電壓IC都未曾達(dá)到的,。與使用傳統(tǒng)CMOS工藝的模擬IC不同,，iCMOS器件能承受高電源電壓，同時提高性能,、顯著降低功耗和縮小封裝尺寸。AD7656是使用該種工藝設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品,，所以非常適合在繼電保護(hù),、電機(jī)控制等工業(yè)領(lǐng)域使用。圖1是AD7656的內(nèi)部原理框圖,。
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2 AD7656的工作原理
??? AD7656是具有獨(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信號和一個內(nèi)部晶振控制的。3個CONVST管腳允許3路ADC對獨(dú)立同步采樣,。當(dāng)3個CONVST管腳連接到一起時,，就可以進(jìn)行6個通道的同步采樣。 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，AD7656具有的菊花鏈特性允許多個ADC和一個串行接口連接,。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。
??? 圖2是AD7656在并行接口方式下的工作時序圖,。首先,，通過MCU或DSP控制CONVST管腳啟動轉(zhuǎn)換,，并保持該信號為高電平。AD7656啟動轉(zhuǎn)換信號后會自動輸出
信號,，
信號下降沿時,，代表轉(zhuǎn)換已經(jīng)全部完成。此時,，AD7656內(nèi)部的6個寄存器中已經(jīng)保存了轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù),，然后通過控制片選
和讀
信號依次順序讀出6個通道AD轉(zhuǎn)換值。 讀出AD轉(zhuǎn)換值后,，改變CONVST為低電平信號,。注意在設(shè)計(jì)時，一定要保證AD轉(zhuǎn)換過程中CONVST管腳保持高電平,。
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3 AD7656在電力繼電保護(hù)產(chǎn)品中的應(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,。
3.1 AD7656前端模擬電路設(shè)計(jì)
??? AD7656可以支持輸入±10V雙極信號,，按照經(jīng)典的設(shè)計(jì)理論，需要對前端信號進(jìn)行抗混疊濾波,。為了滿足16bit精度的要求,，前端要選用高精度并且可以處理±10V雙極信號的運(yùn)算放大器作信號處理和濾波。
3.2 AD7656電源設(shè)計(jì)
3.2.1 VDD和VSS
??? 在AD7656的設(shè)計(jì)中,，VDD和VSS主要作為采樣保持開關(guān)工作的電源,，圖3是VDD和VSS工作的原理框圖。一般設(shè)計(jì)時,，需要保證大于VINx模擬輸入端的輸入電壓范圍,，才能保證AD可靠工作。表1是AD7656在不同條件下需要的最小值,。
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??? 實(shí)際設(shè)計(jì)中,，可以采用幾種方式得到VDD和VSS。一種方式是采用開關(guān)電源的方式來設(shè)計(jì)產(chǎn)生VDD和VSS；另一種是采用電荷泵的方式提供VDD和VSS,；還有一種方式是使用DC-DC模塊來提供VDD和VSS,。由于AD7656對于VDD的紋波比較敏感，會直接影響采樣得到的精度,，所以,，無論應(yīng)用那種方式提供VDD和VSS，均要考慮較好的濾波系統(tǒng),。圖4是一種采用美國ADI公司生產(chǎn)的ADP1611提供VDD和VSS的DC-DC方案設(shè)計(jì),。
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3.2.2 AVCC(AGND)和DVCC(DGND)
??? AVCC和DVCC是AD7656的模擬電壓輸入端和數(shù)字電壓輸入端。AD7656作為6通道獨(dú)立的同步采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,，在轉(zhuǎn)換過程中需要足夠的電能量,，所以對于AVCC的去耦在設(shè)計(jì)中就顯得十分重要，后面將有具體描述,。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,，可以單獨(dú)提供±15V(或是±12V)電壓給VDD和VSS電壓輸入端，同時提供＋5V給AVCC模擬電壓端,，通過濾波器(小電阻或磁珠)把AVCC連接到DVCC,，然后再通過濾波器供給CPU系統(tǒng)＋5V電源；或在提供±15V采樣電壓時,，將＋15V電壓使用DC/DC得到＋5V電壓,，供給AVCC和DVCC輸入端使用，而CPU系統(tǒng)則采用單獨(dú)的＋5V電源,。
??? 在AVCC和DVCC的連接設(shè)計(jì)上,，由于DVCC會引來一些數(shù)字噪聲給AVCC，影響AD7656的采樣性能,。所以在AVCC和DVCC之間需要放置一個幾歐姆的小電阻或是一個小磁珠,。加入小電阻或是磁珠后，在DVCC產(chǎn)生噪聲的頻點(diǎn)上,，小電阻或是磁珠可以看成是高阻狀態(tài)，能夠使正常的信號通過并濾除噪聲,。
3.3 AD7656基準(zhǔn)設(shè)計(jì)
??? AD7656具有10ppm的內(nèi)部基準(zhǔn),，對于一般的單芯片可以滿足設(shè)計(jì)需要。但是在多芯片產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,，由于不同芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)提供的初始精度不同,，所以溫度系數(shù)也會不同，為了得到更高的性能和可靠性,，需要一個穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn),。ADR421具有2.5V輸入、1ppm/℃的溫度系數(shù)、初始精度可以達(dá)到0.04％,，是一款在電力繼電保護(hù)系統(tǒng)中成功應(yīng)用的電壓基準(zhǔn)芯片,。ADI最新推出了同ADR421管腳完全兼容的ADR441產(chǎn)品，其具有1ppm/℃的溫度系數(shù),，0.04％的初始精度,，而且僅僅1.2μV的p-p噪聲性能，也是十分適合電力繼電保護(hù)產(chǎn)品應(yīng)用的電壓基準(zhǔn)芯片,。
3.4 AD7656的接地設(shè)計(jì)
3.4.1 單片AD7656接地方式
??? AD7656在單芯片設(shè)計(jì)時,，接地需要采用系統(tǒng)單點(diǎn)接地方式。AD7656的AGND和DGND分別作為模擬電路和數(shù)字電路的平面地來處理,。在AD7656的芯片下面進(jìn)行接地處理,。此時，AVCC和DVCC的電源采用不同的電源電路設(shè)計(jì),，如圖5所示,。
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3.4.2 多片AD7656接地方式
??? 對于繼電保護(hù)產(chǎn)品需要采用多片AD7656使用的系統(tǒng)，其接地方式和單片系統(tǒng)有很大差別,。多片系統(tǒng)設(shè)計(jì)上把AD7656的AGND和DGND作為統(tǒng)一的模擬地平面處理,，而把同AD7656接口的CPU處理器的電源地作為數(shù)字地平面處理，采用系統(tǒng)單點(diǎn)接地方式時,，需要在同多片AD7656距離接近的地方作為接地點(diǎn),。同時應(yīng)注意，AGND和DGND是單獨(dú)通過各自的過孔連接到模擬地平面的,，如圖6所示,。
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3.5 AD7656系統(tǒng)的電容設(shè)計(jì)
??? AD7656在轉(zhuǎn)換過程中，對于電容的要求比較嚴(yán)格,，主要原因是模數(shù)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中需要足夠的電能量保證其完整正確地把模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號,。由于AD7656有6個獨(dú)立通道的ADC，所以6個通道同步轉(zhuǎn)換的過程中,，需要較多的瞬態(tài)電流從AVCC流入AD,，因此需要較多的能量保證AVCC的電源電壓的供給，所以在設(shè)計(jì)上需要配置足夠的電容,。不恰當(dāng)?shù)碾娙菰O(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)會對電路的整體性能造成很大的影響,。通過實(shí)際的測試和試驗(yàn)，推薦以下幾種設(shè)計(jì)方案,。
3.5.1 方案一
??? 圖7是推薦的可以得到最好性能的電容設(shè)計(jì),。主要的設(shè)計(jì)要求包括：
??? (1)VDD，VSS,，Vdrive,，DVCC，REFCAPA，REFCAPB,，REFCAPC,，REFIN/OUT管腳都需要一個100nF和10μF的去耦電容" title="去耦電容">去耦電容；
??? (2)每個AVCC管腳需要配置一個100nF和一個10μF的去耦電容,；
??? (3)在AVCC的板級輸入端加入一個推薦為22μF以上的去耦電容,；
??? (4)設(shè)計(jì)單獨(dú)的AVCC電源平面。
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3.5.2 方案二
??? 通過一些試驗(yàn)證明,，方案一對于設(shè)計(jì)電路板的排布是一個十分艱巨的任務(wù),，為了減少對于板級面積的壓力，設(shè)計(jì)了方案二,。其基本可以達(dá)到方案一的效果,，電路與方案一類似，設(shè)計(jì)差別為：
??? (1)每個AVCC管腳需要配置一個10μF的去耦電容,；
?? ?(2)每個AVCC管腳需要單獨(dú)通過過孔連接到AVCC電源平面,。
3.5.3 方案三
??? 方案三是更加簡潔的設(shè)計(jì)方案，是在方案一基礎(chǔ)上建立的,，具體差別為：
??? (1)把6個ADC的AVCC電源管腳分成3組,，每組放置一個100μF的去耦電容；
??? (2)不需要較大的去耦電容放置在板級AVCC輸入端,。
3.6 其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
3.6.1 復(fù)位問題
??? 用AD7656進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時候,，要注意到一點(diǎn)：無論采取硬件模式或軟件模式，在AD7656上電后必須對其進(jìn)行復(fù)位,，復(fù)位脈沖一般在100ns以上,。
3.6.2 Vdrive連接問題
??? Vdrive管腳主要用于控制總線上的電壓信號，一般與所用I/O總線的電壓一致,，所以可以提供3.3V或是5V,。
3.6.3 總線緩沖問題
??? 在設(shè)計(jì)中建議加入一級緩沖，主要為了防止由于數(shù)字噪聲耦合到電源對A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響,，推薦設(shè)計(jì)使用ADI公司的ADG3308,。ADG3308是一款ADI公司最新推出的用于總線電平轉(zhuǎn)換和隔離的芯片，能在1.2V～5.5V的電源系統(tǒng)中以40Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù),。與其他解決方案不同,，ADG3308不需要用DIR引腳選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颍邮茉撈骷忻恳粋€具體通道執(zhí)行的自動檢測,，從而允許同時讀和寫信號,，設(shè)計(jì)上簡單方便,。
??? 總之,，AD7656作為6通道、同步采樣的16bit AD轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，是專為針對電力繼電保護(hù)和電機(jī)控制設(shè)計(jì)量身定做的一款產(chǎn)品,，同時也適用于電力故障錄波,、負(fù)控終端等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] AD7656 datasheet.www.analog.com.
[2] AD7656_Layout_Guidelines www.analog.com
[3] JUNG W.Op Amp Applications Handbook.Analog Device?Inc.