于克泳+葉健

摘要：AD7616是ADI公司推出的一款16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。對(duì)于多通道非同步采樣型ADC，本文采用“V型采樣十?dāng)?shù)據(jù)平均”的模式在AD7616的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)同步采樣，同時(shí)基于AD76、6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了理論上的誤差分析。

關(guān)鍵詞：AD7616 V型采樣準(zhǔn) 同步采樣

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.018

1 AD7616簡(jiǎn)介

AD7616是ADI公司推出的一款16位16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），同一封裝內(nèi)集成了兩個(gè)16位逐次逼近寄存器型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），支持對(duì)16個(gè)通道進(jìn)行雙路同步采樣。AD7616的模擬輸入端為真雙極性輸入，每個(gè)通道的量程可獨(dú)立設(shè)置，有±10 V、±5V或±2.5 V供選擇，同時(shí)輸入端具有±20V的箝位（CLAMP）保護(hù)，而且片內(nèi)集成有抗混疊模擬濾波器。AD7616采用+5 V單電源供電，擁有l(wèi)Msps的采樣速率并達(dá)到90dB的信噪比（SNR），輸入阻抗與采樣速率無關(guān)，恒定為1MΩ，因此無需外部的驅(qū)動(dòng)電路及雙極性電源。

AD7616通過HW_RNGSEL[1：0]管腳進(jìn)行選擇，工作在硬件模式或軟件模式。硬件模式下，AD7616由引腳進(jìn)行配置。軟件模式下，AD7616支持并口或串口對(duì)內(nèi)部的寄存器及靈活的序列器（Flexible Sequencer）進(jìn)行配置，以獲得更多的功能。AD7616的內(nèi)部框圖如圖1所示。

2 多通道準(zhǔn)同步采樣

電力系統(tǒng)保護(hù)與測(cè)控的應(yīng)用中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中多相的電壓和電流信號(hào)。為了滿足各種標(biāo)準(zhǔn)的精度要求，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中通常都是對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行同步采樣，因此一般選用多通道同步采樣型的ADC，例如AD7865，AD7656-1，AD7606等都是典型的應(yīng)用選擇。

在某些需要低成本但精度要求不高的應(yīng)用中，工程師嘗試采用一種“MUX模擬開關(guān)+單通道ADC”的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示，利用模擬開關(guān)切換輸入通道，用單通道ADC循環(huán)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。由于多通道信號(hào)的非同步采樣，采樣點(diǎn)的間隔時(shí)間會(huì)導(dǎo)致通道間采樣的延遲，并由此帶來一定的相位誤差或相位失配，誤差的大小與多個(gè)因素相關(guān)，取決于輸入

信號(hào)的頻率、幅值、采樣時(shí)刻信號(hào)的相位等。

為了減少非同步采樣所帶來的通道間相位誤差， 設(shè)計(jì)一種采樣序列， 通道順序?yàn)?“VINO→VIN1→VlN 2→…>VIN6>VIN7>VIN6>…>VIN2>VIN1>VINO”，如圖3所示。由于采樣序列像一個(gè)大寫的字母“V”，我們不妨稱之為“V型采樣”模式。

在圖3“V型采樣”配置下，VINO - VIN6的每個(gè)通道前后采樣兩次，而且采樣時(shí)刻在VIN7采樣時(shí)刻的兩側(cè)呈對(duì)稱分布。如果ADC的采樣間隔控制為等間距，當(dāng)輸入信號(hào)為線性信號(hào)時(shí)，VINO - VIN6通道前后兩次采樣數(shù)據(jù)的平均值與在VIN7采樣時(shí)刻的結(jié)果是相同的，這就通過“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”的方式實(shí)現(xiàn)了多通道間的準(zhǔn)同步采樣，因此把VIN7的采樣時(shí)間點(diǎn)稱之為“準(zhǔn)同步采樣時(shí)刻”，如圖4所示。

如果輸入信號(hào)為正弦波，采用“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”的模式會(huì)帶來一定的誤差，但相比傳統(tǒng)的“MUX模擬開關(guān)+單通道ADC”非同步采樣模式而言，仍然可以大幅減少由于非同步采樣而帶來的通道間誤差。

3 “V型采樣+數(shù)據(jù)平均”的誤差分析

以正弦波為例，分析“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”模式得到的平均值與準(zhǔn)同步采樣時(shí)刻的采樣值之間誤差的大小。為了簡(jiǎn)化分析，將輸入正弦波信號(hào)的幅值歸一化為1.0，并假定第一個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)正弦波的相位為α，β，第二個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)正弦波的相位為α+2 β，系統(tǒng)應(yīng)用為例，用T_span=14μs來計(jì)算“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”所帶來誤差的最大值：

對(duì)于50Hz（基波），誤差最大值為：1 - COS（π*50Hz* 14μs）<0.01‰；

對(duì)于250Hz（5次諧波），誤差最大值為：1-COS（π*250Hz*14μs）<0.1%：

對(duì)于2550 kHz（51次諧波），誤差最大值為：1-COS（π*2550Hz*14μs）<6.3‰；

從以上的計(jì)算結(jié)果來看， “V型采樣+數(shù)據(jù)平均”的模式完全可以滿足電力系統(tǒng)中保護(hù)和測(cè)控的精度要求。下一步將會(huì)用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4 AD7616準(zhǔn)同步采樣的實(shí)現(xiàn)

在傳統(tǒng)的“MUX模擬開關(guān)+單通道ADC”模式中，ADC每收到一個(gè)CONVST啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)后，僅完成一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換。這就意味著，要通過“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”的方式來實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)同步采樣”，需要處理器（Processor）發(fā)出一系列的CONVST啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的采樣序列，還要求處理器在每次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之前讀出ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這既增加了處理器的負(fù)擔(dān)，又降低了系統(tǒng)的可靠性。

AD7616內(nèi)部集成了MUX模擬開關(guān)和SAR型ADC，特別之處在于還集成有突發(fā)模式（Burst Mode）和靈活的通道序列器（Flexible Sequencer）。當(dāng)AD7616工作在軟件模式（Software Mode）下，通過設(shè)置序列棧寄存器（Sequencer stack registers），處理器只需要發(fā)出一個(gè)CONVST啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，AD7616將會(huì)自行完成所有設(shè)置通道的轉(zhuǎn)換，并把每一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果放在數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，待全部通道轉(zhuǎn)換完成后，AD7616將BUSY忙碌指示信號(hào)置低，等待處理器讀取所有通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。AD7616與處理器的連接及內(nèi)部通道序列器的示意圖如圖6所示。

AD7616內(nèi)部有兩個(gè)高速ADC核，稱為A核和B核。通道的序列棧寄存器地址為Ox20到Ox3F，總共包含32個(gè)寄存器，由用戶編程來實(shí)現(xiàn)1到32個(gè)預(yù)定的采樣序列。每個(gè)寄存器的寬度為16bit，其中[7：4] bit定義為BSEL，用來設(shè)定B核的轉(zhuǎn)換通道 [3：0] bit定義為ASEL，用來設(shè)定A核的轉(zhuǎn)換通道。寄存器中的[8] bit定義為SSREN，是通道轉(zhuǎn)換序列的結(jié)束控制位，如果設(shè)定為0，AD7616將調(diào)入下一個(gè)序列寄存器的設(shè)置進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如果設(shè)定為1，通道轉(zhuǎn)換序列在完成本次轉(zhuǎn)換后結(jié)束。轉(zhuǎn)換通道的選擇，除了模擬輸入通道VINO -VIN7，還可以選擇內(nèi)部Vcc，內(nèi)部LDO，或者固定輸出一個(gè)標(biāo)志字Ox5555或OxAAAA。AD7616序列棧寄存器的描述如圖7所示。endprint

在應(yīng)用中，處理器上電后，需要對(duì)AD7616內(nèi)部的通道序列棧寄存器進(jìn)行初始化。初始化完成后，需要把AD7616尋址寄存器的REGADDR[4：0]設(shè)置為00000，使得AD7616的狀態(tài)為輸出ADC轉(zhuǎn)換數(shù)值。假定按照?qǐng)D3的模式進(jìn)行設(shè)置，即采樣通道順序?yàn)椤癡INO→VIN1→VIN2→…→VIN6→VIN7→VIN6→…→VIN2→VIN1→VINO”。處理器與AD7616并口連接的情況下，序列棧寄存器的配置代碼參考圖8所示。在這樣的配置下，VINO-VIN6通道都分別被采樣了兩次，數(shù)據(jù)平均由處理器來計(jì)算，這樣準(zhǔn)同步采樣時(shí)刻正好對(duì)應(yīng)于VIN7通道采樣點(diǎn)在時(shí)間軸的位置。

應(yīng)用中特別需要注意的是：軟件模式下，完成AD7616所有寄存器的配置后，由于需要一個(gè)CONVST啟動(dòng)轉(zhuǎn)換來使得所有寄存器配置都有效，因此AD7616第一次轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果是不可靠的，應(yīng)用中需要把第一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)丟棄，數(shù)據(jù)手冊(cè)中也把這第一次的轉(zhuǎn)換稱為“偽轉(zhuǎn)換” （Dummy Convert）。另外，為了實(shí)現(xiàn)一次CONVST完成序列棧寄存器中全部通道的轉(zhuǎn)換，在AD7616配置寄存器（Ox02 - Configuration Register）中的SEQEN、BURSTEN位（bit5，bit6）者l必須使臺(tái)旨。AD7616的工作流程圖參考圖9所示。

5 測(cè)試驗(yàn)證

配合理論分析，同時(shí)搭建了AD7616的測(cè)試系統(tǒng)，如圖10所示。驗(yàn)證系統(tǒng)中，信號(hào)源為Audio Precision2712，輸出高SNR（信噪比）、低THD（總諧波失真）的正弦波供AD7616進(jìn)行測(cè)試。處理器采用Cortex-M4內(nèi)核的混合信號(hào)控制處理器ADSP-CM408F，AD7616采集的數(shù)據(jù)通過串口（UART）發(fā)送給PC電腦，使用VisualAnalog rM軟件分析AD7616數(shù)據(jù)獲得交流性能指標(biāo)（SNR和THD），使用Microsoft Excel@運(yùn)行DFT算法獲得幅值和相位信息。

測(cè)試中，AD7616的采樣序列按照?qǐng)D4的“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”模式進(jìn)行設(shè)置，但為了讓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比更為容易，同時(shí)排除AD7616各通道間性能差異的影響，序列棧寄存器設(shè)置為對(duì)同一個(gè)輸入通道VINO進(jìn)行連續(xù)多次采樣，這樣在一次“V型采樣”中，VINO先后總共被采樣1 5次，分別定義為SO-S14，如圖1 1所示。

數(shù)據(jù)計(jì)算中，把SO與S14配對(duì)并取均值，S1與S13配對(duì)取均值，以此類推，但S7不參與任何平均計(jì)算。這樣，將（SO+S14）/2，（S1+S1 3）/2，（S2+S12）/2， （S3+S11）/2，（S4+S10）/2， （S5+S9）/2， （S6+S8）/2的平均值結(jié)果，與S7的VINO原始信號(hào)進(jìn)行比較，獲得測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試中，AD7616的VINO量程設(shè)置為±10V，輸入正弦波的幅值為9.6Vp，（即-0.352 dBFS），分別設(shè)定輸入正弦波頻率為50Hz，250Hz，2550Hz（50Hz電力線基頻的5次，51次諧波）進(jìn)行測(cè)試。

當(dāng)輸入信號(hào)為50Hz正弦波（電力線基頻）的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，對(duì)于50Hz輸入信號(hào)采用平均值計(jì)算得到的結(jié)果相對(duì)于原始信號(hào)的幅值和相位誤差完全在可接受的范圍內(nèi)。事實(shí)上，在采用平均值計(jì)算時(shí)，由于過采樣（前后共兩次采樣）的存在，相比單次采樣時(shí)的信噪比（SNR）性能還略有提高。

當(dāng)輸入信號(hào)為250Hz正弦波（50Hz電力線基頻的5次諧波）的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

當(dāng)輸入信號(hào)的頻率提高到250Hz時(shí)，幅值有-O.OOldB衰減，相當(dāng)于0.1%，與之前數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的結(jié)果一致，相位誤差完全在可接受的范圍內(nèi)。

當(dāng)輸入信號(hào)為2550Hz正弦波（50Hz電力線基頻的51次諧波）的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

當(dāng)輸入信號(hào)的頻率提高到2550 Hz時(shí)，“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”所帶來的誤差開始比較明顯。SO與S14的間隔最遠(yuǎn)，因此平均值的計(jì)算結(jié)果是誤差最大的情況，對(duì)比S7，誤差為-0.055dB，相當(dāng)于6.3‰的誤差，與數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的結(jié)果一致。S7幅值的計(jì)算結(jié)果為-0.38ldBFS，對(duì)比50Hz時(shí)有所衰減，這是由于AD7616內(nèi)部低通濾波器的滾降所致，并非“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”所帶來的誤差。

6 結(jié)論

對(duì)輸入為50Hz、250Hz、2550Hz正弦波的測(cè)試數(shù)據(jù)也可以看出，AD7616配置在“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)的結(jié)果。

受益于AD7616的lMsps高采樣率，通過配置AD7616內(nèi)部的序列棧寄存器，在“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”的模式下，非同步采樣型的AD7616也可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模擬量輸入通道之間近似于同步的采樣，因此稱為AD7616的準(zhǔn)同步采樣。

大多數(shù)電力自動(dòng)化應(yīng)用中需要測(cè)量的信號(hào)在50 Hz到2550Hz范圍內(nèi)，如果采用AD7616來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步采樣，系統(tǒng)的交流幅值測(cè)量誤差以及通道間的相位失配誤差都降至可以接受的范圍內(nèi)，并且顯著降低了系統(tǒng)的成本。

參考文獻(xiàn)

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[2]ADSP-CM408F datasheet. 240MHz ARM Cortex-M4 with 13+ ENOB ADC. Analog DeviceInc.

[3]Audio Precision. AP2700 series.

[4]Visual Analog. Analog Device Inc.endprint