利用AD7616的V型采樣實現(xiàn)準(zhǔn)同步數(shù)據(jù)采集

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)用中實現(xiàn)了準(zhǔn)同步采樣，同時基于AD76、6的實驗結(jié)果也驗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16位逐次逼近寄存器型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），支持對16個通道進(jìn)行雙路同步采樣。AD7616的模擬輸入端為真雙極性輸入，每個通道的量程可獨立設(shè)置，有±10 V、±5V或±2.5 V供選擇，同時輸入端具有±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)與測控的應(yīng)用中，需要實時監(jiān)測電網(wǎng)中多相的電壓和電流信號。為了滿足各種標(biāo)準(zhǔn)的精度要求，傳統(tǒng)的設(shè)計中通常都是對多路信號進(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)對輸入信號進(jìn)行采樣。由于多通道信號的非同步采樣，采樣點的間隔時間會導(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，誤差的大小與多個因素相關(guān)，取決于輸入

信號的頻率、幅值、采樣時刻信號的相位等。

為了減少非同步采樣所帶來的通道間相位誤差， 設(shè)計一種采樣序列， 通道順序為 “VINO→VIN1→VlN 2→…>VIN6>VIN7>VIN6>…>VIN2>VIN1>VINO”，如圖3所示。由于采樣序列像一個大寫的字母“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的每個通道前后采樣兩次，而且采樣時刻在VIN7采樣時刻的兩側(cè)呈對稱分布。如果ADC的采樣間隔控制為等間距，當(dāng)輸入信號為線性信號時，VINO - VIN6通道前后兩次采樣數(shù)據(jù)的平均值與在VIN7采樣時刻的結(jié)果是相同的，這就通過“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”的方式實現(xiàn)了多通道間的準(zhǔn)同步采樣，因此把VIN7的采樣時間點稱之為“準(zhǔn)同步采樣時刻”，如圖4所示。

如果輸入信號為正弦波，采用“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”的模式會帶來一定的誤差，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)同步采樣時刻的采樣值之間誤差的大小。為了簡化分析，將輸入正弦波信號的幅值歸一化為1.0，并假定第一個采樣點時刻對應(yīng)正弦波的相位為α，β，第二個采樣點時刻對應(yīng)正弦波的相位為α+2 β，系統(tǒng)應(yīng)用為例，用T_span=14μs來計算“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”所帶來誤差的最大值：

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

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

對于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)和測控的精度要求。下一步將會用實驗的方法進(jìn)行驗證。

4 AD7616準(zhǔn)同步采樣的實現(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CONVST啟動轉(zhuǎn)換控制信號后，僅完成一個通道的轉(zhuǎn)換。這就意味著，要通過“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”的方式來實現(xiàn)“準(zhǔn)同步采樣”，需要處理器（Processor）發(fā)出一系列的CONVST啟動轉(zhuǎn)換控制信號來實現(xiàn)多個通道的采樣序列，還要求處理器在每次啟動轉(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CONVST啟動轉(zhuǎn)換控制信號，AD7616將會自行完成所有設(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個寄存器，由用戶編程來實現(xiàn)1到32個預(yù)定的采樣序列。每個寄存器的寬度為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。假定按照圖3的模式進(jìn)行設(shè)置，即采樣通道順序為“VINO→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)平均由處理器來計算，這樣準(zhǔn)同步采樣時刻正好對應(yīng)于VIN7通道采樣點在時間軸的位置。

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CONVST啟動轉(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)手冊中也把這第一次的轉(zhuǎn)換稱為“偽轉(zhuǎn)換” （Dummy Convert）。另外，為了實現(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必須使臺旨。AD7616的工作流程圖參考圖9所示。

5 測試驗證

配合理論分析，同時搭建了AD7616的測試系統(tǒng)，如圖10所示。驗證系統(tǒng)中，信號源為Audio Precision2712，輸出高SNR（信噪比）、低THD（總諧波失真）的正弦波供AD7616進(jìn)行測試。處理器采用Cortex-M4內(nèi)核的混合信號控制處理器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@運行DFT算法獲得幅值和相位信息。

測試中，AD7616的采樣序列按照圖4的“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”模式進(jìn)行設(shè)置，但為了讓實驗的結(jié)果對比更為容易，同時排除AD7616各通道間性能差異的影響，序列棧寄存器設(shè)置為對同一個輸入通道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)計算中，把SO與S14配對并取均值，S1與S13配對取均值，以此類推，但S7不參與任何平均計算。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原始信號進(jìn)行比較，獲得測試結(jié)果。

測試中，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)行測試。

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

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

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

當(dāng)輸入信號的頻率提高到250Hz時，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)輸入信號為2550Hz正弦波（50Hz電力線基頻的51次諧波）的測試結(jié)果如表3所示。

當(dāng)輸入信號的頻率提高到2550 Hz時，“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)，因此平均值的計算結(jié)果是誤差最大的情況，對比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幅值的計算結(jié)果為-0.38ldBFS，對比50Hz時有所衰減，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

對輸入為50Hz、250Hz、2550Hz正弦波的測試數(shù)據(jù)也可以看出，AD7616配置在“V型采樣+數(shù)據(jù)平均”模式下的實驗結(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也可以實現(xiàn)各個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)電力自動化應(yīng)用中需要測量的信號在50 Hz到2550Hz范圍內(nèi)，如果采用AD7616來實現(xiàn)準(zhǔn)同步采樣，系統(tǒng)的交流幅值測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)

[1]AD7616 datasheet. 16-Channel DAS with 16-Bit， Bipolar Input， Dual Simultaneous SamplingADC. Analog Device Inc.

[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