新型AD变换器AD73360及其应用
随着计算机应用的广泛和深入,技术上对连接数字世界和物理世界的桥梁—A／D变换器,即模拟前端提出了越来越高的要求。特别是单片式DSP（Digital Signal Processor—数字信号处理器）在控制领域的推广应用,更是要求有简洁高效的A／D变换器与之相配套。美国AD公司推出的AD73360型 A／D变换器就是符合这样要求的模拟前端芯片。 AD73360具有六个模拟量输入通道,每个通道可以输出长度为十六位的数字量。这六个通道可同时采样,并且无须CPU干预,从而有效地减少了由于采样时间不同而产生的相位误差。各个通道的采样速率可以方便地利用控制字在8kHz、16kHz、32kHz和64kHz中进行设定。每个通道可以允许从直流到 4kHz的模拟信号通过。由于各个通道都有内置的反混迭滤波器,所以对其输入端反混迭滤波器的要求大为降低,而仅需要简单的一阶RC滤波器即可。 AD73360在级联使用时,最多可将八个级联在一起。因此,模拟量输入通道的最大数目可方便地扩展到四十八路。这给模拟量输入通道数目的扩展工作带来了极大的方便。 AD73360使用六线工业标准同步串行接口与CPU接口。由于接口信号线的数目只有六条,所以这样不仅节约了印制板的面积,而且也有效地减小了电磁干扰,从而使得系统运行更加稳定。由于现代的单片式DSP（例如TMS320F206）都支持六线工业标准同步串行接口,所以AD73360与DSP连接组成的测控系统极其简洁高效。 AD73360特别适合于要求同时采样的工业控制应用。它不仅适合于大信号应用,也适合于小信号应用。由于AD73360有内置的程控可变增益放大器,所以对小信号应用尤其简洁高效。 由于单片AD73360具有六个同时采样的模拟量输入通道,所以特别适合于三相制电力运行参数测控类应用（三个相电压和三个相电流同时采样）系统。本文的应用实例就是笔者已设计成功的三相制电力运行参数测控应用系统的实例。 2 引脚功能 AD73360有两种封装形式,一种是R－28,另一种是SU－44。通常R－28封装的AD73360比较常见,所以此处以R－28封装为例介绍其引脚定义。R－28为28脚表面贴装式封装,其引脚号码、各引脚上的信号名称及其性质如表1所列。 AD73360的电源和地线共占用六条引脚：其AVDD1和AVDD2为模拟电源,AGND1和AGND2为模拟地。DVDD为数字电源,DGND为数字地。其中,模拟电源和数字电源既可为5V,也可为3．3V。 模拟量输入共占用十二条引脚,其中六条正输入端标记为VINP1～VINP6,六条负输入端标记为VINN1～6。 REFOUT是带缓冲的基准电源输出端。使用5V电源时,其额定值为2．5V;使用3．3V电源时,其额定值为1．25V。 REFCAP为片上基准电源的滤波电容器接入端。要求电容容量为0．1μF,并应跨接在此引脚与AGND2引脚之间。 MCLK是主时钟输入端。MCLK信号由外接的16．384MHz石英晶体振荡器来驱动,当MCLK进入AD73360之后,首先被分频生成DMCLK（称之为内部主时钟）,然后再将DMCLK分频生成SCLK。 SCLK是串行时钟输出端。可作为AD73360的输出来传送到DSP同步串行接口的时钟输入,同时可用来控制二者之间的信息传送速率。 SDO是AD73360的串行数据输出端。此引脚上的数据输出同步于SCLK的正沿。最高有效位（MSB）在先,最低有效位（LSB）在后。当SE处于低电平时,无数据输出,为三态。 SDOFS是AD73360的帧同步输出端。高电平有效,其宽度为一个SCLK周期,该输出同步于SCLK正沿,并出现在每个输出字的最高有效位（MSB）之前。当SE处于低电平时,为三态。 SDI是AD73360的串行数据输入端。来自DSP的控制字经此引脚进入AD73360。此引脚上的数据输入同步于SCLK的负沿。最高有效位（MSB）在先,最低有效位（LSB）在后。当SE处于低电平时,此引脚无效。 SDIFS是AD73360的帧同步输入端。高电平有效,其宽度为一个SCLK周期, 同步于SCLK的负沿。出现于每个输入字的最高有效位（MSB）之前。当SE处于低电平时,此引脚无效。 RESET是AD73360的硬件复位输入端。低电平有效,可复位AD73360内部的所有电路,包括八个控制寄存器（CRA、CRB、CRC、CRE、CRD、CRE、CRF、CRG、CRH）和数字电路。 SE 是同步串行接口（SPORT）开放输入端。此引脚上的信号由DSP控制其为高电平或低电平。当SE为高电平时,AD73360正常工作;当SE为低电平时,AD73360被禁止,此时所有的输出信号都进入三态,所有的输入信号都不起作用,同时AD73360将进入节电状态。 3 应用电路 3.1 模拟输入通道的电路设计 对于AD73360的六个模拟输入通道来说,每一个都既可以配置成单端输入,也可以配置成差动输入。对于电力运行参数监控应用来说,为了提高系统的抗干扰能力,通常使用差动输入。因为物理电力系统的工作频率为50Hz,因此,可以把50Hz的交流信号直接耦合到AD73360的模拟输入端。具体电路如图1所示。图中,REFOUT为AD73360所产生的基准输出,用来偏置模拟输入端的电平,可根据需要配置为1．5V或2．5V。C1和C2为50Hz 交流耦合电容器,其值可取0．1μF或更大。R1和C3、R2和C4共同构成一阶低通滤波器,主要起反混迭的作用。因为AD73360采用的是Σ－ ΔA／D转换原理,具有优良的内置反混迭性能,所以不需要在模拟通道上再配置高阶低通滤波器,而只用简单的一阶RC低通滤波器就足够了。R3和R4的作用是把偏置电平引导到模拟输入端。 3. 2 与DSP的接口电路设计 由于AD73360和TMS320F206型DSP都支持工业标准的六线同步串行接口。所以二者之间的接口电路非常简单。图2是该接口的逻辑电路原理图。图中的四个帧同步信号连接成帧同步返回环方式,即让AD73360的输出帧同步信号SDOFS输出到AD73360的输入帧同步信号SDIFS,而让 TMS320F206的发送帧同步信号FSX输出到接收帧同步信号FSR。这样,无论是发送帧同步信号还是接收帧同步信号,都被强制与SDOFS保持同步。AD73360的数据输入信号SDI和数据输出信号SDO分别与TMS320F206的数据发送信号DX和数据接收信号DR相连。TMS320F206的发送时钟信号与CLKX的接收时钟信号CLKR都取自AD73360的时钟输出信号SCLK。TMS320F206的标志输出信号XF连接到AD73360的复位信号和激活信号SE。 与并行接口相比,采用工业标准的六线同步串行接口的信号线的数目大为减少。这样,不仅减少了印制板面积占用,而且也大大减少了电磁干扰,从而更加有利于系统的稳定工作。因此,在保证满足系统工作速度的前提下,变并行接口为串行接口已成为当今接口技术的发展方向。 4 程序设计 AD73360在程序数据模式下工作时,首先进入程序方式并向AD73360写控制字,然后再切换到数据方式。在从AD73360读数据后,系统将不再切换回程序方式。而在混合模式下,系统总是在程序方式和数据方式之间不断地切换工作,以达到在从AD73360读数据期间改变其配置的目的。 AD73360内部共有八个控制寄存器,分别是CRA～CRH,他们所占用的地址为0～7,每个的长度为8位。AD73360的同步串行接口能够识别长度为16位的来自DSP的控制字。在系统中仅接入一个AD73360的情况下,可按下列程序段来写控制字到AD73360的各个控制寄存器： 将7fffh写入AD73360后,就可以开始读数据了。 5 结束语 以本文所介绍的原理为基础,笔者设计了由TMS320F206 DSP和一片AD73360所组成的电力变压器运行参数监控系统。该系统经实际测试,其电压有效值、电流有效值和功率因数等主要参数均达到了0．5％。如果进一步采取一些技术措施,那么,达到0．3％也是有可能的。 由于本系统是在FFT算法的基础上完成各项参数的计算,因此,可以很容易地实现实时谐波分析功能,且系统运行稳定性和所能达到的精确度均优于传统的以微控制器为核心所构成的系统。
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