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

　　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“VIN0→VIN1→VIN2→…→VIN6→VIN7→VIN6→… →VIN2→VIN1→VIN0”。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，VIN0 ~ 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 (0x02 – Configuration Register) 中的SEQEN、BURSTEN位 (bit5, bit6) 都必須使能。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 Precision 2712，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Visual AnalogTM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VIN0進(jìn)行連續(xù)多次采樣，這樣在一次“V型采樣”中，VIN0先后總共被采樣15次，分別定義為S0～S14，如圖11所示。

　　數(shù)據(jù)計算中，把S0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(S0+S14)/2，(S1+S13)/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VIN0原始信號進(jìn)行比較，獲得測試結(jié)果。

　　測試中，AD7616的VIN0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-0.001dB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。S0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-0.381dBFS，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1Msps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 Sampling ADC. Analog Device Inc.

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

　　[3]Audio Precision. AP2700 series.

　　[4]Visual Analog. Analog Device Inc.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第74頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。