提高電力線監(jiān)控應(yīng)用的系統(tǒng)級性能和可靠性

背景知識

對于許多應(yīng)用，監(jiān)控電力線意味著使用電流互感器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，以便感測三相及零序的電流和電壓 ，如圖1所示。 AD7606B 具有高輸入阻抗，可以直接連接傳感器，并且它提供了所需的全部內(nèi)建輸入模塊，從而簡化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

AD7606B在片內(nèi)集成8個(gè)獨(dú)立的信號鏈，即使采用5 V單電源供電（數(shù)字接口電壓Vdrive不計(jì)），仍可接受±10 V或±5 V的真正雙極性模擬輸入信號。因此，無需使用外部驅(qū)動運(yùn)算放大器和外部雙極性電源。

每個(gè)通道都由21V模擬輸入箝位保護(hù)電路、具備5MΩ輸入阻抗的電阻可編程增益放大器、一階抗混疊濾波器和16位SARADC組成。此外，還可包含一個(gè)過采樣率高達(dá)256的數(shù)字均值濾波器，以及一個(gè)低溫漂2.5 V基準(zhǔn)電壓源，用于幫助構(gòu)建完整的電力線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

除了提供完整的模擬信號鏈之外，AD7606B還提供許多校準(zhǔn)和診斷功能，以改善系統(tǒng)級性能和可靠性。

直接傳感器接口

與AD7606不同，AD7606B的輸入阻抗已提高到5 MΩ，使其可以直接與多種傳感器接口，從而獲得兩個(gè)好處：

●   降低外部串聯(lián)電阻（例如，濾波或電阻分壓網(wǎng)絡(luò)）導(dǎo)致的增益誤差。

●   當(dāng)傳感器斷開時(shí)，所看到的偏移量會減小，可以輕松實(shí)現(xiàn)傳感器斷開檢測功能。

圖1 典型的電力線監(jiān)控應(yīng)用中的AD7606B

外部電阻造成的增益誤差

進(jìn)行工廠修整時(shí)，會嚴(yán)格控制PGA的RFB和RIN N（一般為5MΩ），確保準(zhǔn)確設(shè)置AD7606B的增益。但是，如圖1所示，如果在前端放置一個(gè)外部電阻，那么實(shí)際增益與理想的修整RFB/RIN值之間會存在偏差。

RFILTER越高，增益誤差越大，這需要從控制器一側(cè)補(bǔ)償。但是，RIN越高，相同RFILTER 產(chǎn)生的影響就越小。與AD7606具有1 MΩ輸入阻抗不同，AD7606B具有5 MΩ阻抗，這意味著在沒有任何校準(zhǔn)的情況下，相同串聯(lián)電阻(RFILTER)的增益誤差會降低到約1/5，如圖2所示。

但是，通過在軟件模式下使用AD7606B，系統(tǒng)增益誤差可以基于每個(gè)通道自動進(jìn)行片內(nèi)補(bǔ)償，因此完全無需再在控制器一側(cè)實(shí)施任何增益校準(zhǔn)計(jì)算。

圖2 串聯(lián)電阻導(dǎo)致的增益誤差

傳感器斷開檢測

傳統(tǒng)上，將下拉電阻(RPD)與傳感器（圖1中所示的電流互感器）并聯(lián)，用戶可通過監(jiān)測多個(gè)樣本(N)的ADC輸出代碼是否重復(fù)小于20 LSBs，來檢測傳感器何時(shí)斷開。

建議采用比傳感器的源阻抗大得多的RPD，將該并聯(lián)電阻可能產(chǎn)生的誤差減至最小。但是，RPD越大，在傳感器斷開時(shí)生成的ADC輸出代碼也越大，這并非我們期望的結(jié)果。由于AD7606B的RIN比AD7606大，對于給定的RPD，如果傳感器斷開，ADC輸出代碼會降低（如圖3所示），從而降低了誤報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)入AD7606B的軟件模式時(shí)，可以使用開路檢測功能，從而無需后端軟件來檢測傳感器斷開情況。編程設(shè)置樣本數(shù)量N（在圖4的示例中，N = 3）之后，如果模擬輸入保持由幾個(gè)樣本報(bào)告較 小的直流值，算法會自動運(yùn)行，并在模擬輸入信號斷開被判定為開路時(shí)，置一個(gè)標(biāo)記位。

圖3 傳感器與ADC的模擬輸入斷開連接時(shí)的偏置誤差

系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)

使用一對外部電阻時(shí)，如圖1所示，它們之間出現(xiàn)任何不匹配都會導(dǎo)致產(chǎn)生偏移。傳感器短接至地時(shí)，該偏移可以測量為ADC輸出代碼。然后，可以通過編程設(shè)置對應(yīng)的通道偏移寄存器，在轉(zhuǎn)換結(jié)果中增加或減去–128 LSBs至+127 LSBs偏移，以補(bǔ)償系統(tǒng)偏移。

圖4 傳感器斷開檢測

系統(tǒng)相位校準(zhǔn)

CONVST引腳用于管理模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動，以便同時(shí)在所有通道上觸發(fā)該流程。但是，對于通過電流互感器(CT)測量電流同時(shí)通過分壓電阻按比例縮小來測量電壓的應(yīng)用，存在電流和電壓通道之間相位不匹配的情況。為了補(bǔ)償這種不匹配，AD7606B可以延遲任何通道（相對延遲大一點(diǎn)兒的通道）上的采樣時(shí)刻，以便將輸出信號調(diào)整到同相，如圖5所示。

圖5 相位調(diào)整

系統(tǒng)可靠性

為了提高系統(tǒng)的可靠性，在片內(nèi)增加了幾種診斷功能，包括：

●   每個(gè)通道上的過壓/欠壓比較器。

●   一種接口檢查，在每個(gè)通道上輸出固定的數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證通信狀態(tài)。

●   如果嘗試對無效寄存器實(shí)施寫入或讀取，則會發(fā)出SPI無效讀取/寫入警報(bào)。

●   在轉(zhuǎn)換開始后，如果BUSY線持續(xù)的時(shí)間比正常時(shí)間長，則會發(fā)出BUSY STUCK HIGH警報(bào)。

●   如果檢測到對內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器的完全、部分或上電復(fù)位，則發(fā)出復(fù)位檢測警報(bào)。

●   可以對存儲器映射、ROM和每個(gè)接口通信實(shí)施CRC校驗(yàn)，以確保正確初始化和/或操作。

總結(jié)

AD7606B為市場帶來了完整的芯片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)所有的模擬前端內(nèi)建模塊。它提供了一套完整的高級診斷功能，以及增益、偏移和相位校準(zhǔn)。因此，AD7606B降低了組件成本和系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，從而簡化了電力線監(jiān)控應(yīng)用設(shè)計(jì)。

作者

Lluis Beltran Gil

Lluis Beltran Gil畢業(yè)于瓦倫西亞理工大學(xué)，于2009年獲電子工程學(xué)士學(xué)位，2012年獲工業(yè)工程學(xué)士學(xué)位。畢業(yè)后，Lluis于2013年加入ADI公司，擔(dān)任利默里克精密轉(zhuǎn)換器部的應(yīng)用工程師，支持溫度傳感器開發(fā)。目前，Lluis就職于ADI精密轉(zhuǎn)換器部SAR ADC應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，工作地點(diǎn)在西班牙瓦倫西亞。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）

ams基于光譜傳感器的數(shù)字化LFT：使實(shí)驗(yàn)室的新冠病毒檢測平民化2020初爆發(fā)的COVID-19新冠肺炎疫情，帶來了ams（艾邁斯半導(dǎo)體）的AS7341L光譜傳感器的需求激增。該產(chǎn)品之前在市場上已有一兩千萬個(gè)的出貨量，但2020年出貨激增，預(yù)計(jì)起碼是幾千萬。因?yàn)楝F(xiàn)在每個(gè)月出貨一二百萬；還有的公司告訴ams，它們1個(gè)月就需要一兩千萬個(gè)。

AS7341L的藍(lán)海應(yīng)用之一是數(shù)字化LFT（側(cè)向?qū)游鰴z測）。2020年6月ams剛剛發(fā)布了一種能即時(shí)檢測COVID-19新冠病毒抗體的解決方案，目前正和客戶合作，希望在2020年4季度推向市場?，F(xiàn)在對新冠病毒COVID-19的反應(yīng)檢測，主要是PCR（聚合酶鏈反應(yīng)監(jiān)測），優(yōu)勢是靈敏度高，但是也有一些不足，例如高成本，不可以大規(guī)模生產(chǎn)，結(jié)果出來得很慢（往往數(shù)天時(shí)間）。

數(shù)字化LFT（側(cè)向?qū)游鰴z測），具有如下特點(diǎn)：1）靈敏度較高，低成本，且可以大批量的生產(chǎn)，操作簡單。2）增加了藍(lán)牙通訊模塊，使該一次性的設(shè)備可與手機(jī)和云進(jìn)行連接。3）ams的LFT試紙的光譜解析讀數(shù)器也是平臺化的技術(shù)，因此不僅可用于COVID-19的抗原和抗體檢測，也可以用于其他的病毒的檢測，例如流感或甲肝、乙肝等。

（王瑩）