DSP與AD7656的高(gāo)速AD采集電(diàn)路
一、AD7656簡介
AD7656具有(yǒu)最大(dà)4 LSBS INL和(hé)每通(tōng)道(dào)達250kSPS的采樣率，并且在片內(nèi)包含一個(gè)2.5V內(nèi)部基準電(diàn)壓源和(hé)基準緩沖器(qì)。該器(qì)件僅有(yǒu)典型值160mW的功耗，比最接近的同類雙極性輸入ADC的功耗降低(dī)了60% 。
AD7656包含一個(gè)低(dī)噪聲、寬帶采樣保持放大(dà)器(qì)（T/H），以便處理(lǐ)輸入頻率高(gāo)達8MHz的信号。該AD7656還(hái)具有(yǒu)高(gāo)速并行(xíng)和(hé)串行(xíng)接口，可(kě)以與微處理(lǐ)器(qì)（mcu）或數(shù)字信号處理(lǐ)器(qì)（DSP）連接。AD7656在串行(xíng)接口方式下，能提供一個(gè)菊花(huā)鏈連接方式，以便把多(duō)個(gè)ADC連接到一個(gè)串行(xíng)接口上(shàng)。
AD7656工作(zuò)原理(lǐ)：
AD7656足具有(yǒu)獨立的六通(tōng)道(dào)逐次逼近型（SAR）的模數(shù)轉換器(qì)，轉換處理(lǐ)和(hé)數(shù)據的精度是通(tōng)過CONVST信号和(hé)一個(gè)內(nèi)部晶振控制(zhì)的。3個(gè)CONVST管腳允許3路ADC對獨立同步采樣。當3個(gè)CONVST管腳連接到一起時(shí)，就可(kě)以進行(xíng)6個(gè)通(tōng)道(dào)的同步采樣。 AD7656具有(yǒu)高(gāo)速的并行(xíng)和(hé)串行(xíng)接口，允許其與Microprocessors和(hé)DSP進行(xíng)接口。當使用串行(xíng)接口模式時(shí)，AD7656具有(yǒu)的菊花(huā)鏈特性允許多(duō)個(gè)ADC和(hé)一個(gè)串行(xíng)接口連接。由于在電(diàn)力繼電(diàn)保護産品中以并行(xíng)接口連接設計(jì)為(wèi)主，所以下面将以并行(xíng)接口的連接方式介紹其工作(zuò)原理(lǐ)。
首先，通(tōng)過MCU或DSP控制(zhì)CONVST管腳啓動轉換，并保持該信号為(wèi)高(gāo)電(diàn)平。AD7656啓動轉換信号後會(huì)自動輸出BUSY信号，BUSY信号下降沿時(shí)，代表轉換已經全部完成。
此時(shí)，AD7656內(nèi)部的6個(gè)寄存器(qì)中已經保存了轉換的數(shù)據，然後通(tōng)過控制(zhì)片選CS和(hé)讀RD信号依次順序讀出6個(gè)通(tōng)道(dào)AD轉換值。 讀出AD轉換值後，改變CONVST為(wèi)低(dī)電(diàn)平信号。注意在設計(jì)時(shí)，一定要保證AD轉換過程中CONVST管腳保持高(gāo)電(diàn)平。
AD7656的應用：
當前，繼電(diàn)保護産品在不斷地更新換代并改變着設計(jì)模式。最初由于工藝和(hé)芯片等各方面因素的影(yǐng)響，第一代電(diàn)力繼電(diàn)保護産品均采用模拟開(kāi)關，配合單通(tōng)道(dào)16bit的ADC設計(jì)，例如AD976，AD574等AD轉換器(qì)産品；後來(lái)出現了使用16bit的AD7665和(hé)14bit的AD7685配合模拟開(kāi)關的第二代繼電(diàn)保護産品，AD7665和(hé)AD7865在當前很(hěn)多(duō)電(diàn)力繼電(diàn)保護産品中仍有(yǒu)非常成功的應用案例；随着技(jì)術(shù)的更新和(hé)産品工藝的改進，尤其是其±10V雙極多(duō)通(tōng)道(dào)同步輸入等技(jì)術(shù)特點，使AD7656有(yǒu)望成為(wèi)電(diàn)力繼電(diàn)保護的新一代産品。
二、TMS320C6713簡介
TMS320C6713 DSP是美國TI于1997年推出的C6000系列DSP芯片的一款，它是32位高(gāo)速浮點型DSP，時(shí)鍾最高(gāo)頻率為(wèi)300MHz。
TMS320C6713主要特點有(yǒu)：
（1）體(tǐ)系結構采用超長指令字（VLIW）結構，單指令字長為(wèi)32位，指令包裏有(yǒu)8個(gè)指令，總字長達到256位。執行(xíng)指令的功能單元已經在編譯時(shí)分配好，程序運行(xíng)時(shí)通(tōng)過專門(mén)的指令分配模塊，可(kě)以将每個(gè)256位的指令包同時(shí)分配到8個(gè)處理(lǐ)單元，并由8個(gè)單元同時(shí)運行(xíng)。其最大(dà)處理(lǐ)能力可(kě)以達到2400MIPS。
（2）采用二級緩沖處理(lǐ)，4KByte直接匹配的程序緩沖L1P，4KByte可(kě)匹配的數(shù)據緩沖L1D，256KByteL2額外匹配內(nèi)存。32位外部存儲器(qì)接口，可(kě)無縫連接SRAM、EPROM、Flash、SBSRAM和(hé)SDRAM。
（3）豐富的外設，包括DMA，EDMA，支持無需CPU參與可(kě)以在允許的地址空(kōng)間(jiān)裏傳送數(shù)據，擴展總線，具有(yǒu)主機口和(hé)I/O端口操作(zuò)等功能，多(duō)通(tōng)道(dào)緩沖串口，其通(tōng)過配置能和(hé)多(duō)種串行(xíng)通(tōng)信接口通(tōng)信，兩個(gè)32位通(tōng)用定時(shí)器(qì)等。
三、模拟轉換電(diàn)路設計(jì)
1、模拟轉換電(diàn)路設計(jì)
由于在綜合控制(zhì)計(jì)算(suàn)機采集的信号源與AD7656要求的輸入信号不匹配，所以對信号源的信号進行(xíng)前端調理(lǐ)電(diàn)路調整，在AD7656前端調理(lǐ)電(diàn)路設計(jì)主要考慮了如下因素：
（1）阻抗匹配。由于輸入信号的信号源不一定是低(dī)阻抗，AD7656的輸入端很(hěn)可(kě)能會(huì)對信号源信号分壓，從而影(yǐng)響采集轉換信号的精度。在AD7656前級輸入采用運算(suàn)放大(dà)緩沖器(qì)解決該問題，因為(wèi)運算(suàn)放大(dà)緩沖器(qì)具有(yǒu)很(hěn)高(gāo)的輸入阻抗，因此不會(huì)對信号源分壓，同時(shí)它的低(dī)輸出阻抗适合驅動AD7656的輸入端;
（2）減小(xiǎo)容性負載的影(yǐng)響。AD7656輸入端具有(yǒu)容性負載特性，通(tōng)常需要一個(gè)電(diàn)阻和(hé)電(diàn)容組成外部補償電(diàn)路，采用該電(diàn)路給信号源增加了容性負載。
AD7656前端調理(lǐ)電(diàn)路采用的運算(suàn)放大(dà)緩沖器(qì)為(wèi)ADI公司的OP177FS，其具有(yǒu)低(dī)輸入失調電(diàn)壓（25μV），失調電(diàn)壓時(shí)間(jiān)漂移最大(dà)0.1μV/℃，開(kāi)環增益最小(xiǎo)12V/μV，電(diàn)源電(diàn)流2.0mA。
2、AD7656與TMS320C6713B接口電(diàn)路設計(jì)
AD7656與TMS320C6713B接口電(diàn)路采取并行(xíng)接口設計(jì)。在電(diàn)路設計(jì)時(shí)将AD7656的“SER/PAR”管腳設置為(wèi)并行(xíng)接口方式，“W/B”管腳設置為(wèi)字方式，“H/SSEL”管腳設置為(wèi)硬件啓動轉換方式。TMS320C6713B通(tōng)過外部存儲器(qì)接口（EMIF）總線實現對AD7656訪問，啓動對AD7656轉換，讀取轉換結果數(shù)據。
TMS320C6713B通(tōng)過CPLD實現對AD7656控制(zhì)邏輯譯碼，來(lái)滿足AD7656的訪問時(shí)信号的邏輯要求。
AD7656包括6通(tōng)道(dào)ADC轉換，可(kě)實現6通(tōng)道(dào)ADC同步轉換，減少(shǎo)了多(duō)路ADC轉換采樣時(shí)間(jiān)。在CPLD邏輯設計(jì)中采用同時(shí)控制(zhì)“CONVSTA”
“CONVSTB”“CONVSTC”管腳輸出有(yǒu)效完成6通(tōng)道(dào)ADC通(tōng)道(dào)同步轉換。
根據圖5所示AD76565通(tōng)過“CONVSTA，B，C”信号的上(shàng)升沿啓動ADC轉換，ADC轉換過程中，“BUSY”信号為(wèi)邏輯“高(gāo)”标識，ADC正在轉換過程中，ADC轉換時(shí)鍾由內(nèi)部時(shí)鍾産生(shēng)，從“CONVSTA，B，C”信号的上(shàng)升沿啓動轉換3μs後ADC轉換結束，“BUSY”信号為(wèi)邏輯“低(dī)”表示ADC轉換結束。TMS320C6713B通(tōng)過EMIF總線接口完成對轉換結果的讀取。對AD7656芯片轉換結果讀取，通(tōng)過“CS”片選信号和(hé)“RD”讀信号控制(zhì)，6個(gè)通(tōng)道(dào)轉換結束後，TMS320C6713B控制(zhì)“CS”為(wèi)有(yǒu)效和(hé)6個(gè)“RD”讀有(yǒu)效信号，完成對模拟量輸入“V1”信号、“V2”信号、“V3”信号、“V4”信号、“V5”信号、“V6”信号轉換結果的讀取。
3、AD7656設計(jì)中應注意問題
3.1電(diàn)壓基準電(diàn)路設計(jì)
由于AD7656轉換的精度與參考電(diàn)壓基準電(diàn)壓的精度有(yǒu)很(hěn)大(dà)關系，參考電(diàn)壓基準輸出電(diàn)壓值用來(lái)确定數(shù)據轉換系統的滿量程輸入範圍，同時(shí)參考電(diàn)壓基準電(diàn)壓的任何誤差都會(huì)嚴重影(yǐng)響ADC的線性和(hé)無雜散動态範圍。
由于AD7656內(nèi)部集成的電(diàn)壓基準參數(shù)精度低(dī)，一般在對于分辨率大(dà)于12位的ADC應用中采用高(gāo)精密外部電(diàn)壓基準，本設計(jì)采用高(gāo)精密外部電(diàn)壓基準AD780BR作(zuò)為(wèi)AD7656轉換的電(diàn)壓基準。通(tōng)過表2對兩種電(diàn)壓基準參數(shù)比較，看出外部高(gāo)精密電(diàn)壓基準精度高(gāo)，具有(yǒu)更低(dī)的溫度系數(shù)、熱遲滞和(hé)長期漂移。
四、PCB設計(jì)
1、數(shù)\模區(qū)域分割
在高(gāo)速AD采集電(diàn)路的設計(jì)中，達到高(gāo)精度與PCB設計(jì)是密不可(kě)分的，所以進行(xíng)PCB設計(jì)過程中，按照電(diàn)路實現的功能可(kě)以簡單地劃分為(wèi)數(shù)字電(diàn)路和(hé)模拟電(diàn)路兩部分，将數(shù)字區(qū)域與模拟區(qū)域進行(xíng)分割，形成每個(gè)區(qū)域的獨立電(diàn)源和(hé)地，這樣可(kě)以有(yǒu)效抑制(zhì)幹涉的傳導和(hé)RF能量的輻射。
AD7656芯片在管腳定義時(shí)将模拟量和(hé)數(shù)字量信号按區(qū)域定義，有(yǒu)利于PCB設計(jì)中數(shù)字量和(hé)模拟量區(qū)域分割，布線時(shí)注意模拟信号區(qū)域布模拟信号線，數(shù)字信号區(qū)域布數(shù)字信号線，不要将數(shù)字信号線和(hé)模拟信号線并行(xíng)布線。
在本系統中模拟地和(hé)數(shù)字地采用一個(gè)電(diàn)勢參考點，所以模拟地和(hé)數(shù)字地采用單點共地，共地點盡可(kě)能地靠近AD7656。
2、電(diàn)源去耦設計(jì)
由于AD7656芯片存在多(duō)個(gè)電(diàn)源管腳，在每個(gè)電(diàn)源管腳需要連接去耦電(diàn)容。去耦電(diàn)容的設計(jì)中采用并聯100nF和(hé)10 μF電(diàn)容。電(diàn)容選擇時(shí)可(kě)選用具有(yǒu)小(xiǎo)等效串聯電(diàn)感（ESL）瓷介質電(diàn)容。AD7656的去耦電(diàn)容設計(jì)見圖6所示。
五、AD采集軟件設計(jì)實現
TI公司提供良好的C/C++編譯器(qì)，在TMS320C6713B軟件開(kāi)放過程中支持C/C++語言設計(jì)。并且提供的良好的庫函數(shù)（DSPLIB），支持TMS320C6713B的數(shù)學運算(suàn)和(hé)矢量運行(xíng)。
采集軟件設計(jì)采用了模塊化設計(jì)，主要包括初始化函數(shù)、AD7656轉換啓動函數(shù)和(hé)AD7656轉換結果讀取函數(shù)。
初始化函數(shù)實現對TMS320C6713B系統時(shí)鍾、EMIF總線時(shí)鍾配置，EMIF總線接口訪問時(shí)序的配置。通(tōng)過該初始化函數(shù)配置，配置CS（片選）RD讀信号相對時(shí)序關系，滿足AD7656訪問時(shí)序關系。
AD7656轉換啓動函數(shù)實現啓動AD7656的AD轉換，該函數(shù)控制(zhì)AD7656轉換啓動信号CONVSTA，B，C為(wèi)有(yǒu)效狀态，同步6路AD轉換。
AD7656轉換結束标識查詢函數(shù)實現對AD7656轉換狀态标識信号BUSY查詢，判斷AD7656內(nèi)部ADC轉換是否結束。
AD7656轉換結果讀取函數(shù)實現檔查詢到AD轉換結束标識後，讀取AD轉換結果。該函數(shù)通(tōng)過連續的6次讀操作(zuò)，讀取6路AD同步轉換結果。AD采集軟件流程見圖7所示。
一文解析DSP與AD7656的高(gāo)速AD采集電(diàn)路
六、結束語
針對要求高(gāo)精度、多(duō)路信号監測和(hé)實時(shí)采集，本設計(jì)選用了AD7656和(hé)TMS320C6713B相結合作(zuò)為(wèi)某控制(zhì)系統工作(zuò)狀态實時(shí)監控以及故障檢測系統方案，本設計(jì)接口電(diàn)路設計(jì)簡單，采集精度高(gāo)、速度快，可(kě)同時(shí)完成對多(duō)路信号的采集。系統聯試證明(míng)，本系統完全滿足某控制(zhì)系統對工作(zuò)狀态監控以及故障檢測信号的采集精度和(hé)實時(shí)性的要求。
客戶經理(lǐ)
