利用AD7616的V型采样实现准同步数据采集.docx

利用 AD7616 的 V 型采样实现准同步数据采集DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.0181 AD7616 简介AD7616 是 ADI 公司推出的一款 16 位 16 通道数据采集系统(DAS,同一封装内集成了两个16位逐次逼近寄存器型(SAR模数转换 器(ADC，支持对16个通道进行双路同步采样AD7616的模拟输入端 为真双极性输入， 每个通道的量程可独立设置， 有 ±10 V、±5V 或 ±2.5 V 供选择，同时输入端具有± 20V 的箝位(CLAMP 保护，而且片内集成有抗混叠模拟滤波器 AD7616 采 用 +5 V单电源供电，拥有IMsps的采样速率并达到90dB的信噪比(SNR， 输入阻抗与采样速率无关，恒定为 1MQ, 因此无需 外部的驱动电路及双 极性电源AD7616通过HW_RNGSEL[10]管脚进行选择，工作在硬件模式或软件模式硬件模式下， AD7616 由引脚进行配置软件模式下， AD7616 支持并口或串口对内部的寄存器及灵活的序列器(Flexible Seque ncer )进行配置，以获得更多的功能 AD7616的内部框图如图 1 所示。

2 多通道准同步采样电力系统保护与测控的应用中， 需要实时监测电网中多相的 电压 和电流信号 为了满足各种标准的精度要求， 传统的设计中 通常都是 对多路信号进行同步采样，因此一般选用多通道同步采样型的ADC例 如AD7865 AD7656-1, AD7606等都是典型的应 用选择在某些需要低成本但精度要求不高的应用中， 工程师尝试采 用一 种“ MUX模拟开关+单通道ADC的设计方案，如图2所示，利用模拟 开关切换输入通道，用单通道 ADC 循环对输入信号进行 采样由于多 通道信号的非同步采样，采样点的间隔时间会导致 通道间采样的延迟， 并由此带来一定的相位误差或相位失配，误 差的大小与多个因素相关， 取决于输入信号的频率、幅值、采样时刻信号的相位等为了减少非同步采样所带来的通道间相位误差， 设计一种 采样序 列， 通道顺序为 “ VINS VIN1 —VIN2——>VIN6>VIN7>VIN6>->VIN2>VIN1>VINO,如图 3 所示由于采 样序列像一个大写的字母“ V”，我们不妨称之为“V型采样”模式在图3 “V型采样”配置下，VINO - VIN6的每个通道前后 采样两 次，而且采样时刻在 VIN7 采样时刻的两侧呈对称分布。

如果 ADC 的 采样间隔控制为等间距，当输入信号为线性信号时， VINO - VIN6 通道 前后两次采样数据的平均值与在 VIN7 采样时刻的结果是相同的，这就通过“V 型采样+数据平均”的方式实现了多通道间的准同步采样，因此把 VIN7 的采样时间点称之为 “准同步采样时刻”，如图 4 所示如果输入信号为正弦波，采用“V型采样+数据平均”的模式会带来 一定的误差，但相比传统的“ MUX 模拟开关 +单通道ADC 非同步采样模式而言，仍然可以大幅减少由于非同步采样 而带来 的通道间误差3 “V 型采样+数据平均”的误差分析以正弦波为例，分析“V型采样+数据平均”模式得到的平均值与准 同步采样时刻的采样值之间误差的大小为了简化分 析，将输入正弦波 信号的幅值归一化为 1.0 ，并假定第一个采样 点时刻对应正弦波的相位 为a , B,第二个采样点时刻对应正 弦波的相位为a +2 B,系统应用为 例，用Tspan=14y s来计算“V型采样+数据平均”所带来误差的最大 值：对于50Hz （基波），误差最大值为：1 - COSn*50Hz* 14卩s）在 用中，处理器上电后，需要对 AD7616 内部的通道序列栈寄存 器进行 初始化。

初始化完成后，需要把 AD7616 寻址寄存器的REGADDR[40]设置为00000,使得AD7616的状态为输出ADC转 换 数值假定按照图 3 的模式进行设置，即采样通道顺序为“ VINS VIN1—VIN2—...—VIN6— VIN7— VIN6—...f VIN2— VIN广VINO处理器与AD7616并口连接的情况下，序列栈寄存器的配置 代码参考图 8 所示在这样的配置下， VINO-VIN6 通道都 分别被采样 了两次， 数据平均由处理器来计算， 这样准同步采样 时刻正好对应于 VIN7 通道采样点在时间轴的位置应用中特别需要注意的是：软件模式下，完成 AD7616 所有 寄存器的配置后，由于需要一个 CONVS 启动转换来使得所有寄 存器配置都有效，因此 AD7616 第一次转换的输出结果是不可靠 的，应用中需要把第一次的转换数据丢弃， 数据手册中也把这第 一次的转 换称为“伪转换” (DummyConvert)另外，为了实现一次CONVS 完成序列栈寄存器中全部通道的转换，在 AD7616配置寄存器(0x02 - Configuration Register)中的 SEQEN、BURSTE 位(bit5, bit6)者I必须使台旨。

AD7616的工作流程图参考图9所 示5测试验证配合理论分析，同时搭建了 AD7616的测试系统，如图10所示 验证系统中，信号源为 Audio Precision2712 ，输出高 SNR(信噪比)、低THD (总谐波失真)的正弦波供AD7616进行测试 处理器采用 Cortex-M4 内核的混合信号控制处理器ADSP-CM408, AD7616采集的数据通过串口( UART发送给PC电 脑，使用VisualAnalog rM软件分析AD7616数据获得交流性 能指标(SNR和THD，使用Microsoft Excel运行DFT算法获 得幅值和相位 信息测试中，AD7616的采样序列按照图4的“V型采样+数据平均”模 式进行设置，但为了让实验的结果对比更为容易，同时排除AD7616 各通道间性能差异的影响，序列栈寄存器设置为对同 一个输入通道 VINO进行连续多次采样，这样在一次“V型采样”中，VINO先后总共 被采样1 5次，分别定义为SO-S14,如图1 1所示数据计算中，把SO与S14配对并取均值，S1与S13配对取均值，以此类推，但S7不参与任何平均计算这样，将（S0+S14 12, （S1+S13）/2 ， （S2+S12）/2 ， （S3+S 1 1）/2，（S4+S10）12， （ S5+S9 12， （ S6+S8 /2 的平均值结果，与 S7 的 VINO原始信号进行比较，获得测试结果。

测试中，AD7616的VINO量程设置为土 10V,输入正弦波的 幅值 为9.6Vp，（即-0.352 dBFS ），分别设定输入正弦波频率 为50Hz， 250Hz，2550Hz（50Hz电力线基频的5次，51次谐波）进行测试当输入信号为50Hz正弦波（电力线基频）的测试结果如表1 所示由表1可以看出，对于50Hz输入信号采用平均值计算得到 的结 果相对于原始信号的幅值和相位误差完全在可接受的范围 内事实上， 在采用平均值计算时，由于过采样（前后共两次采样）的存在，相比单 次采样时的信噪比（SNR性能还略有提高当输入信号为250Hz正弦波（50Hz电力线基频的5次谐波）的 测试结果如表 2所示当输入信号的频率提高到 250Hz 时，幅值有 -O.OOldB 衰减，相 当于 0.1%，与之前数学公式推导的结果一致，相位误差完全在可接受 的范围内当输入信号为2550Hz正弦波（50Hz电力线基频的51次谐 波）的测试结果如表 3 所示当输入信号的频率提高到2550 Hz时，“V型采样+数据平均”所 带来的误差开始比较明显 SO 与 S14 的间隔最远，因此平均值的计算结果是误差最大的情况， 对比S7,误差为-0.055dB ,相当于6.3 %。

的误差，与数学公式推导的结果一致S7幅值的计算结 果为-0.38ldBFS，对比50Hz时有所衰减，这是由于AD7616内部低通 滤波器的滚降所致，并非“V 型采样+数据平均”所带来的误差6 结论对输入为 50Hz、250Hz、2550Hz 正弦波的测试数据也可以看 出， AD7616配置在“V型采样+数据平均”模式下的实验结果完 全符合数学 理论推导的结果受益于 AD7616 的 IMsps 高采样率，通过配置 AD7616 内部的 序 列栈寄存器，在“V型采样+数据平均”的模式下，非同步采样型的 AD7616 也可以实现各个模拟量输入通道之间近似于同步 的采样，因此 称为 AD7616 的准同步采样大多数电力自动化应用中需要测量的信号在 50 Hz 到 2550Hz 范围内，如果采用 AD7616 来实现准同步采样，系统的交流幅值 测量 误差以及通道间的相位失配误差都降至可以接受的范围内， 并且显著降 低了系统的成本。