使用同时采样ADC进行高性能多通道输电线监测

引言

　　电力产业的快速发展推动全世界加强现有电力网的传输和配电并且建设新的变电站。微处理器技术的进步和技术支持人员成本的增加是电力公司使用高精度集成自动化系统设计新的自动高压变电站的主要推动力。

　　按照电压高低，变电站可以分为两类：高压变电站包括500 kV，330kV和一些220 kV变电站；而220 kV终端变电站、110 kV和35 kV变电站则归为中、低压变电站。高压(传输)变电站是大型户外站。低压(配电)变电站则为城区室内系统，用来控制城区高负载密度。日益增强的信号处理技术使得下一代系统的准确度可优于0.1%，而目前系统的准确度典型值为0.5 % —— 准确度的提升主要由于采用高性能同时采样ADC；它们提供了满足未来系统要求的分辨率和性能。

　　系统体系结构

　　图1示出了一个典型三相测量系统中的波形。每一相功率由一个电流 互感器（CT）和一个电压互感器（PT）来表示。完整的系统由三相组 成。系统任意时刻平均功率，可以通过对每一互感器器输出做快速 大量采样，对采样数据做离散傅立叶变换（DFT）并且完成必要的乘 法和求和运算。
 

　　ADC对三个CT和三个PT输出做32组同时采样，并将结果保存在 RAM中。然后系统对6路输出做DFT运算，并且用实部和虚部形式 (A+jB) 表示结果。每一个互感器的幅度和相位信息可按下式计算：
 

　　上述方法使用DFT和计算公式可确定单一频率的系统功率。如果使用 快速傅立叶变换（FFT）代替DFT，可以提供高次谐波和其它高频分量； 这可以计算系统的其它信息，例如系统损耗或无用噪声的作用。

　　系统要求

　　变电站可能包含几百个互感器。将待测的电压和电流值调节到±5 V 或±10 V互感器的满度输出范围表示比输电线的满度输出功率能力 大得多。一般，待测的输电线值（特别是电流）小于互感器满度范围 的5%，互感器输出典型值在±20 mV范围内，超出这个范围的信号很 少出现；当出现大信号时一般认为系统故障。

　　准确测量这些小信号需要具有高信噪比（S/N）的高分辨率ADC。采 用的多通道ADC还必须具备同时采样能力。例如，目前可提供的系统 具有14 bit分辨率能力——AD78651 4通道、14 bit ADC可以接受真正 的双极性输入信号，并且提供80 dB SNR。然而，现在对于10 kSPS采 样速率16 bit分辨率的高性能多通道ADC的需求越来越强烈。为了完 成三相电流和电压的准确测量，ADC应该具有同时采样6个通道的 能力，并且必须具有优良的SNR测量小信号。当一个系统中使用很多 ADC时，功耗问题也很重要。

　　满足以上全部要求的一个例子是AD7656，2它包含6个低功耗、16 bit、250 kSPS逐次逼近（SAR）型ADC。如图2所示，AD7656采用 iCMOS?工业CMOS工艺3，它将制造高压器件的工艺与亚微CMOS工 艺和互补双极型工艺相结合。iCMOS工艺能够制造出高电压工作能 力的高性能模拟IC。与采用传统的CMOS工艺制造的模拟IC不同， iCMOS器件能够接受双极性输入信号，从而提高了性能，并且大幅度 缩减了功耗和封装尺寸。
 

　　图2. AD7656包含6个同时采样ADC、一个参考电压源、 三个参考缓冲器和一个振荡器。

　　如图3所示， AD7656具有86.6 dB的高 SNR可以提供满足测量互感器 输出的交流小信号所需的性能指标。其250 kSPS更新速率有助于简化 快速数据采集所要求的系统设计以实现实时FFT后处理。AD7656可 以直接接受来自互感器的±5 V和±10 V输出，无需增益或电平变 换——而且每个器件的最大功耗仅为150 mW。当一块电路板上有许 多通道ADC时，功耗是一项重要考虑。因为有一些系统需要一块电路 板上有多达128个ADC通道（即22片6通道ADC），所以功耗成为一项 关键指标。
 

　　图3. 在输电线监测应用中峰峰噪声是一项关键指标。

　　AD7656在8192次采样中，只有6个码字峰峰值噪声。

　　ADC以外的其它因素 一个完整的输电线测量系统如图4所示。虽然ADC是系统的核心，但 是在设计一个高性能系统时，其它的许多因素也必须考虑。参考电压 源和输入放大器也是系统性能的关键因素，隔离问题可能是远程通 信中还需要考虑的问题。
 

　　图4. 输电线监测系统[!--empirenews.page--]
 

　　ADC参考电压源考虑

　　使用ADC内置参考电压源（带内部参考电压源的器件）还是外部参 考电压源取根据系统要求。当一块电路板上使用多片ADC时，最好使 用外部参考电压源，因为公共参考电压源能够消除不同参考电压直 接的差别，所以利用比率测量的优点。 一般，低漂移参考电压源对于减少参考电压源对温度的敏感性也很 重要。

　　一些简单的计算可以帮助我们理解漂移的重要性，并决定是否 采用内部参考电压源。例如，一款10 V满度输入的16 bit ADC的具有 152 μV分辨率。AD7656内部参考电压的温度漂移为25 ppm/℃最大 值（6 ppm/℃典型值）。在50℃温度范围内，参考电压漂移达1250 ppm，即12.5 mV。在对漂移要求严格的应用中，最后选择外部低漂 移参考电压，例如ADR4214（1 ppm/℃）。在50℃温度范围内，一个1 ppm/℃参考电压的漂移仅为0.5 mV。

　　放大器选择

　　为输电线监测应用选择放大器的主要考虑是低噪声和低失调电压。

　　驱动放大器产生的噪声必须尽可能低以保证SNR和ADC的转移噪声 性能。低噪声放大器在测量交流小信号时很有用。放大器在全温度范 围内总的失调误差（包括漂移）应该小于所要求的分辨率。OP11775/ OP21776/OP41777系列放大器具有低噪声性能（8.5 nV/√Hz）和低失调 漂移。例如，OP1177运算放大器具有60 μV失调电压最大值和0.7 μV/℃失调电压漂移最大值。在50℃温度范围内，失调电压漂移最大值为 35 μV，所以由于失调和失调漂移引起的总误差小于95 μV或0.0625 LSB。

　　对于输电线监测应用，功耗可能是重要考虑，特别是测量一块PCB板 上的128个通道时。OP1177系列放大器通常每只放大器消耗的电源电 流小于400 μA。

　　下表列出了为输电线监测应用推荐的几款放大器。
 

　　ADC电源设计

　　ADC需要模拟电源和数字电源。大多数系统都具有5 V数字电源，但 许多系统却没有5 V模拟电源。如果模拟电路和数字电路使用同一个 电源，会将有害的噪声耦合到系统，通常应该避免这样的操作。对于 可提供 ±12 V双极性电源的设计，可使用低成本、低压差（LDO）稳 压器, 例如ADP333010，产生3 V或5 V优质电源，随着温度、负载和输 电线电压的波动可达到1.4%准确度。

　　通信

　　单个变电站中的许多系统需要与远端主系统控制器通信，通常要保 证电气隔离。使用发光二极管（LED）和光电二极管的光耦合解决方 案正在被iCoupler?数字隔离器11所替代。iCoupler?数字隔离器使用 芯片级微变压器，其数据传输速率是常用高速光耦的2～4倍，功耗 仅为1/50——从而降低了散热功耗，提高了稳定度并且降低了成本。

　　除了以上优点，集成解决方案还能节省PCB面积并且简化了布线。 ADuM140212 4通道数字隔离器支持高达100 MSPS数据传输速率和 高达2.5 kV额定隔离电压。

　　RS-232经常被用于连接多个系统，所以每个系统和总线之间的隔离 非常关键。数字隔离器不支持RS-232标准，所以它们不能用在收发 器和电缆之间；它们只能用在收发器和本地系统之间。ADuM1402 iCoupler数字隔离器与ADM232L13 RS-232收发器和隔离电源配合使 用，可以消除接地环路，并且可有效地防止浪涌损害。

　　对于使用RS-485协议的系统，可以提供ADM248*单片隔离的 RS0-485收发器（见图5）。它支持高达20 Mbps数据传输速率和高达 2.5 kV隔离电压。
 

　　图5. ADM2486是一款低成本、小封装带隔离的RS-485收 发器。

　　信号处理 输电线监测应用需要数字信号处理（DSP）完成复杂的数学计算。 ADSP-BF53115高性能、低成本、低功耗Blackfin处理器非常适合完成 这些复杂的DFT或FFT计算。

　　Blackfin16处理器——高集成度系统芯片（SoC）——包含一个CAN 2.0B控制器、一个TWI控制器、两个UART接口、一个SPI接口、两个 串行接口（SPORT）、9个通用32 bit定时器（8个带PWM功能）、一个 实时时钟、一个监视定时器和一个并行外设接口（PPI）。这些外围设 备提供了该系统多个组成部分与接口之间通信所要求的灵活性。 ADSP-BF53617和ADSP-BF53718 Blackfin处理器都支持IEEE 802.3 10/100 以太网媒体接入控制器（MAC）标准。这是现在满足许多输电 线监测系统要求的标准。

　　实际设计考虑

　　当设计PCB板时，ADC的位置和布局应该做特别考虑。模拟电路和 数字电路应当彼此分开，并且应该限定在PCB的某个区域内。至少应 该使用一个接地平面。避免在ADC下走数字线，因为数字线会将噪 声耦合到ADC管芯。允许模拟接地平面在AD7656下布线以避免噪 声耦合。时钟和其它高速开关信号应该用数字地屏蔽，避免将数字 噪声辐射到电路板的其它部分；高速开关信号决不能靠近模拟信号 线路。模拟信号和数字信号线应当避免交叉。PCB上不同的相邻层的 印制线彼此间应当成直角以减少馈通影响。

　　进入ADC的电源线应当使用尽可能粗的印制线，以降低线路阻抗，并 且减少电源线尖峰毛刺的影响。AD7656电源引脚与PCB板上电源印 制线之间应该有良好的欧姆接触；每个电源引脚应当使用单个过孔 或多个过孔。良好的去耦对于降低接到AD7656的电源阻抗以及减小 电源尖峰幅度影响也很重要。所有的电源引脚都应该连接并联去耦 电容（一般为100 nF和10 μV），电容应尽可能靠近——最好直接连接 到——电源引脚及相应接地引脚。

　　结论

　　全世界电力需求日益增长正在推动输电线和输电线变电站数目的增 加。随着对自动监测和故障检测系统的要求越来越高，使用具有大量 通道的系统将成为一种趋势。当在每块PCB使用多个ADC时，虽然可 以有效地利用PCB面积但功耗问题却变得至关重要，因为系统设计工 程师要努力降低成本，同时还要提高系统的性能。

　　使用高性能ADC（例如AD7656）可以提高系统性能。利用AD7656具有 6通道和16 bit分辨率及其低功耗、高SNR和小封装组合优势满足下一 代输电线监测系统设计的需求。