Analog Devices. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков

Подождите немного. Документ загружается.

РАЗДЕЛ 8: АЦП для нормирования сигнала

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

8-27

Для мультиплексных приложений следует выполнять полный цикл перезарядки

фильтра из 23 выходных слов данных всякий раз при переходе на новый канал

измерения. Это дает фундаментальное условие использования Σ∆ АЦП в приложениях с

мультиплексированием. Не существует причины, по которой Σ∆ АЦП не могут работать в

данных приложениях, при условии, если внутреннему фильтру позволяют установиться

полностью после переключения каналов.

Рис.8.30. Время установления цифрового фильтра AD7730

с работой в режиме быстрого установления.

Режимы калибровки AD7730 показаны на Рис.8.31. Цикл калибровки можно

инициировать в любой момент времени путем записи соответствующих бит в регистр

режима. Калибровка исключает ошибки смещения и усиления устройства.

♦ Внутренняя калибровка 0 шкалы

♦ требуется 22 выходных цикла (CHP=0 – прерывание выключено)

♦ требуется 24 выходных цикла (СНР=1 – прерывание включено)

♦ Внутренняя калибровка верхнего предела шкалы

♦ требуется 44 выходных цикла (СНР=0)

♦ требуется 48 выходных циклов (СНР=1)

♦ Калибровка программируется с помощью регистра режима

♦ Калибровочные коэффициенты записываются в регистр калибровки

♦ Внешний микропроцессор может читать или записывать данные в регистр

калибровочных коэффициентов

Рис.8.31. Режимы калибровки сигма-дельта АЦП AD7730.

AD7730 дает доступ пользователю к внутренним регистрам калибровки, позволяя

внешнему микропроцессору считывать свои калибровочные коэффициенты и записывать

новые из внешнего СППЗУ. Это дает микропроцессору возможность осуществлять

больший контроль над проведением процедуры калибровки AD7730. Это также значит,

что пользователь может проверять корректность выполнения калибровки устройством,

сравнивая коэффициенты полученные после калибровки с предварительно записанными

величинами в СППЗУ. Поскольку калибровочные коэффициенты получают путем

выполнения преобразования данного входного напряжения, точность калибровки может

быть только такой, которая обеспечивается устройством по шумам в нормальном режиме

работы.

20,000,000

15,000,000

10,000,000

5,000,000

КОД

0 5 10 15 20 25

ЧИСЛО ВЫХОДНЫХ ВЫБОРОК

FASTStep ВКЛЮЧЕН

FASTStep ВЫКЛЮЧЕН

РАЗДЕЛ 8: АЦП для нормирования сигнала

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

8-28

Для увеличения точности рекомендуется калибровать устройство на минимально

возможной частоте модификации выходных данных, т.е. там, где уровень шумов

наименьший. Коэффициенты полученные при любой частоте модификации данных

корректны для любых других частот модификации данных на выходе. Схема калибровки

на минимальной частоте модификации выходных данных в действительности означает,

что длительность интервала калибровки достаточно велика.

AD7730 требует внешнего источника опорного напряжения, тем не менее, в

качестве такого источника можно использовать источник питания, если измерения

производятся относительным образом, как показано на Рис.8.32. В такой конфигурации

выходное напряжение измерительного моста прямо пропорционально напряжению

возбуждения, которое также используется в качестве напряжения опорного источника

для AD7730.

Рис.8.32. AD7730 в приложении к мостовым датчикам (упрощенная схема).

Изменения напряжения источника питания не повлияют на точность измерения.

Напряжение на

чувствительных

выходах моста используются в качестве опорного для

AD7730 с тем, чтобы исключить ошибки вызванные падением напряжения на

сопротивлениях соединительных проводников.

AD7730 содержит входной буфер с высоким импедансом, который отделяет

аналоговые входы от коммутационных элементов усилителя и сигма-дельта модулятора.

Поэтому не требуется специальных мер для буферизации внешних аналоговых входов.

Однако другие представители семейства AD77XX либо не имеют входного буфера, либо,

если он включен в состав микросхемы, его можно отключать или включать под

управлением программы. Отключение буфера несколько улучшает шумовые

характеристики устройства. Эквивалентная схема входа устройств семейства AD77XX без

входного буфера показана на Рис.8.33. Входной ключ переключается между

конденсатором выборки 10 пФ и землей. Сопротивление входного мультиплексора во

включенном состоянии

INT

, составляет 7 КΩ. Частота переключения зависит от тактовой

частоты на входе и от величины усиления программируемого усилителя. Если конвертор

работает с 20-разрядной точностью, внутренний конденсатор 10 пФ,

INT

, должен

заряжаться до 20-разрядной точности за промежуток времени, в течение которого ключ

подключает конденсатор к входу. Данный интервал составляет половину периода

переключения сигнала (скважность 50%). Входная постоянная времени

(резистор 7КΩ

и емкость выборки 10 пФ) составляет 70 нс. Если заряд должен производится до 20-

разрядной точности, конденсатор должен заряжаться в течение 14 постоянных времени,

или 980 нс.

6-ПРОВОДНЫЙ МОСТ

LEAD

+5В

+FORCE

-FORCE

-SENSE

+SENSE

+5В/+3В

REF

-A

-V

REF

GND

AD7730

РАЗДЕЛ 8: АЦП для нормирования сигнала

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

8-29

Любой внешний резистор последовательный с входом увеличит эту постоянную

времени. Существуют таблицы, приводимые в технических описаниях различных

устройств семейства AD77XX, которые дают максимально допустимые величины

EXT

для

получения заданной точности. Следует руководствоваться данными этих таблиц, если

сопротивление внешнего источника будет более нескольких КΩ.

♦ Наличие

EXT

увеличивает время заряда

INT

и может привести к ошибке усиления

♦ Время заряда зависит от частоты выборок на входе и установки усиления

программируемого усилителя

♦ Для обеспечения требуемой точности необходимо обращаться к техническим

описаниям данного АЦП для получения допустимых величин

EXT

♦ Некоторые АЦП семейства AD77XX содержат внутренний буфер, который отделяет

вход от цепей коммутации

Рис.8.33. Подключение к небуферизованным входам Σ

ΣΣ

Σ∆ АЦП семейства AD77XX.

Одновременная выборка нескольких каналов является относительно общей

задачей для систем сбора данных. Если Σ∆ АЦП используются так, как показано на

Рис.8.34, то их выходы должны быть синхронизованы. Хотя входы выбираются в один и

тот же момент времени с частотой

Kfs

, частота модификации выходных данных после

децимации

обычно получается внутри каждого АЦП индивидуально путем деления

входной частоты выборки в

раз. По этой причине выходные данные следует

синхронизировать с одной и той же внешней тактовой частотой

. Для этой цели можно

использовать вход

SYNC

Рис.8.34. Синхронизация нескольких сигма-дельта АЦП

в приложениях с одновременной выборкой.

ЧАСТОТА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

ЗАВИСИТ ОТ f

CLKIN

И УСИЛЕНИЯ

EXT

SOURCE

ВЫСОКИЙ

ИМПЕДАНС

≥ 1ГΩ

INT

7 KΩ

INT

10 пФ

СЕРИЯ AD77ХХ

(БЕЗ БУФЕРА)

СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП

÷÷

÷ K

СИГМА-ДЕЛЬТА АЦП

ВЫХОД ДАННЫХ

АНАЛОГОВЫЕ

ВХО

SYNC

РАЗДЕЛ 8: АЦП для нормирования сигнала

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

8-30

Изделия, такие как AD7716 содержат несколько сигма-дельта АЦП на одном

кристалле ИС и автоматически обеспечивают взаимную синхронизацию. AD7716 содержит

четыре Σ∆ АЦП с разрешением до 22 разрядов и входной частотой передискретизации

570 КГц. Функциональная диаграмма AD7716 показана на Рис.8.35, а основные

характеристики на Рис.8.36. Частота среза цифровых фильтров (которую можно изменить

во время работы, но только за счет потери части данных в течение короткого интервала

времени, пока фильтры сбрасываются) программируется путем записи данных в регистр

управления. Частота модификации выходных данных зависит от выбранной частоты

среза. Для минимизации дрейфа входного напряжения смещения AD7716 содержит

режим авто-обнуления.

Рис.8.35. Многоканальный сигма-дельта АЦП AD7716.

♦ 4 входных канала, с разрешением до 22 разрядов

♦ Сигма-дельта архитектура с частотой передискретизации 570 КГц

♦ Наличие встроенного НЧ-фильтра, с программируемой частотой среза от

36.5 Гц до 584 Гц

♦ Последовательный интерфейс ввода/вывода

♦ Источник питания ±5 В

♦ Мощность рассеяния 50 мВт

Рис.8.36. Основные спецификации AD7716.

АНАЛОГОВЫЙ

МОДУЛЯТОР

АНАЛОГОВЫЙ

МОДУЛЯТОР

АНАЛОГОВЫЙ

МОДУЛЯТОР

АНАЛОГОВЫЙ

МОДУЛЯТОР

ЦИФРОВОЙ

НЧ-ФИЛЬТР

ЦИФРОВОЙ

НЧ-ФИЛЬТР

ЦИФРОВОЙ

НЧ-ФИЛЬТР

ЦИФРОВОЙ

НЧ-ФИЛЬТР

ВЫХОДНОЙ

СДВИГОВЫЙ

РЕГИСТР

УПРАВЛЕНИЯ

ЛОГИКА

УПРАВЛЕНИЯ

ТАКТОВВЫЙ

ГЕНЕРАТОР

AVDD DVDD AVSS RESET A0 A1 A2 CLKIN CLKOUT

VREF AGND DGND DIN1 DOUT1 DOUT2

AIN1

AIN2

AIN3

AIN4

MODE

CASCIN

CASCOUT

RFS

SDATA

SCLK

DRDY

TFS

РАЗДЕЛ 8: АЦП для нормирования сигнала

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

8-31

Применение

∆ АЦП в измерителях мощности

В то время как электромеханические счетчики электроэнергии популярны уже в

течение более чем 50 лет, применение интегральных счетчиков энергии обеспечивает

большую точность и гибкость. Что особенно немаловажно, интегральные счетчики,

будучи правильно сконструированными, имеют более длительный период жизни.

Преобразователь произведения двух входных величин в частоту AD7750 является первым

представителем семейства интегральных схем, предназначенных для применения в

электрических счетчиках.

Сначала следует рассмотреть основы измерения мощности (см. Рис.8.37).

Мгновенное значение напряжения переменного тока задается выражением

)cos()( tVtv

×= , а ток (предполагая, что он находится в фазе с напряжением)

выражением

)cos()( tIti

×= . Мгновенная мощность является произведением

(

) и

(

)(cos)(

tIVtp

××=

используя тригонометрические функции,

)2cos(1)(cos2

ωω

+= ,

[]

мощностьмгновеннаяt

tp =+

= )2cos(1

)(

Активная мгновенная мощность

представляет собой среднюю величину

(

Можно показать, что вычисление мгновенной активной мощности подробным образом

даст точные результате, даже если ток находится не в фазе с напряжением (т.е.

коэффициент мощности не 1). По определению, коэффициент мощности равен cos θ, где

θ представляет собой фазовый угол между напряжением и током). Оно также даст

правильную величину активной мощности, если форма сигнала отлична от

синусоидальной.

♦

)cos()( tVtv

×= (мгновенное напряжение)

♦

)cos()( tIti

×= ( мгновенный ток)

♦

)(cos)(

tIVtp

××= (мгновенная мощность)

♦

[]

)2cos(1

)( t

Рис.8.37. Основы измерения мощности.

AD7750 реализует эти вычисления, и блок-схема ИС приводится на Рис.8.38.

Устройство имеет два входа. Разность напряжений между

+ и

– представляет собой

напряжение, соответствующее мгновенной величине тока. Его обычно получают с

небольшого трансформатора, включенного последовательно в силовую линию (токовый

трансформатор). AD7750 имеет архитектуру с коммутируемым конденсатором, что

позволят обрабатывать биполярные входные аналоговые сигналы при наличии

однополярного питания +5В. Входное напряжение проходит через усилитель с ПУ,

усиление можно установить 1 или 16. При усилении 16 в цепь измерения тока вносится

малая величина импеданса. Выход усилителя подается на 16-разрядный сигма-дельта

модулятор 2-го порядка, осуществляющий выборку сигнала с частотой 900 КГц.

РАЗДЕЛ 8: АЦП для нормирования сигнала

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

8-32

Поток последовательных бит с модулятора пропускается через цифровой ВЧ-

фильтр. Для того, что исключить любые компоненты постоянного тока.

ВЧ-фильтр дает фазовое опережение на частоте 50 Гц в 2.58°. Для того, чтобы

ликвидировать разницу фазовых углов между обоими каналам, в цепь сигнала вводится

фиксированная задержки 143 мсек. Поскольку время задержки фиксировано, то если

используется другая частота отличная от 50 Гц, потребуется внешняя компенсация фазы.

Существует несколько способов такой компенсации, и они детально рассмотрены в

техническом описании AD7750.

Разность напряжений между

+ и

– представляет собой входное напряжение

(масштабированное к входному диапазону AD7750). Оно проходит через усилитель с

усилением 2 и второй сигма-дельта модулятор. Выходные напряжение и ток затем

умножаются цифровым образом, что дает

мгновенную мощность

Мгновенная активная мощность

получается затем путем пропускания мгновенной

мощности через цифровой НЧ-фильтр. Низкочастотные выходные сигналы

образуются путем накопления данной мгновенной мощности. Выходы

подают два

импульса отрицательной полярности с переменной частотой следования. Низкая частота

следования выходных импульсов означает существование длительного интервала

времени накопления между выходными импульсами. Поэтому выходная частота

пропорциональна

средней активной мощности.

Среднюю активную мощность можно, в

свою очередь, накапливать (с помощью электромеханического счетчика или двухфазного

шагового двигателя), для того чтобы измерять количество потребленной активной

энергии. Длительность импульса составляет 275 мс. Частота следования импульсов лежит

в пределах от 0 Гц до 14 Гц.

Рис.8.38. Преобразователь произведения двух входных

величин в частоту AD7750.

ΣΣ

Σ∆ МОДУЛЯТОР

ГО

ПОРЯДКА

Х16

–

ЦИФРОВОЙ

ВЧ-ФИЛЬТР

ЗАДЕРЖКА

ΣΣ

Σ∆ МОДУЛЯТОР

ГО

ПОРЯДКА

Х2

–

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЦИФРА-ЧАСТОТА

ЦИФРОВОЙ

ВЧ-ФИЛЬТР

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЦИФРА-ЧАСТОТА

ИОН ПО

ЗАПРЕЩЕННОЙ

ЗОНЕ 2.5 В

МГНОВЕННАЯ

АКТИВНАЯ

МОЩНОСТЬ

МГНОВЕННАЯ МОЩНОСТЬ = v(t) x i(t)

v(t)

i(t)

FOUT

REVP

CLKOUT

CLKIN

AGND REFOUT REFIN FS S1 S2 DGND

G1 VDD ACDC

V1+

V1–

V2+

V2–

ТОК

НАПРЯЖЕНИЕ

РАЗДЕЛ 8: АЦП для нормирования сигнала

Автор перевода: Горшков Б.Л.

8-33

Выход

FOUT

имеет более высокую частоту и, следовательно, меньшее время

накопления, и поэтому его сигнал пропорционален мгновенной активной мощности. Он

полезен для целей калибровки системы, которая производится при статических

нагрузках.

Ошибка измерения активной мощности составляет менее 0.2% в динамическом

диапазоне 500: 1 и менее 0.4% в динамическом диапазоне 1000: 1.

На Рис.8.39. показано приложение ИС в качестве электрического счетчика. Общей

точкой всей схемы является линия нейтрали. Питание +5В осуществляется от

преобразователя переменного тока в постоянный, который питается непосредственно с

линии фазы. Он может быть простым однополупериодным диодным выпрямителем с

конденсатором фильтра. Выходы

управляют работой счетчика КВт-часов, который

показывает величину потребленной электрической энергии.

Выход

REVP

(обратная полярность) управляет светодиодом и становится активным

(положительным), когда измеренная мощность становится отрицательной (когда сигналы

напряжения и тока сдвинуты на 180°, находятся в противофазе). Это обычно является

указанием неправильного подключения входов.

AD7751 электрического счетчика работает точно также, как AD7750, но обладает

лучшими рабочими характеристиками. ИС имеет встроенные цепи определения сбоев в

токовых мониторах, как фазной линии, так и нейтрали. Сбой идентифицируется тогда,

когда эти токи разнятся более чем на 12.5%, тогда счет продолжается с использованием

большего из двух токов.

Рис.8.39. Приложение для AD7750 в однофазном счетчике электроэнергии

(упрощенная схема).

ΣΣ

Σ∆ МОДУЛЯТОР

ГО

ПОРЯДКА

+ ВЧ-ФИЛЬТР

Х16

–

ΣΣ

Σ∆ МОДУЛЯТОР

ГО

ПОРЯДКА

Х2

–

НЧ-ФИЛЬТР +

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ИФРА-ЧАСТОТА

НЕЙТРАЛЬ

ИСТОЧНИК

AC В DC

+5 В

В НАГРУЗКУ

ФАЗА

0005147

AD7750

i(t)

v(t)

FOUT

СВЕТОДИОД

КАЛИБРОВКИ

СВЕТОДИОД

ИНДИКАЦИИ

ОБРАТНОЙ

ПОЛЯРНОСТИ

ИНДИКАТОР КВт/Ч

РАЗДЕЛ 8: АЦП для нормирования сигнала

Автор перевода: Горшков Б.Л.

8-34

Литература

1. S. A. Jantzi, M. Snelgrove & P. F. Ferguson Jr.,

A 4th-Order Bandpass Sigma-Delta Modulato

IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 38, No. 3, March 1993, pp.282-291.

System Applications Guide

Analog Devices, Inc., 1993, Section 14.

Mixed Signal Design Seminar

Analog Devices, Inc., 1991, Section 6.

AD77XX-Series Data Sheets

Analog Devices, http://www.analog.com

Linear Design Seminar

Analog Devices, Inc., 1995, Section 8.

6. J. Dattorro, A. Charpentier, D. Andreas,

The Implementation of a One-Stage Multirate 64:1 FIR

Decimator for use in One-Bit Sigma-Delta A/D Application

AES 7th International Conference, May 1989.

7. W.L. Lee and C.G. Sodini,

A Topology for Higher-Order Interpolative Coder

ISCAS PROC. 1987.

8. P.F. Ferguson, A. Ganesan, R.W. Adams,

One Bit Higher Order Sigma-Delta A/D Converter

ISCAS PROC. 1990, Vol. 2, pp. 890-893.

9. R. Koch, B. Heise, F. Eckbauer, E. Engelhardt, J. Fisher, F. Parzefall,

A 12-bit Sigma-Delta Analog-

to-Digital Converter with a 15MHz Clock Rat

IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-21, No. 6, December 1986.

10. Wai Laing Lee,

A Novel Higher Order Interpolative Modulator Topology for High Resolution

Oversampling A/D Converter

MIT Masters Thesis, June 1987.

11. D.R. Welland, B.P. Del Signore, E.J. Swanson,

A Stereo 16-Bit Delta-Sigma A/D Converter for

Digital Audi

J. Audio Engineering Society, Vol. 37, No. 6, June 1989, pp. 476-485.

12. R. W. Adams,

Design and Implementation of an Audio 18-Bit Analog-to-Digital Converter Using

Oversampling Technique

J. Audio Engineering Society, Vol. 34, March 1986, pp. 153-166.

13. B. Boser and Bruce Wooley,

The Design of Sigma-Delta Modulation Analog-to-Digital Converter

IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 23, No. 6, December 1988, pp. 1298-1308.

14. Y. Matsuya, et. al.,

A 16-Bit Oversampling A/D Conversion Technology Using Triple-Integration

Noise Shapin

IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-22, No. 6, December 1987, pp. 921-929.

15. Y. Matsuya, et. al.,

A 17-Bit Oversampling D/A Conversion Technology Using Multistage Noise

Shapin

IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 24, No. 4, August 1989, pp. 969-975.

16. P. Ferguson, Jr., A. Ganesan, R. Adams, et. al.,

An 18-Bit 20-kHz Dual Sigma-Delta A/D

Converte

ISSCC Digest of Technical Papers, February 1991.

17. Steven Harris,

The Effects of Sampling Clock Jitter on Nyquist Sampling Analog-to-Digital

Converters and on Oversampling Delta Sigma ADC

Audio Engineering Society Reprint 2844 (F-4), October, 1989.

18. Max W. Hauser,

Principles of Oversampling A/D Conversion,

Journal Audio Engineering Society, Vol. 39, No. 1/2, January/February 1991, pp. 3-26.

19.

Designing a Watt-Hour Energy Meter Based on the AD775

0, AN-545,

Analog Devices, Inc., http://www.analog.com

20. Daniel H. Sheingold,

Analog-Digital Conversion Handbook

Third Edition, Prentice-Hall, 1986.

РАЗДЕЛ 8: АЦП для нормирования сигнала

Автор перевода: Горшков Б.Л.

8-35