多路同步采樣ＡＤＣ實現高性能多通道電網監測

摘要：本文介紹了同步采樣ADC在電網監測中的應用，并對構建電力線測量系統時所要考慮的問題進行了討論。

關鍵詞： ADC；電力線監測；放大器；數字隔離器

前沿

電力工業的迅速擴展，在全球范圍內引發了加強現有傳輸和配電網絡以及建設新變電站的需求。微處理器技術方面的進展以及支持人員的人力成本的上升，已經成為電力公司設計新的、采用高精度集成化自動控制系統的自動化高壓變電站的關鍵性推動因素。

變電站可以根據電壓高低分為兩類：高壓類包括500kV、330kV和部分220kV電站，而220kV的終端變電站、110kV和35kV的變電站則被視為中壓和低壓類變電站。高壓(輸電)變電站屬于大型的室外建筑。而低壓(配電)變電站則是在市區的室內系統，以滿足高負載密度的供電需要。

信號處理技術的進步使得人們能夠在下一代系統中實現優于0.1％的測量精度，與目前系統的0.5％的典型精度值相比是一個巨大的改善，這主要是通過高性能的同步采樣ADC(模數轉換器)來實現的；它們可以提供未來系統所需要的分辨率和性能。

系統架構

圖1示出了典型的3相測量系統中的波形。每一相電源都有一個電流互感器(cT)和功率變壓器(PT)。整個系統包括3對這樣的器件。系統在任意時刻的平均功率可以通過如下的流程來快速求出：對每個變換器的輸出進行大量采樣，對采樣數據進行離散傅立葉變換(DFT)，然后執行所需的乘法和加法。

ADC對于3個CT和3個PT輸出進行32次同時采樣，并將獲得的32組結果存入RAM中。系統可以對全部6路輸出進行DFT，并按照實數和虛數分量來顯示結果(A+jB)。每個變換器的幅值和相位信息可以以如下的方式來計算：

可以提供諧波或者其他更高頻率的分量數據，計算出進一步的信息，如系統損耗或者有害噪聲的影響。系統要求

變電站可以包含上百臺變壓器/互感器。所測量到的電壓和電流值都要按比例標度，于是變壓器的±5V或者±10V的滿量程輸出遠遠大于電力線的滿程功率輸出范圍。一般來說，電力線(特別是電流測量元件)將在這個范圍的5％以下運行，典型的變壓器輸出將處在±620mV的范圍內。更大的信號則出現的可能很小，而一旦真的出現時，它們也往往意味著系統出現故障。

要對小信號進行精確的測量，就必須采用一個具有出色信噪比(sNR)的高分辨率ADC。所使用的多通道ADC必須能夠同時實現進行多路采樣。目前，可供貨的系統芯片通常具有14bit的分辨力，例如，AD7865是14bit的4通道ADC，可以接收真雙極型信號，并提供80dB的SNR。不過，現在對更高性能的、具有16bit分辨率10kSPS采樣率的ADC的需求也在增長。為了實現精確的3相電流一電壓測量，ADC應該能夠同時對6個通道進行采樣，具有出色的SNR以測量小信號，低功耗也是一個重要的考慮因素。

可以滿足這些要求的器件實例是AD7656，如圖2所示。它的封裝包含了6個低功耗的16bit和250kSPS逐次逼近型ADC。它利用工業CMOS(iCMOS)T藝制造，該工藝可以將高壓器件與亞微米的CMOS和互補雙極型電路集成到一起，提供更高的性能，功耗和封裝尺寸大幅度減小。

如圖3所示，AD7656由于具有86.6dB的SNR，故可以提供對變壓器的小AC輸出進行測量。其250kSPS的采樣率有助于快速的數據采集以實現實時FFF后處理的設計。它能夠直接接收來自變壓器的65V和610V的輸出，而無需增益或者電平偏移，而每個器件所消耗的最大功率僅為150roW。當電路板必須容納多個ADC通道時，這是一個重要的考慮因素。因為有些系統需要在單塊電路板上集成的128個通道(即需要22個6通道ADC)，功耗必然成為一個關鍵指標。

完整檢測系統

圖4示出了一個完整的電力線監測系統。雖然ADC是系統的核心，但在設計高性能的系統方面，還需要考

慮多種其他因素。電壓基準和輸入放大器對于系統性能來說也很關鍵，對于遠程通信來說，還可能需要保證隔離度。

ADG基準源的考慮

使用ADC的內置基準源還是采用外接基準，取決于系統的要求。當單塊電路板上使用多個ADC時，外接的基準源具有最佳的效果，因為利用分壓器的公共基準源可以消除基準電壓的分布差異。

一般來說，低漂移的基準源對于減小電壓基準對溫度的靈敏度也很重要。簡單的計算即可有助于理解漂移的重要性以及決定內部的基準源是否夠用。一個16bit的滿量程輸入為10V的ADC具有152mV的分辨率。AD7656的內部基準源的最大溫漂為25ppm/℃(典型值6ppm/℃)。在50℃的溫度范圍內，基準漂移幅度達到1250ppm，或者約12.5mV。在漂移有重要影響的應用中，外接的低漂移基準源，如ADR421(1 ppm/℃)，將是一個更好的選擇。而1ppm/℃的漂移率在50℃溫度范圍內所對應的電壓漂移值僅為0.5mV。

放大器的選用

在為電力線監測應用選擇放大器時，要考慮的一個關鍵性要求是低噪聲和低偏移。驅動放大器所產生的噪聲必須保持在盡可能低的電平上，以保證ADC的SNR和切換噪聲性能。低噪聲的放大器對于測量小AC信號來說也很重要。放大器的總偏移誤差，包括在整個溫度范圍內的漂移，都應該小于所需要的分辨率。

對于電力線監測應用來說，功耗將有重要的影響，特別是當要在單塊板卡上實現對多達128路通道測量時。而ADI的OP1177系列一般所消耗的電源電流每個放大器低于400μA。

ADC電源

ADC同時需要模擬和數字電源，大多數系統有5V的數字電源，但許多系統并沒有5V模擬電壓。因為同時為模擬和數字電路選用同一路電源會將有害的噪聲耦合到系統中，通常這是要避免的做法。對于那些有±12Vg極電源的的設計而言，可以采用低成本、低壓降穩壓器(LDO)，提供高質量的3V或者5V電源，它在溫度、負載和線電壓的變化范圍內具有1.4％的精度。

通信

在單個變電站中的許多系統都需要與遠程的主系統控制器進行通信，在通信中需要電氣隔離。帶有LED和光電二極管的光電耦合解決方案，如今可以由iCoupler數字隔離器來取代，該隔離器使用了芯片級的微變壓器。iCoupler器件的數據率比常用的高速光耦隔離器高出2-4倍，它們的功耗僅為1/50，其熱耗散量更小，可靠性更高，而且成本更低。除了這些優點外，其集成化的解決方案還可以減少電路板的占用空間，簡化電路布局設計。ADuMl4024通道數字隔離器可以應對高達100MSPS的數據率，而隔離性高達2.5kV。

RS-232常常被用來將多個系統連接起來，因此，每個系統和總線間的隔離顯得十分關鍵。數字隔離器并不支持RS-232標準，所以它們不能用于收發機和電纜之間，而是用于收發機和本地系統中。將一個ADuMl402 iCoupler數字隔離器、ADM232L RS-232收發機和一個隔離電源組合起來，就可以消除地線環路，并提供對浪涌的有效防護。

對于使用RS一485協議的系統而言，可以采用ADM2486單芯片，如圖5所示。它可以支持高達20Mbps的數據率，并有2.5kV的額定隔離能力。

信號處理

電力線監測應用需要通過數字信號處理(DsP)來執行復雜的數學運算。高性能、低成本、低功耗的ADSP—BF531 Blackfm處理器非常適合于執行這些復雜的DFT或者FFT計算。

Blackfin處理器，如ADSP-BF536和ADSP—BF537包含了一個IEEE兼容的802.3 10/100Ethernet MAC(媒體訪問控制器)。目前對許多電力線監測系統來說，這是一個標準的要求。

實際設計中的考慮

在設計電路板時，還必須對ADC的位置和周圍環境給予專門的考慮。模擬和數字電路應該被分隔開來，而且各自限定在電路板上的特定區域。至少應該使用一個地平面層，避免在ADC下面設置數字信號線，因為它們會將噪聲耦合到芯片上。應該讓AD7656下面是模擬的地平面層，以避免噪聲的耦合。時鐘和其他的高速開關信號應該用數字地線來屏蔽，它們應該永遠遠離模擬信號通路。必須避免數字和模擬信號的相互橫跨。在不同但相互接近的電路板層上的引線，相互之間應該成直角，以減少饋通的影響。

ADC的電源引線應該使用盡可能寬的導線，以提供低阻抗的通路并減少電源線上毛刺的影響。在AD7656電源引腳和電路板電源引線問必須實現良好的連接，這就需要為每個電源引腳提供單個或者多個穿孔。要降低AD7656所看到的電源阻抗以及降低電源尖峰的幅值，就應該實現良好的去耦。所有的電源引腳都應該并聯去耦電容，一般量值為100nF和10μF，其位置應該緊靠著這些引腳和對應的地線引腳，最好直接焊接在引腳上。

結語

全球對電力的不斷增長的需求，正在推動著輸電線路和電力變電站數量的增長。每塊板卡上將有多個ADC，于是，隨著系統設計者試圖在提高性能的同時降低成本，電路版的面積的有效利用和功耗問題將變得極為關鍵。

更高性能的系統可以通過高性能ADC的采用來實現，如AD7656，足以應對下一代電力線監測系統設計的需求。