Усовершенствованная система сбора данных на кристалле для мониторинга линий передачи электроэнергии
Введение
Микросхема AD7606B (рис. 1) содержит восемь независимых цепей обработки биполярных аналоговых сигналов с размахом ±10 или ±5 В при питании от 5 В. Данная функция позволяет исключить предусилитель АЦП и биполярное питание измерительной системы.
Каждый измерительный канал включает защиту входов усилителя до 21 В, усилитель с программируемым КУ и входным импедансом 5 МОм, фильтр от наложения спектров первого порядка и 16-бит АЦП. Опциональный цифровой усредняющий фильтр с коэффициентом передискретизации до 256 и ИОН 2,5 В с малым дрейфом интегрированы в микросхему и позволяют создать полноценную измерительную систему линий электропередачи.
В добавление к перечисленным функциям AD7606B обладает обширными возможностями калибровки и диагностики, что позволяет улучшить надежность и системную производительность.
Прямое подключение сенсора
Входной импеданс AD7606B был значительно увеличен (до 5 МОм) по сравнению с предыдущим поколением AD7606, что позволило напрямую подключить широкий спектр датчиков со следующими очевидными преимуществами:
- уменьшена ошибка усиления от внешних резисторов (например, резисторов входных фильтров или сопротивлений делителя напряжения);
- сокращено отклонение измерения в случае отсоединения датчика, что позволяет упростить диагностику обрыва сенсора.
Ошибка усиления от внешних резисторов
В процессе изготовления на фабрике резисторы усилителя RFB и RIN (типовое значение 5 МОм) подстраиваются, при этом достигается высокая точность коэффициента усиления AD7606B. Однако в случае возможной установки дополнительного входного резистора в схеме вероятен сдвиг КУ от идеального RFB/RIN.
Чем выше RFILTER, тем больше возникающая ошибка усиления, требующая компенсации на контроллере. При этом чем выше RIN, тем меньше влияние величины RFILTER. Если сравнить с предыдущим поколением AD7606 (1 МОм входной импеданс), некалиброванная ошибка усиления у AD7606B сокращается в 5 раз (рис. 2).
При использовании функции калибровки программного режима AD7606B ошибка усиления может быть скомпенсирована прямо в измерительной системе, что позволяет исключить подстройку усиления в контроллере.
Детектирование отключения датчика
Обычно для определения отключения (обрыва) датчика разработчики устанавливают понижающий резистор RPD в параллель с датчиком (например, с токовым трансформатором на рис. 1). При этом обрыв детектируется в случае, если АЦП выдает код < 20 МЗР последовательно несколько циклов.
Рекомендуется выбирать значение RPD значительно выше выходного импеданса датчика для минимизации ошибок измерения. При этом чем выше величина сопротивления RPD, тем более высокое значение будет выдавать АЦП в случае обрыва датчика, что нежелательно и может привести к ошибочным определениям состояния подключения датчика. Благодаря повышенному входному импедансу AD7606B код АЦП будет меньшего значения, снижая риск ошибочного определения обрыва (рис. 3).
При использовании программного режима AD7606B и функции детектирования обрыва линии можно избежать необходимости в дополнительном программном коде во внешнем контроллере для данного события. В программном режиме задается число циклов получения низкого значения аналогово-цифрового преобразования (например, на рис. 4 — N = 3), после прохождения которых устанавливается сигнальный флаг обрыва датчика.
Функции системного уровня
Системная калибровка смещения
При использовании 2-входных резисторов, как на рис. 1, их рассогласование приведет к смещению измерения. Данное смещение можно измерить как значение показания АЦП при замыкании датчика на «землю». Измеренное значение можно добавить или вычесть из рабочих показаний АЦП, причем компенсация возможна в границах ±128 МЗР. Данная функция работает независимо на каждом из восьми каналов преобразования.
Системная калибровка фазы
Вход CONVST задает временной момент старта преобразования сразу на всех каналах АЦП. Однако в некоторых применениях, например при измерении тока через трансформаторы тока, а напряжения — через резистивный делитель, наблюдается сдвиг по фазе между сигналами тока и напряжения. Для компенсации этого эффекта в AD7606B можно задать задержку старта измерения на любом канале для полной синхронизации фаз (рис. 5).
Надежность системы
Для увеличения надежности системы были добавлены следующие функции:
- компараторы для детектирования повышенного/пониженного напряжение на каждом канале;
- проверка цифрового интерфейса посредством выдачи фиксированного кода на каждом из каналов;
- сигнализация ошибки чтения/записи SPI в случае попытки чтения/записи из недопустимого регистра;
- сигнализация BUSY STUCK HIGH (перегрузка линии передачи), если линия передачи данных преобразования BUSY продолжается дольше нормального периода после старта преобразования;
- сигнализация в случае детектирования сброса питания на встроенном LDO-регуляторе;
- проверка методом циклического избыточного кода (CRC) может быть проведена в памяти, ПЗУ и на каждом интерфейсе для гарантирования инициализации и функционирования.
Заключение
AD7606B — это полноценная система сбора данных на кристалле с высокой интеграцией блоков построения измерительного тракта. Полезным добавлением в микросхеме являются встроенные диагностические функции и калибровка КУ, смещения и фазы. Такие свойства AD7606B позволяют значительно упростить и удешевить схему построения приборов мониторинга линий передачи электроэнергии.