12位AD轉(zhuǎn)換器MAX197及其在諧波分析儀中的應(yīng)用

武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院?。ㄎ錆h430072）　　張　林　孫　光

隨著用電量的增加，電網(wǎng)的諧波污染變得日益嚴(yán)重，這就要求電力監(jiān)控設(shè)備能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)電網(wǎng)諧波分量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。我們研制的電網(wǎng)諧波分析儀，采用了MAX197對(duì)各相關(guān)點(diǎn)的波形信號(hào)進(jìn)行采集。運(yùn)行實(shí)踐表明，MAX197的采樣及穩(wěn)定性是令人滿(mǎn)意的。

1　引　言

MAX197是MAXIM公司出品的12位8通道AD轉(zhuǎn)換芯片，其主要特點(diǎn)如下：

·12位分辨率；
·單＋5V工作電源；　
·可軟件選擇模擬量輸入范圍：±10V，±5V，0V～10V，0V～5V；
·8個(gè)模擬輸入通道；
·6μs轉(zhuǎn)換時(shí)間，100ksps采樣速率；
·可采用內(nèi)部或外部采集控制模式；
·兩種電源關(guān)斷模式；
·內(nèi)部或外部時(shí)鐘；
·內(nèi)部4．096V參考電源或外界參考電源。

2　內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳說(shuō)明

圖1所示為MAX197的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，其部分是一個(gè)采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一個(gè)用來(lái)切換模擬輸入通道的多路復(fù)用器以及輸入信號(hào)調(diào)理和過(guò)壓保護(hù)電路。其內(nèi)部還建有一個(gè)2．5V的帶隙基準(zhǔn)電壓源。 圖2為其引腳封裝圖。　　

各引腳的說(shuō)明如表1所示。

MAX197既可以使用內(nèi)部參考電壓源，也可以使用外部參考電壓源。從圖1可以看出，當(dāng)使用內(nèi)部參考源時(shí)，芯片內(nèi)部的2．5V基準(zhǔn)源經(jīng)放大后向REF提供4．096V參考電平。這時(shí)應(yīng)在REF與AGND之間接入一個(gè)4．7μF電容，在REFADJ與AGND之間接入一個(gè)0．01μF電容。　　當(dāng)使用外部參考源時(shí)，接至REF的外部參考源必須能夠提供400μA的直流工作電流，且輸出電阻小于10Ω。如果參考源噪聲較大，應(yīng)在REF端與模擬信號(hào)地之間接一個(gè)4．7μF電容?！　?br>
模擬量輸入通道擁有±16．5V的過(guò)電壓保護(hù)，即使在關(guān)斷狀態(tài)下，保護(hù)也有效。

3　運(yùn)行及控制模式

通過(guò)對(duì)控制寄存器的設(shè)置，MAX197可以工作在不同的運(yùn)行及控制模式，表2就是控制寄存器格式。

下面我們重點(diǎn)討論不同的時(shí)鐘模式、采集控制模式、電源關(guān)斷模式以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。

（1）時(shí)鐘模式

通過(guò)對(duì)控制寄存器的D6、D7位置數(shù)，可以選擇MAX197使用外部時(shí)鐘或內(nèi)部時(shí)鐘。一旦選定時(shí)鐘模式，除非斷電（不包括電源關(guān)斷模式），否則，所選時(shí)鐘模式不可再改變。在兩種時(shí)鐘模式下，外部采集和內(nèi)部采集控制模式都可選用。當(dāng)芯片上電時(shí)，初始狀態(tài)為外部時(shí)鐘模式?！　?br>
選擇內(nèi)部時(shí)鐘模式時(shí)，應(yīng)在CLK端和地之間接入一個(gè)電容，不同的電容值對(duì)應(yīng)不同的內(nèi)部時(shí)鐘周期。

工作時(shí)鐘的值為2MHz。

（2）采集控制模式　　通過(guò)將控制寄存器的ACQMOD位置0可選擇內(nèi)部采集控制模式。在內(nèi)部采集控制模式下，寫(xiě)信號(hào)脈沖將開(kāi)始一個(gè)由內(nèi)部定時(shí)控制長(zhǎng)度的采集間隔。在6個(gè)時(shí)鐘周期長(zhǎng)度的采集間隔結(jié)束時(shí)，將啟動(dòng)下一個(gè)轉(zhuǎn)換。

在內(nèi)部采集控制模式下，MAX197的模擬信號(hào)輸入電路擁有5MHz的信號(hào)帶寬，當(dāng)使用內(nèi)部采集控制模式并使用外接2MHz時(shí)鐘時(shí)，可達(dá)到100ksps的通過(guò)速率。

通過(guò)將控制寄存器的ACQMOD位置0可選擇外部采集控制模式。采用外部采集控制模式是為了控制采樣孔徑或獨(dú)立控制采集和轉(zhuǎn)換時(shí)間。由用戶(hù)分別通過(guò)兩個(gè)寫(xiě)信號(hào)脈沖控制采集間隔和開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)間，個(gè)寫(xiě)信號(hào)脈沖時(shí)將控制寄存器的ACQMOD位置1，開(kāi)始一個(gè)采集間隔。第二個(gè)寫(xiě)信號(hào)脈沖時(shí)將控制寄存器的ACQMOD位置0，結(jié)束采集間隔并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。然而，如果在第二個(gè)寫(xiě)信號(hào)脈沖時(shí)將控制寄存器的ACQMOD位置1，則將開(kāi)始又一個(gè)采集間隔。　　

在個(gè)寫(xiě)信號(hào)脈沖和第二個(gè)寫(xiě)信號(hào)脈沖時(shí)，控制寄存器中的模擬通道選擇位必須置相同的值。電源關(guān)斷模式控制位可以置不同的值。

（3）電源關(guān)斷模式

為節(jié)省能源，MAX197可以在兩次轉(zhuǎn)換之間工作于低電流關(guān)斷模式。有兩種電源關(guān)斷模式供選擇，通過(guò)控制寄存器的PD1、PD0位，可以選擇STBYPD（待機(jī)）模式或FULLPD（全關(guān)斷）模式。當(dāng)STBYPD關(guān)斷模式被設(shè)置后，只有在轉(zhuǎn)換結(jié)束后才生效。在STBYPD模式下，芯片在個(gè)寫(xiě)信號(hào)的下降沿返回正常狀態(tài)。

當(dāng)FULLPD關(guān)斷模式被設(shè)置且SHDN端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片處于硬件全關(guān)斷狀態(tài)（FULLPD），此時(shí)將馬上中止轉(zhuǎn)換。　　

這里須強(qiáng)調(diào)的是，在不同的關(guān)斷模式下，芯片由關(guān)斷到恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)的過(guò)渡過(guò)程是不一樣的。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮到這一特點(diǎn)。

在STBYPD模式時(shí)，帶隙參考源和參考源放大電路仍然保持工作，REF上的電壓將不受模式轉(zhuǎn)換的影響。因此，可以在這種模式時(shí)選擇任何采樣速率而不用考慮恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)的延遲。即在兩次轉(zhuǎn)換之間選用STBYPD關(guān)斷模式時(shí)，不用考慮過(guò)渡時(shí)間?！　?br>
然而，在FULLPD模式下，只有帶隙參考源在工作，芯片由關(guān)斷到恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)存在一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。為了減小過(guò)渡過(guò)程的影響，應(yīng)在REF與AGND之間接入一個(gè)33pF的電容。

（4）轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取　　

輸出數(shù)據(jù)采用無(wú)符號(hào)二進(jìn)制模式（單極性輸入方式）或二進(jìn)制補(bǔ)碼形式（雙極性輸入方式）。當(dāng)CS和RD都有效時(shí)，HBEN為低電平，低8位數(shù)據(jù)被讀出，HBEN為高電平，復(fù)用的高4位被讀出，另外4位保持低電平（在單極性方式下），或另外4位為符號(hào)位（在雙極性方式下）?！　?br>
當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束并且結(jié)果有效時(shí)，轉(zhuǎn)換完成中斷信號(hào)端INT發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)，當(dāng)讀信號(hào)結(jié)束或一個(gè)新的控制字節(jié)被寫(xiě)入時(shí)，INT端重新變?yōu)楦唠娖??！　?br>
在轉(zhuǎn)換期間寫(xiě)入一個(gè)新的控制字節(jié)將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換中止并開(kāi)始一個(gè)新的采集間隔

4　在電網(wǎng)諧波分析儀中的應(yīng)用

電網(wǎng)諧波分析需要采集的數(shù)據(jù)包括三相線路的電壓、電流及零序電流共七個(gè)量（對(duì)于每條輸電線路），MAX197的多通道輸入、較高的分辨率、適中的轉(zhuǎn)換速率以及可雙極性輸入等特點(diǎn)非常適于電網(wǎng)諧波分析的數(shù)據(jù)采集。

我們研制的電網(wǎng)諧波分析儀，采用了MAX197與80C196KC單片機(jī)負(fù)責(zé)前臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和傳輸工作。其接口示意圖如圖3所示。

為了減小讀取MAX197低8位和高4位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，我們?cè)诮涌陔娐飞喜扇×艘欢ǖ募记?，即把HBEN（復(fù)用控制）信號(hào)與CS（片選）信號(hào)都接入由GAL芯片組成的譯碼電路，這樣，對(duì)于80C196KC單片機(jī)而言，讀取MAX197低8位和高4位數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的硬件地址是不同的，從而不需要在采集軟件中對(duì)HBEN信號(hào)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的控制。

由于MAX197采用了比較特殊的采集控制方式，要想充分發(fā)揮100ksps的通過(guò)速率并可靠地讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須非常小心地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集軟件，這里要強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：　　

（1）AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取控制。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束并且結(jié)果有效時(shí)，MAX197的INT端變?yōu)榈碗娖街敝翑?shù)據(jù)被讀取。根據(jù)INT信號(hào)處理方式的不同，轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取一般可以采用中斷方式或查詢(xún)方式。在80C196KC單片機(jī)中，中斷的調(diào)用時(shí)間為21個(gè)狀態(tài)周期，顯然采用查詢(xún)方式處理INT信號(hào)的效率要高于中斷方式。

（2）AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取時(shí)機(jī)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)采用的是MAX197的內(nèi)部采集控制模式，這一?！　∈降腁D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)是在對(duì)MAX197進(jìn)行寫(xiě)操作（寫(xiě)控制寄存器）后6個(gè)時(shí)鐘周期，MAX197的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為12個(gè)時(shí)鐘周期，即在寫(xiě)操作后直至INT信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，至少?8個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)采用2MHz時(shí)鐘時(shí)，這一時(shí)間為9μs，即72個(gè)80C196KC單片機(jī)狀態(tài)周期（采用16M晶振），這段時(shí)間足以讀取上次AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果（此時(shí)仍然有效）。讀取完成后再進(jìn)行查詢(xún)INT信號(hào)的操作。這樣可以充分利用兩次AD轉(zhuǎn)換完成之間的時(shí)間間隔，而不必一味地查詢(xún)等待。

按照上面的方法，我們?cè)谥C波分析儀的數(shù)據(jù)采集中做到了在一個(gè)工頻周期（20ms）內(nèi)對(duì)每路信號(hào)采樣64個(gè)點(diǎn)，7路信號(hào)共采樣448個(gè)點(diǎn)。實(shí)際上，這一采樣速率還可進(jìn)一步提高。