提高电力线监控应用的系统级性能和可靠性

senlenced3 · 发表于 2021-4-15 11:20

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背景知识

对于许多应用，监控电力线意味着使用电流互感器和电阻分压网络，以便感测三相及零序的电流和电压，如图 1 所示。AD7606B 具有高输入阻抗，可以直接连接传感器，并且它提供了所需的全部内建输入模块，从而简化了数据采集系统设计。

图 1. 典型的电力线监控应用中的 AD7606B

AD7606B 在片内集成 8 个独立的信号链，即使采用 5 V 单电源供电（数字接口电压 Vdrive 不计），仍可接受±10 V 或±5 V 的真正双极性模拟输入信号。因此，无需使用外部驱动运算放大器和外部双极性电源。

每个通道都由 21V 模拟输入箝位保护电路、具备 5MΩ输入阻抗的电阻可编程增益放大器、一阶抗混叠滤波器和 16 位 SARADC 组成。此外，还可包含一个过采样率高达 256 的数字均值滤波器，以及一个低温漂 2.5 V 基准电压源，用于帮助构建完整的电力线数据采集系统。

除了提供完整的模拟信号链之外，AD7606B 还提供许多校准和诊断功能，以改善系统级性能和可靠性。

直接传感器接口

与 AD7606 不同，AD7606B 的输入阻抗已提高到 5 MΩ，使其可以直接与多种传感器接口，从而获得两个好处：

降低外部串联电阻（例如，滤波或电阻分压网络）导致的增益误差。
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当传感器断开时，所看到的偏移量会减小，可以轻松实现传感器断开检测功能。
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外部电阻造成的增益误差

进行工厂修整时，会严格控制 PGA 的 RFB 和 RIN N（一般为 5MΩ），确保准确设置 AD7606B 的增益。但是，如图 1 所示，如果在前端放置一个外部电阻，那么实际增益与理想的修整 RFB/RIN 值之间会存在偏差。

RFILTER 越高，增益误差越大，这需要从控制器一侧补偿。但是，RIN 越高，相同 RFILTER 产生的影响就越小。与 AD7606 具有 1 MΩ输入阻抗不同，AD7606B 具有 5 MΩ阻抗，这意味着在没有任何校准的情况下，相同串联电阻(RFILTER)的增益误差会降低到约 1/5，如图 2 所示。

图 2. 串联电阻导致的增益误差

但是，通过在软件模式下使用 AD7606B，系统增益误差可以基于每个通道自动进行片内补偿，因此完全无需再在控制器一侧实施任何增益校准计算。

传感器断开检测

传统上，将下拉电阻(RPD)与传感器（图 1 中所示的电流互感器）并联，用户可通过监测多个样本(N)的 ADC 输出代码是否重复小于 20 LSBs，来检测传感器何时断开。

建议采用比传感器的源阻抗大得多的 RPD，将该并联电阻可能产生的误差减至最小。但是，RPD 越大，在传感器断开时生成的 ADC 输出代码也越大，这并非我们期望的结果。由于 AD7606B 的 RIN 比 AD7606 大，对于给定的 RPD，如果传感器断开，ADC 输出代码会降低（如图 3 所示），从而降低了误报的风险。

图 3. 传感器与 ADC 的模拟输入断开连接时的偏置误差

进入 AD7606B 的软件模式时，可以使用开路检测功能，从而无需后端软件来检测传感器断开情况。编程设置样本数量 N（在图 4 的示例中，N = 3）之后，如果模拟输入保持由几个样本报告较小的直流值，算法会自动运行，并在模拟输入信号断开被判定为开路时，置一个标记位。

图 4. 传感器断开检测

系统级性能

系统失调校准

使用一对外部电阻时，如图 1 所示，它们之间出现任何不匹配都会导致产生偏移。传感器短接至地时，该偏移可以测量为 ADC 输出代码。然后，可以通过编程设置对应的通道偏移寄存器，在转换结果中增加或减去–128 LSBs 至+127 LSBs 偏移，以补偿系统偏移。

系统相位校准

CONVST 引脚用于管理模数转换启动，以便同时在所有通道上触发该流程。但是，对于通过电流互感器(CT)测量电流同时通过分压电阻按比例缩小来测量电压的应用，存在电流和电压通道之间相位不匹配的情况。为了补偿这种不匹配，AD7606B 可以延迟任何通道（相对延迟大一点儿的通道）上的采样时刻，以便将输出信号调整到同相，如图 5 所示。