一文解析DSP与AD7656的高速AD采集电路

　　一、AD7656简介

　　AD7656具有最大4 LSBS INL和每通道达250kSPS的采样率，并且在片内包含一个2.5V内部基准电压源和基准缓冲器。该器件仅有典型值160mW的功耗，比最接近的同类双极性输入ADC的功耗降低了60% 。

　　AD7656包含一个低噪声、宽带采样保持放大器（T/H），以便处理输入频率高达8MHz的信号。该AD7656还具有高速并行和串行接口，可以与微处理器（mcu）或数字信号处理器（DSP）连接。AD7656在串行接口方式下，能提供一个菊花链连接方式，以便把多个ADC连接到一个串行接口上。

　　AD7656工作原理：

　　AD7656足具有独立的六通道逐次逼近型（SAR）的模数转换器，转换处理和数据的精度是通过CONVST信号和一个内部晶振控制的。3个CONVST管脚允许3路ADC对独立同步采样。当3个CONVST管脚连接到一起时，就可以进行6个通道的同步采样。 AD7656具有高速的并行和串行接口，允许其与Microprocessors和DSP进行接口。当使用串行接口模式时，AD7656具有的菊花链特性允许多个ADC和一个串行接口连接。由于在电力继电保护产品中以并行接口连接设计为主，所以下面将以并行接口的连接方式介绍其工作原理。

　　首先，通过MCU或DSP控制CONVST管脚启动转换，并保持该信号为高电平。AD7656启动转换信号后会自动输出BUSY信号，BUSY信号下降沿时，代表转换已经全部完成。

　　此时，AD7656内部的6个寄存器中已经保存了转换的数据，然后通过控制片选CS和读RD信号依次顺序读出6个通道AD转换值。 读出AD转换值后，改变CONVST为低电平信号。注意在设计时，一定要保证AD转换过程中CONVST管脚保持高电平。

　　AD7656的应用：

　　当前，继电保护产品在不断地更新换代并改变着设计模式。最初由于工艺和芯片等各方面因素的影响，第一代电力继电保护产品均采用模拟开关，配合单通道16bit的ADC设计，例如AD976，AD574等AD转换器产品；后来出现了使用16bit的AD7665和14bit的AD7685配合模拟开关的第二代继电保护产品，AD7665和AD7865在当前很多电力继电保护产品中仍有非常成功的应用案例；随着技术的更新和产品工艺的改进，尤其是其±10V双极多通道同步输入等技术特点，使AD7656有望成为电力继电保护的新一代产品。

　　二、TMS320C6713简介

　　TMS320C6713 DSP是美国TI于1997年推出的C6000系列DSP芯片的一款，它是32位高速浮点型DSP，时钟最高频率为300MHz。

　　TMS320C6713主要特点有：

　　（1）体系结构采用超长指令字（VLIW）结构，单指令字长为32位，指令包里有8个指令，总字长达到256位。执行指令的功能单元已经在编译时分配好，程序运行时通过专门的指令分配模块，可以将每个256位的指令包同时分配到8个处理单元，并由8个单元同时运行。其最大处理能力可以达到2400MIPS。

　　（2）采用二级缓冲处理，4KByte直接匹配的程序缓冲L1P，4KByte可匹配的数据缓冲L1D，256KByteL2额外匹配内存。32位外部存储器接口，可无缝连接SRAM、EPROM、Flash、SBSRAM和SDRAM。

　　（3）丰富的外设，包括DMA，EDMA，支持无需CPU参与可以在允许的地址空间里传送数据，扩展总线，具有主机口和I/O端口操作等功能，多通道缓冲串口，其通过配置能和多种串行通信接口通信，两个32位通用定时器等。

　　三、模拟转换电路设计

　　1、模拟转换电路设计

　　由于在综合控制计算机采集的信号源与AD7656要求的输入信号不匹配，所以对信号源的信号进行前端调理电路调整，在AD7656前端调理电路设计主要考虑了如下因素：

　　（1）阻抗匹配。由于输入信号的信号源不一定是低阻抗，AD7656的输入端很可能会对信号源信号分压，从而影响采集转换信号的精度。在AD7656前级输入采用运算放大缓冲器解决该问题，因为运算放大缓冲器具有很高的输入阻抗，因此不会对信号源分压，同时它的低输出阻抗适合驱动AD7656的输入端;

　　（2）减小容性负载的影响。AD7656输入端具有容性负载特性，通常需要一个电阻和电容组成外部补偿电路，采用该电路给信号源增加了容性负载。

　　AD7656前端调理电路设计见图3所示。AD7656前端调理电路采用的运算放大缓冲器为ADI公司的OP177FS，其具有低输入失调电压（25μV），失调电压时间漂移最大0.1μV/℃，开环增益最小12V/μV，电源电流2.0mA。

　　2、AD7656与TMS320C6713B接口电路设计

　　AD7656与TMS320C6713B接口电路采取并行接口设计。在电路设计时将AD7656的“SER/PAR”管脚设置为并行接口方式，“W/B”管脚设置为字方式，“H/SSEL”管脚设置为硬件启动转换方式。TMS320C6713B通过外部存储器接口（EMIF）总线实现对AD7656访问，启动对AD7656转换，读取转换结果数据，接口电路结构图见图4所示。

　　TMS320C6713B通过CPLD实现对AD7656控制逻辑译码，来满足AD7656的访问时信号的逻辑要求，AD7656访问时序图见图5所示。

　　AD7656包括6通道ADC转换，可实现6通道ADC同步转换，减少了多路ADC转换采样时间。在CPLD逻辑设计中采用同时控制“CONVSTA”

　　“CONVSTB”“CONVSTC”管脚输出有效完成6通道ADC通道同步转换。

　　根据图5所示AD76565通过“CONVSTA，B，C”信号的上升沿启动ADC转换，ADC转换过程中，“BUSY”信号为逻辑“高”标识，ADC正在转换过程中，ADC转换时钟由内部时钟产生，从“CONVSTA，B，C”信号的上升沿启动转换3μs后ADC转换结束，“BUSY”信号为逻辑“低”表示ADC转换结束。TMS320C6713B通过EMIF总线接口完成对转换结果的读取。对AD7656芯片转换结果读取，通过“CS”片选信号和“RD”读信号控制，6个通道转换结束后，TMS320C6713B控制“CS”为有效和6个“RD”读有效信号，完成对模拟量输入“V1”信号、“V2”信号、“V3”信号、“V4”信号、“V5”信号、“V6”信号转换结果的读取。

　　3、AD7656设计中应注意问题

　　3.1电压基准电路设计

　　由于AD7656转换的精度与参考电压基准电压的精度有很大关系，参考电压基准输出电压值用来确定数据转换系统的满量程输入范围，同时参考电压基准电压的任何误差都会严重影响ADC的线性和无杂散动态范围。

　　由于AD7656内部集成的电压基准参数精度低，一般在对于分辨率大于12位的ADC应用中采用高精密外部电压基准，本设计采用高精密外部电压基准AD780BR作为AD7656转换的电压基准。通过表2对两种电压基准参数比较，看出外部高精密电压基准精度高，具有更低的温度系数、热迟滞和长期漂移。

　　四、PCB设计

　　1、数\模区域分割

　　在高速AD采集电路的设计中，达到高精度与PCB设计是密不可分的，所以进行PCB设计过程中，按照电路实现的功能可以简单地划分为数字电路和模拟电路两部分，将数字区域与模拟区域进行分割，形成每个区域的独立电源和地，这样可以有效抑制干涉的传导和RF能量的辐射。

　　AD7656芯片在管脚定义时将模拟量和数字量信号按区域定义，有利于PCB设计中数字量和模拟量区域分割，布线时注意模拟信号区域布模拟信号线，数字信号区域布数字信号线，不要将数字信号线和模拟信号线并行布线。

　　在本系统中模拟地和数字地采用一个电势参考点，所以模拟地和数字地采用单点共地，共地点尽可能地靠近AD7656。

　　2、电源去耦设计

　　由于AD7656芯片存在多个电源管脚，在每个电源管脚需要连接去耦电容。去耦电容的设计中采用并联100nF和10 μF电容。电容选择时可选用具有小等效串联电感（ESL）瓷介质电容。AD7656的去耦电容设计见图6所示。

　　五、AD采集软件设计实现

　　TI公司提供良好的C/C++编译器，在TMS320C6713B软件开放过程中支持C/C++语言设计。并且提供的良好的库函数（DSPLIB），支持TMS320C6713B的数学运算和矢量运行。

　　采集软件设计采用了模块化设计，主要包括初始化函数、AD7656转换启动函数和AD7656转换结果读取函数。

　　初始化函数实现对TMS320C6713B系统时钟、EMIF总线时钟配置，EMIF总线接口访问时序的配置。通过该初始化函数配置，配置CS（片选）RD读信号相对时序关系，满足AD7656访问时序关系。

　　AD7656转换启动函数实现启动AD7656的AD转换，该函数控制AD7656转换启动信号CONVSTA，B，C为有效状态，同步6路AD转换。

　　AD7656转换结束标识查询函数实现对AD7656转换状态标识信号BUSY查询，判断AD7656内部ADC转换是否结束。

　　AD7656转换结果读取函数实现档查询到AD转换结束标识后，读取AD转换结果。该函数通过连续的6次读操作，读取6路AD同步转换结果。AD采集软件流程见图7所示。

　　六、结束语

　　针对要求高精度、多路信号监测和实时采集，本设计选用了AD7656和TMS320C6713B相结合作为某控制系统工作状态实时监控以及故障检测系统方案，本设计接口电路设计简单，采集精度高、速度快，可同时完成对多路信号的采集。系统联试证明，本系统完全满足某控制系统对工作状态监控以及故障检测信号的采集精度和实时性的要求。