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摘要：本文介绍了同步采样ADC在电网监测中的应用，并对构建电力线测量系统时所要考虑的问题进行了讨论。
关键词： ADC；电力线监测；放大器；数字隔离器
前沿
电力工业的迅速扩展，在全球范围内引发了加强现有传输和配电网络以及建设新变电站的需求。微处理器技术方面的进展以及支持人员的人力成本的上升，已经成为电力公司设计新的、采用高精度集成化自动控制系统的自动化高压变电站的关键性推动因素。
变电站可以根据电压高低分为两类：高压类包括500kV、330kV和部分220kV电站，而220kV的终端变电站、110kV和35kV的变电站则被视为中压和低压类变电站。高压(输电)变电站属于大型的室外建筑。而低压(配电)变电站则是在市区的室内系统，以满足高负载密度的供电需要。
信号处理技术的进步使得人们能够在下一代系统中实现优于0.1％的测量精度，与目前系统的0.5％的典型精度值相比是一个巨大的改善，这主要是通过高性能的同步采样ADC(模数转换器)来实现的；它们可以提供未来系统所需要的分辨率和性能。
系统架构
图1示出了典型的3相测量系统中的波形。每一相电源都有一个电流互感器(cT)和功率变压器(PT)。整个系统包括3对这样的器件。系统在任意时刻的平均功率可以通过如下的流程来快速求出：对每个变换器的输出进行大量采样，对采样数据进行离散傅立叶变换(DFT)，然后执行所需的乘法和加法。
ADC对于3个CT和3个PT输出进行32次同时采样，并将获得的32组结果存入RAM中。系统可以对全部6路输出进行DFT，并按照实数和虚数分量来显示结果(A+jB)。每个变换器的幅值和相位信息可以以如下的方式来计算：
可以提供谐波或者其他更高频率的分量数据，计算出进一步的信息，如系统损耗或者有害噪声的影响。系统要求
变电站可以包含上百台变压器/互感器。所测量到的电压和电流值都要按比例标度，于是变压器的±5V或者±10V的满量程输出远远大于电力线的满程功率输出范围。一般来说，电力线(特别是电流测量元件)将在这个范围的5％以下运行，典型的变压器输出将处在±620mV的范围内。更大的信号则出现的可能很小，而一旦真的出现时，它们也往往意味着系统出现故障。
要对小信号进行精确的测量，就必须采用一个具有出色信噪比(sNR)的高分辨率ADC。所使用的多通道ADC必须能够同时实现进行多路采样。目前，可供货的系统芯片通常具有14bit的分辨力，例如，AD7865是14bit的4通道ADC，可以接收真双极型信号，并提供80dB的SNR。不过，现在对更高性能的、具有16bit分辨率10kSPS采样率的ADC的需求也在增长。为了实现精确的3相电流一电压测量，ADC应该能够同时对6个通道进行采样，具有出色的SNR以测量小信号，低功耗也是一个重要的考虑因素。
可以满足这些要求的器件实例是AD7656，如图2所示。它的封装包含了6个低功耗的16bit和250kSPS逐次逼近型ADC。它利用工业CMOS(iCMOS)T艺制造，该工艺可以将高压器件与亚微米的CMOS和互补双极型电路集成到一起，提供更高的性能，功耗和封装尺寸大幅度减小。
如图3所示，AD7656由于具有86.6dB的SNR，故可以提供对变压器的小AC输出进行测量。其250kSPS的采样率有助于快速的数据采集以实现实时FFF后处理的设计。它能够直接接收来自变压器的65V和610V的输出，而无需增益或者电平偏移，而每个器件所消耗的最大功率仅为150roW。当电路板必须容纳多个ADC通道时，这是一个重要的考虑因素。因为有些系统需要在单块电路板上集成的128个通道(即需要22个6通道ADC)，功耗必然成为一个关键指标。
完整检测系统
图4示出了一个完整的电力线监测系统。虽然ADC是系统的核心，但在设计高性能的系统方面，还需要考
虑多种其他因素。电压基准和输入放大器对于系统性能来说也很关键，对于远程通信来说，还可能需要保证隔离度。
ADG基准源的考虑
使用ADC的内置基准源还是采用外接基准，取决于系统的要求。当单块电路板上使用多个ADC时，外接的基准源具有最佳的效果，因为利用分压器的公共基准源可以消除基准电压的分布差异。
一般来说，低漂移的基准源对于减小电压基准对温度的灵敏度也很重要。简单的计算即可有助于理解漂移的重要性以及决定内部的基准源是否够用。一个16bit的满量程输入为10V的ADC具有152mV的分辨率。AD7656的内部基准源的最大温漂为25ppm/℃(典型值6ppm/℃)。在50℃的温度范围内，基准漂移幅度达到1250ppm，或者约12.5mV。在漂移有重要影响的应用中，外接的低漂移基准源，如ADR421(1 ppm/℃)，将是一个更好的选择。而1ppm/℃的漂移率在50℃温度范围内所对应的电压漂移值仅为0.5mV。
放大器的选用
在为电力线监测应用选择放大器时，要考虑的一个关键性要求是低噪声和低偏移。驱动放大器所产生的噪声必须保持在尽可能低的电平上，以保证ADC的SNR和切换噪声性能。低噪声的放大器对于测量小AC信号来说也很重要。放大器的总偏移误差，包括在整个温度范围内的漂移，都应该小于所需要的分辨率。
对于电力线监测应用来说，功耗将有重要的影响，特别是当要在单块板卡上实现对多达128路通道测量时。而ADI的OP1177系列一般所消耗的电源电流每个放大器低于400μA。
ADC电源
ADC同时需要模拟和数字电源，大多数系统有5V的数字电源，但许多系统并没有5V模拟电压。因为同时为模拟和数字电路选用同一路电源会将有害的噪声耦合到系统中，通常这是要避免的做法。对于那些有±12Vg极电源的的设计而言，可以采用低成本、低压降稳压器(LDO)，提供高质量的3V或者5V电源，它在温度、负载和线电压的变化范围内具有1.4％的精度。
通信
在单个变电站中的许多系统都需要与远程的主系统控制器进行通信，在通信中需要电气隔离。带有LED和光电二极管的光电耦合解决方案，如今可以由iCoupler数字隔离器来取代，该隔离器使用了芯片级的微变压器。iCoupler器件的数据率比常用的高速光耦隔离器高出2-4倍，它们的功耗仅为1/50，其热耗散量更小，可靠性更高，而且成本更低。除了这些优点外，其集成化的解决方案还可以减少电路板的占用空间，简化电路布局设计。ADuMl402 4通道数字隔离器可以应对高达100MSPS的数据率，而隔离性高达2.5kV。
RS-232常常被用来将多个系统连接起来，因此，每个系统和总线间的隔离显得十分关键。数字隔离器并不支持RS-232标准，所以它们不能用于收发机和电缆之间，而是用于收发机和本地系统中。将一个ADuMl402 iCoupler数字隔离器、ADM232L RS-232收发机和一个隔离电源组合起来，就可以消除地线环路，并提供对浪涌的有效防护。
对于使用RS一485协议的系统而言，可以采用ADM2486单芯片，如图5所示。它可以支持高达20Mbps的数据率，并有2.5kV的额定隔离能力。
信号处理
电力线监测应用需要通过数字信号处理(DsP)来执行复杂的数学运算。高性能、低成本、低功耗的ADSP—BF531 Blackfm处理器非常适合于执行这些复杂的DFT或者FFT计算。
Blackfin处理器，如ADSP-BF536和ADSP—BF537包含了一个IEEE兼容的802.3 10/100Ethernet MAC(媒体访问控制器)。目前对许多电力线监测系统来说，这是一个标准的要求。
实际设计中的考虑
在设计电路板时，还必须对ADC的位置和周围环境给予专门的考虑。模拟和数字电路应该被分隔开来，而且各自限定在电路板上的特定区域。至少应该使用一个地平面层，避免在ADC下面设置数字信号线，因为它们会将噪声耦合到芯片上。应该让AD7656下面是模拟的地平面层，以避免噪声的耦合。时钟和其他的高速开关信号应该用数字地线来屏蔽，它们应该永远远离模拟信号通路。必须避免数字和模拟信号的相互横跨。在不同但相互接近的电路板层上的引线，相互之间应该成直角，以减少馈通的影响。
ADC的电源引线应该使用尽可能宽的导线，以提供低阻抗的通路并减少电源线上毛刺的影响。在AD7656电源引脚和电路板电源引线问必须实现良好的连接，这就需要为每个电源引脚提供单个或者多个穿孔。要降低AD7656所看到的电源阻抗以及降低电源尖峰的幅值，就应该实现良好的去耦。所有的电源引脚都应该并联去耦电容，一般量值为100nF和10μF，其位置应该紧靠着这些引脚和对应的地线引脚，最好直接焊接在引脚上。
结语
全球对电力的不断增长的需求，正在推动着输电线路和电力变电站数量的增长。每块板卡上将有多个ADC，于是，随着系统设计者试图在提高性能的同时降低成本，电路版的面积的有效利用和功耗问题将变得极为关键。
更高性能的系统可以通过高性能ADC的采用来实现，如AD7656，足以应对下一代电力线监测系统设计的需求。
关键词： ADC；电力线监测；放大器；数字隔离器
前沿
电力工业的迅速扩展，在全球范围内引发了加强现有传输和配电网络以及建设新变电站的需求。微处理器技术方面的进展以及支持人员的人力成本的上升，已经成为电力公司设计新的、采用高精度集成化自动控制系统的自动化高压变电站的关键性推动因素。
变电站可以根据电压高低分为两类：高压类包括500kV、330kV和部分220kV电站，而220kV的终端变电站、110kV和35kV的变电站则被视为中压和低压类变电站。高压(输电)变电站属于大型的室外建筑。而低压(配电)变电站则是在市区的室内系统，以满足高负载密度的供电需要。
信号处理技术的进步使得人们能够在下一代系统中实现优于0.1％的测量精度，与目前系统的0.5％的典型精度值相比是一个巨大的改善，这主要是通过高性能的同步采样ADC(模数转换器)来实现的；它们可以提供未来系统所需要的分辨率和性能。
系统架构
图1示出了典型的3相测量系统中的波形。每一相电源都有一个电流互感器(cT)和功率变压器(PT)。整个系统包括3对这样的器件。系统在任意时刻的平均功率可以通过如下的流程来快速求出：对每个变换器的输出进行大量采样，对采样数据进行离散傅立叶变换(DFT)，然后执行所需的乘法和加法。
ADC对于3个CT和3个PT输出进行32次同时采样，并将获得的32组结果存入RAM中。系统可以对全部6路输出进行DFT，并按照实数和虚数分量来显示结果(A+jB)。每个变换器的幅值和相位信息可以以如下的方式来计算：
可以提供谐波或者其他更高频率的分量数据，计算出进一步的信息，如系统损耗或者有害噪声的影响。系统要求
变电站可以包含上百台变压器/互感器。所测量到的电压和电流值都要按比例标度，于是变压器的±5V或者±10V的满量程输出远远大于电力线的满程功率输出范围。一般来说，电力线(特别是电流测量元件)将在这个范围的5％以下运行，典型的变压器输出将处在±620mV的范围内。更大的信号则出现的可能很小，而一旦真的出现时，它们也往往意味着系统出现故障。
要对小信号进行精确的测量，就必须采用一个具有出色信噪比(sNR)的高分辨率ADC。所使用的多通道ADC必须能够同时实现进行多路采样。目前，可供货的系统芯片通常具有14bit的分辨力，例如，AD7865是14bit的4通道ADC，可以接收真双极型信号，并提供80dB的SNR。不过，现在对更高性能的、具有16bit分辨率10kSPS采样率的ADC的需求也在增长。为了实现精确的3相电流一电压测量，ADC应该能够同时对6个通道进行采样，具有出色的SNR以测量小信号，低功耗也是一个重要的考虑因素。
可以满足这些要求的器件实例是AD7656，如图2所示。它的封装包含了6个低功耗的16bit和250kSPS逐次逼近型ADC。它利用工业CMOS(iCMOS)T艺制造，该工艺可以将高压器件与亚微米的CMOS和互补双极型电路集成到一起，提供更高的性能，功耗和封装尺寸大幅度减小。
如图3所示，AD7656由于具有86.6dB的SNR，故可以提供对变压器的小AC输出进行测量。其250kSPS的采样率有助于快速的数据采集以实现实时FFF后处理的设计。它能够直接接收来自变压器的65V和610V的输出，而无需增益或者电平偏移，而每个器件所消耗的最大功率仅为150roW。当电路板必须容纳多个ADC通道时，这是一个重要的考虑因素。因为有些系统需要在单块电路板上集成的128个通道(即需要22个6通道ADC)，功耗必然成为一个关键指标。
完整检测系统
图4示出了一个完整的电力线监测系统。虽然ADC是系统的核心，但在设计高性能的系统方面，还需要考
虑多种其他因素。电压基准和输入放大器对于系统性能来说也很关键，对于远程通信来说，还可能需要保证隔离度。
ADG基准源的考虑
使用ADC的内置基准源还是采用外接基准，取决于系统的要求。当单块电路板上使用多个ADC时，外接的基准源具有最佳的效果，因为利用分压器的公共基准源可以消除基准电压的分布差异。
一般来说，低漂移的基准源对于减小电压基准对温度的灵敏度也很重要。简单的计算即可有助于理解漂移的重要性以及决定内部的基准源是否够用。一个16bit的满量程输入为10V的ADC具有152mV的分辨率。AD7656的内部基准源的最大温漂为25ppm/℃(典型值6ppm/℃)。在50℃的温度范围内，基准漂移幅度达到1250ppm，或者约12.5mV。在漂移有重要影响的应用中，外接的低漂移基准源，如ADR421(1 ppm/℃)，将是一个更好的选择。而1ppm/℃的漂移率在50℃温度范围内所对应的电压漂移值仅为0.5mV。
放大器的选用
在为电力线监测应用选择放大器时，要考虑的一个关键性要求是低噪声和低偏移。驱动放大器所产生的噪声必须保持在尽可能低的电平上，以保证ADC的SNR和切换噪声性能。低噪声的放大器对于测量小AC信号来说也很重要。放大器的总偏移误差，包括在整个温度范围内的漂移，都应该小于所需要的分辨率。
对于电力线监测应用来说，功耗将有重要的影响，特别是当要在单块板卡上实现对多达128路通道测量时。而ADI的OP1177系列一般所消耗的电源电流每个放大器低于400μA。
ADC电源
ADC同时需要模拟和数字电源，大多数系统有5V的数字电源，但许多系统并没有5V模拟电压。因为同时为模拟和数字电路选用同一路电源会将有害的噪声耦合到系统中，通常这是要避免的做法。对于那些有±12Vg极电源的的设计而言，可以采用低成本、低压降稳压器(LDO)，提供高质量的3V或者5V电源，它在温度、负载和线电压的变化范围内具有1.4％的精度。
通信
在单个变电站中的许多系统都需要与远程的主系统控制器进行通信，在通信中需要电气隔离。带有LED和光电二极管的光电耦合解决方案，如今可以由iCoupler数字隔离器来取代，该隔离器使用了芯片级的微变压器。iCoupler器件的数据率比常用的高速光耦隔离器高出2-4倍，它们的功耗仅为1/50，其热耗散量更小，可靠性更高，而且成本更低。除了这些优点外，其集成化的解决方案还可以减少电路板的占用空间，简化电路布局设计。ADuMl402 4通道数字隔离器可以应对高达100MSPS的数据率，而隔离性高达2.5kV。
RS-232常常被用来将多个系统连接起来，因此，每个系统和总线间的隔离显得十分关键。数字隔离器并不支持RS-232标准，所以它们不能用于收发机和电缆之间，而是用于收发机和本地系统中。将一个ADuMl402 iCoupler数字隔离器、ADM232L RS-232收发机和一个隔离电源组合起来，就可以消除地线环路，并提供对浪涌的有效防护。
对于使用RS一485协议的系统而言，可以采用ADM2486单芯片，如图5所示。它可以支持高达20Mbps的数据率，并有2.5kV的额定隔离能力。
信号处理
电力线监测应用需要通过数字信号处理(DsP)来执行复杂的数学运算。高性能、低成本、低功耗的ADSP—BF531 Blackfm处理器非常适合于执行这些复杂的DFT或者FFT计算。
Blackfin处理器，如ADSP-BF536和ADSP—BF537包含了一个IEEE兼容的802.3 10/100Ethernet MAC(媒体访问控制器)。目前对许多电力线监测系统来说，这是一个标准的要求。
实际设计中的考虑
在设计电路板时，还必须对ADC的位置和周围环境给予专门的考虑。模拟和数字电路应该被分隔开来，而且各自限定在电路板上的特定区域。至少应该使用一个地平面层，避免在ADC下面设置数字信号线，因为它们会将噪声耦合到芯片上。应该让AD7656下面是模拟的地平面层，以避免噪声的耦合。时钟和其他的高速开关信号应该用数字地线来屏蔽，它们应该永远远离模拟信号通路。必须避免数字和模拟信号的相互横跨。在不同但相互接近的电路板层上的引线，相互之间应该成直角，以减少馈通的影响。
ADC的电源引线应该使用尽可能宽的导线，以提供低阻抗的通路并减少电源线上毛刺的影响。在AD7656电源引脚和电路板电源引线问必须实现良好的连接，这就需要为每个电源引脚提供单个或者多个穿孔。要降低AD7656所看到的电源阻抗以及降低电源尖峰的幅值，就应该实现良好的去耦。所有的电源引脚都应该并联去耦电容，一般量值为100nF和10μF，其位置应该紧靠着这些引脚和对应的地线引脚，最好直接焊接在引脚上。
结语
全球对电力的不断增长的需求，正在推动着输电线路和电力变电站数量的增长。每块板卡上将有多个ADC，于是，随着系统设计者试图在提高性能的同时降低成本，电路版的面积的有效利用和功耗问题将变得极为关键。
更高性能的系统可以通过高性能ADC的采用来实现，如AD7656，足以应对下一代电力线监测系统设计的需求。