太陽能應(yīng)用中的電壓和電流測量需要隔離的測量技術(shù)。DSP sinc輸入與ADI公司的AD7401A隔離式ADC一起，只是ADI公司提供此類隔離測量的信號(hào)鏈的一個(gè)例子。

本文檔介紹ADI公司使用ADSP-CM403xy和AD7401A器件設(shè)計(jì)的測量應(yīng)用的典型信號(hào)鏈。

太陽能光伏逆變器系統(tǒng)

太陽能光伏逆變器轉(zhuǎn)換來自太陽能電池板的電力，并將這些電力有效地部署到公用電網(wǎng)。來自太陽能電池板的電力本質(zhì)上是一個(gè)直流電流源，被轉(zhuǎn)換為交流電流，并與電網(wǎng)的頻率同相饋入公用電網(wǎng)，并達(dá)到非常高的效率水平。轉(zhuǎn)換可以采取一個(gè)或多個(gè)階段（參見圖 1）。第1級(jí)通常是DC-DC轉(zhuǎn)換，其中太陽能電池板輸出的低電壓和高電流轉(zhuǎn)換為高電壓和低電流。這樣做的原因是將電壓提高到與電網(wǎng)峰值電壓兼容的水平。第2級(jí)通常是將直流電壓和電流轉(zhuǎn)換為交流電壓和電流，通常使用H橋拓?fù)洹?/p>

圖1.太陽能光伏逆變器信號(hào)鏈，ADI公司。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器理論—AD7401A

AD7401A是一款二階Σ-Δ調(diào)制器，采用基于ADI耦合器技術(shù)的片內(nèi)數(shù)字隔離功能，可將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速1位數(shù)據(jù)流。AD7401A采用5 V電源供電，接受±250 mV（滿量程±320 mV）差分輸入信號(hào)。模擬調(diào)制器無需外部采樣保持電路，可連續(xù)對模擬輸入進(jìn)行采樣。輸入信息以數(shù)據(jù)速率高達(dá)20 MHz的密度包含在輸出流中。原始信息用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器（即sinc濾波器）重建。處理器端（非隔離）可以使用5 V或3 V電源（V?電子數(shù)據(jù)分析).

示例電路 – 描述

圖2.隔離電壓電路。

Σ-Δ調(diào)制器的交流輸入是交流正弦波，代表來自單相電網(wǎng)的220 V rms。有一個(gè)電阻分壓器，用于將輸入范圍減小到ADC的指定輸入范圍。輸入濾波器可降低輸入端的噪聲。

Σ-Δ調(diào)制器的輸出包含兩個(gè)信號(hào)：來自ADSP-CM403xy DSP處理器的高速時(shí)鐘輸入和保存調(diào)制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信號(hào)。該數(shù)據(jù)可以直接輸入到sinc3濾波器，在那里數(shù)據(jù)可以直接轉(zhuǎn)換為ADC結(jié)果。此數(shù)據(jù)的示例如下所示。

圖3.調(diào)制器示例數(shù)據(jù)。

在ADC的較低范圍內(nèi)，輸入信號(hào)具有較窄的脈沖寬度，而在刻度的較高端，脈沖寬度接近其最大值。當(dāng)通過sinc濾波器時(shí)，輸出數(shù)據(jù)是對角線中顯示的數(shù)據(jù)。AD7401A可在高達(dá)891 V單極性范圍或565 V雙極性范圍內(nèi)工作，隔離柵為20μm聚酰亞胺。有關(guān)此方面和各種認(rèn)證的更多信息，請參見相關(guān)數(shù)據(jù)表。

ADSP-CM403XY 辛克3外設(shè)模塊

圖4.ADSP-CM403 SINC外設(shè)框圖。

框圖顯示了四個(gè)sinc濾波器對（sinc0–sinc3）、兩個(gè)調(diào)制器時(shí)鐘源和兩組控制寄存器（單元）。該模塊接受來自 GPIO 輸入引腳的四個(gè) Σ-Δ 位流，并將兩個(gè)調(diào)制器時(shí)鐘源定向到 GPIO 輸出引腳。脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)同步調(diào)制器時(shí)鐘，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。每個(gè)sinc濾波器對包括初級(jí)濾波器、次級(jí)濾波器、DMA接口和過載限值檢測功能。主 sinc濾波器使用 DMA 將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存。次級(jí)sinc濾波器產(chǎn)生過載信號(hào)，這些信號(hào)可通過觸發(fā)路由單元（TRU）進(jìn)行路由，以觸發(fā)PWM調(diào)制器跳閘并產(chǎn)生中斷。

使用AD7401A時(shí)，該器件的額定抽取率（DR）為256。但是，可以在其他抽取率下使用此設(shè)備。

對于DR=256，sinc3濾波器的響應(yīng)如下圖5a和5b所示。

圖5.（a） Sinc3抽取率=256和（b）模塊本底噪聲。

數(shù)字濾波器

sinc濾波器具有傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)適用于數(shù)字邏輯中的實(shí)現(xiàn)，使用一系列求和和抽取函數(shù)。濾波器的目的是去除調(diào)制器采樣時(shí)鐘并恢復(fù)采樣信號(hào)的數(shù)字值。濾波器設(shè)計(jì)與雙極性Σ-Δ調(diào)制器匹配，0 V輸入的脈沖密度為50%，正輸入的脈沖密度超過50%，負(fù)輸入的脈沖密度小于50%，如圖6所示。

圖6.ADSP-CM403 SINC濾波器框圖。

數(shù)字濾波器是一組由調(diào)制器時(shí)鐘（M_CLK）驅(qū)動(dòng)的累加器，后跟一組由抽取時(shí)鐘（D_CLK）驅(qū)動(dòng)的微分器。輸入累加器將輸入位流轉(zhuǎn)換為多字節(jié)字，而輸出微分器得出位流的平均密度。

累加器和微分器級(jí)的數(shù)量可以是三個(gè)或四個(gè)，具體取決于濾波器的順序。濾波器的直流增益和帶寬是濾波器階數(shù)（O）和抽取率（D）的函數(shù)，抽取率是調(diào)制器與抽取時(shí)鐘的比值。sinc濾波器的傳遞函數(shù)由累加器和微分器的傳遞函數(shù)的乘積產(chǎn)生，在z域中由下式給出

對齊 PWM 和 Sinc 數(shù)據(jù)

sinc外設(shè)模塊和PWM本質(zhì)上在ADSP-CM403的同一系統(tǒng)時(shí)鐘上運(yùn)行，典型值為100 MHz。PWM和sinc可以同步，以便數(shù)據(jù)可以在與控制算法一致的適當(dāng)時(shí)間和速率下可用。這通常與PWM電平波形對齊。下圖顯示了使用 sinc輸入與電網(wǎng)同步所需的時(shí)序示例。當(dāng)PWM以20 kHz （50μs）運(yùn)行時(shí)，PWM_SYNC信號(hào)（同步PWM模塊或來自不同DSP的外部PWM需要）位于PWM波形的中心，很少發(fā)生開關(guān)。為了對齊sinc數(shù)據(jù)，AD7401A的時(shí)鐘速率應(yīng)設(shè)置為10.24 MHz，抽取率為256（在AD7401A數(shù)據(jù)手冊中指定）。由此產(chǎn)生的 16 位字速率為 40 KHz （50μs）;PWM頻率的兩倍。如下圖所示，由于sinc也可以設(shè)置為與PWM_SYNC輸出對齊，因此sinc現(xiàn)在每個(gè)PWM周期將產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出。輸出字將以SRAM格式在下一個(gè)PWM_SYNC信號(hào)中可用。這清楚地表明sinc數(shù)據(jù)可用于電網(wǎng)同步算法控制。

圖7.ADSP-CM403中PWM和SINC外設(shè)的對齊。

編程示例

/* SPECIFY DECIMATION RATE OPTIONS */

/* 256 */
// RESULT = ADI_SINC_SETRATECONTROL (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, ADI_SINC_FILTER_PRIMARY,DECRATE_256, 0);
// RESULT = ADI_SINC_SETLEVELCONTROL (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, 0, 0, SAMPLECOUNT_INTRATE, PSCALE_256); // PCINT INT RATE

/* 128 */
RESULT = ADI_SINC_SETLEVELCONTROL (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, 0, 0, SAMPLECOUNT_INTRATE, PSCALE_128); // PCINT INT RATE
RESULT = ADI_SINC_SETRATECONTROL (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, ADI_SINC_FILTER_PRIMARY,DECRATE_128, 0);

/* 64 */
RESULT = ADI_SINC_SETLEVELCONTROL (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, 0, 0, SAMPLECOUNT_INTRATE, PSCALE_64); // PCINT INT RATE
RESULT = ADI_SINC_SETRATECONTROL (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, ADI_SINC_FILTER_PRIMARY,DECRATE_64, 0);

/* SET SECONDARY RATE CONTROL “/
RESULT = ADI_SINC_SETRATECONTROL (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, ADI_SINC_FILTER_SECONDARY, 8, 0);
RESULT = ADI_SINC_SETFILTERORDER (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, ADI_SINC_FILTER_THIRD_ORDER, ADI_SINC_FILTER_THIRD_ORDER); RESULT = ADI_SINC_SETCIRCBUFFER(DEV, ADI_SINC_GROUP_0, SINC_CIRCBUFFER, CIRC_BUF_SIZE);

/* SET OVERLOAD AMPLITUDE DETECTION LIMITS TO 0 – FULLSCALE */
RESULT = ADI_SINC_SETAMPLITUDELIMIT (DEV, ADI_SINC_PAIR_0, 0X0000, 0XFFFF);
RESULT = ADI_SINC_SETAMPLITUDELIMIT (DEV, ADI_SINC_PAIR_1, 0X0000, 0XFFFF);
RESULT = ADI_SINC_SETAMPLITUDELIMIT (DEV, ADI_SINC_PAIR_2, 0X0000, 0XFFFF);
RESULT = ADI_SINC_SETAMPLITUDELIMIT (DEV, ADI_SINC_PAIR_3, 0X0000, 0XFFFF);

/* SPECIFY MODULATOR CLOCK FREQUENCY, PHASE & STARTUP SYNCHRONIZATION */
RESULT = ADI_SINC_CONFIGMODCLOCK (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, FSYSCLK, MODCLK, 0, FALSE); // UP TO 20MHZ

/* IT’S THE SAME CLOCK AS THE PWM – SO PWM AND SINC ARE SYNCHRONOUS */
RESULT = ADI_SINC_ENABLEMODCLOCK (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, ADI_SINC_MOD_CLK_IMMEDIATE );

/* ASSIGN BUFFERS TO RECEIVE SINC DATA-AUTOMATICALLY DMA’D INTO SRAM IN THE ADSP-CM403*/
RESULT = ADI_SINC_SUBMITBUFFER(DEV, ADI_SINC_GROUP_0, SINCDATA0, NUM_SAMPLES);

/* ROUTE THE TRU INTERRUPT */
RESULT = ADI_SINC_ENABLEDATAINTERRUPT (DEV, ADI_SINC_GROUP_0, ADI_SINC_DATA_INT_0, TRUE);

/* ENABLE & ASSIGN USED SINC FILTER PAIR, AND SPECIFY INTERRUPT MASKS */
RESULT = ADI_SINC_SETCONTROLINTMASK (DEV, ADI_SINC_INT_EPCNT0|ADI_SINC_INT_EFOVF0|ADI_SINC_INT_EPCNT1|ADI_SINC_INT_EFOVF1);
RESULT = ADI_SINC_ENABLEPAIR(DEV, ADI_SINC_PAIR_0, ADI_SINC_GROUP_0, TRUE); // ACV_EXTERNAL
RESULT = ADI_SINC_ENABLEPAIR(DEV, ADI_SINC_PAIR_1, ADI_SINC_GROUP_0, TRUE); // ACV_INTERNAL
RESULT = ADI_SINC_ENABLEPAIR(DEV, ADI_SINC_PAIR_2, ADI_SINC_GROUP_0, TRUE); // DC LINK
RESULT = ADI_SINC_ENABLEPAIR(DEV, ADI_SINC_PAIR_3, ADI_SINC_GROUP_0, TRUE); // AC_CURRENT

/* WAIT AND READ FULL SINE WAVE INTO SRAM – START NEAR AC CROSSOVER. */
DO
{
PWM_SINC_LOOP=0;
GET_ADC_DATA_PWM();
}
WHILE ((SINC_VEXT_DATA[0] > 50) || (SINC_VEXT_DATA[0] < -50)) ; // START SINC AT 0 V MEASUREMENT-ALIGNS WITH SINEWAVE.

審核編輯：郭婷