利用AD7616的V型采样实现准同步数据采集

　　在应用中，处理器上电后，需要对AD7616内部的通道序列栈寄存器进行初始化。初始化完成后，需要把AD7616寻址寄存器的REGADDR[4:0]设置为00000，使得AD7616的状态为输出ADC转换数值。假定按照图3的模式进行设置，即采样通道顺序为“VIN0→VIN1→VIN2→…→VIN6→VIN7→VIN6→… →VIN2→VIN1→VIN0”。处理器与AD7616并口连接的情况下，序列栈寄存器的配置代码参考图8所示。在这样的配置下，VIN0 ~ VIN6通道都分别被采样了两次，数据平均由处理器来计算，这样准同步采样时刻正好对应于VIN7通道采样点在时间轴的位置。

　　应用中特别需要注意的是：软件模式下，完成AD7616所有寄存器的配置后，由于需要一个CONVST启动转换来使得所有寄存器配置都有效，因此AD7616第一次转换的输出结果是不可靠的，应用中需要把第一次的转换数据丢弃，数据手册中也把这第一次的转换称为“伪转换” (Dummy Convert)。另外，为了实现一次CONVST完成序列栈寄存器中全部通道的转换，在AD7616配置寄存器 (0x02 – Configuration Register) 中的SEQEN、BURSTEN位 (bit5, bit6) 都必须使能。AD7616的工作流程图参考图9所示。

5 测试验证

　　配合理论分析，同时搭建了AD7616的测试系统，如图10所示。验证系统中，信号源为Audio Precision 2712，输出高SNR (信噪比) 、低THD (总谐波失真) 的正弦波供AD7616进行测试。处理器采用Cortex-M4内核的混合信号控制处理器 ADSP-CM408F，AD7616采集的数据通过串口 (UART) 发送给PC电脑，使用Visual AnalogTM软件分析AD7616数据获得交流性能指标 (SNR和THD) ，使用Microsoft Excel® 运行DFT算法获得幅值和相位信息。

　　测试中，AD7616的采样序列按照图4的“V型采样+数据平均”模式进行设置，但为了让实验的结果对比更为容易，同时排除AD7616各通道间性能差异的影响，序列栈寄存器设置为对同一个输入通道VIN0进行连续多次采样，这样在一次“V型采样”中，VIN0先后总共被采样15次，分别定义为S0～S14，如图11所示。

　　数据计算中，把S0与S14配对并取均值，S1与S13配对取均值，以此类推，但S7不参与任何平均计算。这样，将(S0+S14)/2，(S1+S13)/2，(S2+S12)/2，(S3+S11)/2，(S4+S10)/2，(S5+S9)/2，(S6+S8)/2 的平均值结果，与S7的VIN0原始信号进行比较，获得测试结果。

　　测试中，AD7616的VIN0量程设置为±10V，输入正弦波的幅值为9.6Vp， (即-0.352 dBFS) ，分别设定输入正弦波频率为50Hz，250Hz，2550Hz (50Hz电力线基频的5次，51次谐波) 进行测试。

　　当输入信号为50Hz正弦波 (电力线基频) 的测试结果如表1所示。

　　由表1可以看出，对于50Hz输入信号采用平均值计算得到的结果相对于原始信号的幅值和相位误差完全在可接受的范围内。事实上，在采用平均值计算时，由于过采样 (前后共两次采样) 的存在，相比单次采样时的信噪比 (SNR) 性能还略有提高。

　　当输入信号为250Hz正弦波 (50Hz电力线基频的5次谐波) 的测试结果如表2所示。

　　当输入信号的频率提高到250Hz时，幅值有-0.001dB衰减，相当于0.1‰，与之前数学公式推导的结果一致，相位误差完全在可接受的范围内。

　　当输入信号为2550Hz正弦波 (50Hz电力线基频的51次谐波) 的测试结果如表3所示。

　　当输入信号的频率提高到2550 Hz时，“V型采样+数据平均”所带来的误差开始比较明显。S0与 S14的间隔最远，因此平均值的计算结果是误差最大的情况，对比S7，误差为-0.055dB，相当于6.3‰的误差，与数学公式推导的结果一致。S7幅值的计算结果为-0.381dBFS，对比50Hz时有所衰减，这是由于AD7616内部低通滤波器的滚降所致，并非“V型采样+数据平均”所带来的误差。

6 结论

　　对输入为50Hz、250Hz、2550Hz正弦波的测试数据也可以看出，AD7616配置在“V型采样+数据平均”模式下的实验结果完全符合数学理论推导的结果。

　　受益于AD7616的1Msps高采样率，通过配置AD7616内部的序列栈寄存器，在“V型采样+数据平均”的模式下，非同步采样型的AD7616也可以实现各个模拟量输入通道之间近似于同步的采样，因此称为AD7616的准同步采样。

　　大多数电力自动化应用中需要测量的信号在50 Hz到2550Hz范围内，如果采用AD7616来实现准同步采样，系统的交流幅值测量误差以及通道间的相位失配误差都降至可以接受的范围内，并且显著降低了系统的成本。

　　参考文献：

　　[1]AD7616 datasheet. 16-Channel DAS with 16-Bit, Bipolar Input, Dual Simultaneous Sampling ADC. Analog Device Inc.

　　[2]ADSP-CM408F datasheet. 240MHz ARM Cortex-M4 with 13+ ENOB ADC. Analog Device Inc.

　　[3]Audio Precision. AP2700 series.

　　[4]Visual Analog. Analog Device Inc.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第10期第74页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。