太陽能應用中的電壓和電流測量需采用隔離測量技術。 DSP Sinc輸入以及ADIAD7401A隔離式ADC恰好提供ADI 信號鏈的一個示例，實現(xiàn)這種隔離測量。

　　本文介紹采用ADSP-CM403xy和AD7401A器件，并由 ADI設計的測量應用典型信號鏈。

　　太陽能光伏逆變器系統(tǒng)

　　太陽能光伏逆變器轉換來自太陽能面板的電能并高效地 將其部署到公用電網中。來自太陽能面板的電能基本上 屬于直流源，它會被轉換成交流，并與電網頻率成一定的相位關系，饋送至公用電網上，且效率極高。轉換可 以采用單級，也可以采用多級(見圖1)。第1級通常為 DC-DC轉換，其中太陽能面板的低電壓與高電流輸出轉 換為高電壓與低電流。這樣做的目的是為了將電壓提升 至與電網峰值電壓兼容的水平。第2級通常將直流電壓 和電流轉換為交流電壓和電流，一般使用H-電橋拓撲。

　　圖1. 太陽能光伏逆變器信號鏈(ADI公司)

　　ADC理論—AD7401A

　　AD7401A是一款二階Σ-Δ調制器，片上的數(shù)字隔離采用 ADI公司的iCoupler? 技術，能將模擬輸入信號轉換為高 速1位數(shù)據流。AD7401A采用5 V電源供電，可輸入±250 mV 的差分信號(滿量程±320 mV)。模擬調制器對模擬輸入信 號連續(xù)采樣，因而無需外部采樣保持電路。輸入信息以 數(shù)據流密度的形式包含在輸出數(shù)據流內，該數(shù)據流的最 高數(shù)據速率可到20 MHz。通過適當?shù)臄?shù)字濾波器(稱為 Sinc濾波器)可重構原始信息。處理器側(非隔離)可采用 5 V或3 V電源 (VDD2)。

　　示例電路 – 描述

　　圖2. 隔離式電壓電路

　　Σ-Δ 調制器的交流輸入是一個交流正弦波，表示單相電網 發(fā)出的220 V rms信號。電阻分頻器將輸入范圍縮小到ADC 的額定輸入范圍。輸入濾波器可降低輸入端的噪聲。

　　Σ-Δ 調制器輸出包含兩個信號：來自ADSP-CM403xy DSP處理器的高速時鐘輸入，以及保持調制數(shù)據的數(shù)據 信號。該數(shù)據可直接輸入Sinc3濾波器，直接將數(shù)據轉 換為ADC結果。下文顯示該數(shù)據的一個示例。

　　圖3. 調制器示例數(shù)據

　　在ADC的下限范圍內，輸入信號具有窄脈沖寬度，而在 上限范圍內脈沖寬度幾乎達到其最大值。輸出數(shù)據通過 Sinc濾波器后，便如對角線所示。AD7401A工作電壓高 達891 V單極性范圍，或565 V雙極性范圍，并橫跨隔離 柵：20μm聚酰亞胺。更多有關這些內容的信息以及各 種認證可在相關數(shù)據手冊中找到。

　　ADSP-CM403XY SINC3外設模塊

　　圖4. ADSP-CM403 Sinc外設框圖

　　框圖顯示4對Sinc濾波器(Sinc0至Sinc3)、2個調制器時鐘 源和2組控制寄存器(單元)。模塊接受4路來自GPIO輸 入引腳的Σ-Δ 位流，并將2個調制器時鐘源導入GPIO輸 出引腳。脈沖寬度調制(PWM)信號使調制器時鐘同 步，以獲得較佳的系統(tǒng)性能。每個Sinc濾波器對均包含 初級濾波器、次級濾波器、DMA接口和過載限值檢測 功能。初級Sinc濾波器通過DMA將其數(shù)據傳輸至存儲 器。次級Sinc濾波器產生過載信號，可通過觸發(fā)路由單 元(TRU)路由該信號，使PWM調制器產生跳變，生成 中斷。

　　使用AD7401A時，器件額定抽取速率(DR)為256，但也 可在其他抽取速率下使用該器件。

　　對于DR=256的情況而言，Sinc3濾波器的響應見下文中 的圖5a和5b。

　　圖5. (a) Sinc3抽取速率=256 (b)模塊噪底

　　數(shù)字濾波器

　　Sinc濾波器的傳遞函數(shù)使其能用在數(shù)字邏輯中(使用一系 列求和與抽取函數(shù))。使用濾波器移除調制器采樣時 鐘，恢復采樣信號的數(shù)字值。濾波器設計匹配雙極性Σ-Δ 調制器，0 V輸入下具有50%脈沖密度，正輸入時超 過50%，而負輸入時不足50%，如圖6所示。

　　圖6. ADSP-CM403 Sinc濾波器框圖

　　數(shù)字濾波器是一組累加器，由調制器時鐘(M_CLK)驅 動，后接一組由抽取時鐘(D_CLK)驅動的微分器。 輸入 累加器將輸入位流轉換為多字節(jié)字，而輸出微分器獲取 位流的均值1密度。

　　累加器和微分器的級數(shù)可以為3或4，具體取決于濾波器 階數(shù)。濾波器的直流增益和帶寬為濾波器階數(shù)(O)和抽 取速率(D)的函數(shù)，即調制器時鐘與抽取時鐘的比值。 Sinc濾波器傳遞函數(shù)由累加器與微分器的傳遞函數(shù)之積 確定，Z域內的表達式為：

　　PWM和SINC數(shù)據對齊

　　Sinc外設時鐘和PWM本質上運行在同樣的ADSP-CM403 系統(tǒng)時鐘下，典型值為100 MHz。PWM和Sinc可以同步 以便提供數(shù)據，并且時間與速率恰好和控制算法一致。 通常與PWM電平波形對齊。下圖顯示使用Sinc輸入進行電網同步所需時序的示例。當PWM運行在20 kHz (50 μs) 時，PWM_SYNC信號(同步不同DSP的PWM模塊或外部 PWM時需要用到該信號)位于PWM波形中央，幾乎不 發(fā)生切換。若要對齊Sinc數(shù)據，則AD7401A的時鐘速率 應設為10.24 MHz，并且抽取速率為256(見AD7401A數(shù)據 手冊)。這將產生40 KHz (50μs)的16位字速率，兩倍于PWM 頻率。由于Sinc還可設為與PWM_SYNC輸出對齊(如下 框圖所示)，Sinc現(xiàn)在能在每個PWM周期內產生兩個數(shù) 據輸出。輸出字在SRAM中可用， 位置在下一個 PWM_SYNC信號位置處。顯然，它說明Sinc數(shù)據可用 于電網同步算法控制中。

　　圖7. PWM與Sinc外設對齊(ADSP-CM403)

　　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.

　　作者

　　Martin Murnane

　　Martin Murnane是愛爾蘭利默里克市ADI公司太陽能光伏團隊成員，之前曾任職于ADI公司汽車團隊。加入ADI公司之前，他曾從事過能源循環(huán)利用系統(tǒng)的應用開發(fā) (Schaffner Systems)、基于Windows的應用軟件/數(shù)據庫開發(fā) (Dell Computers) 以及采用應變片技術的產品開發(fā) (BMS) 等領域的工作。他畢業(yè)于利默里克大學，獲電子工程學士學位和工商管理碩士學位。