一種實現ADC采樣數據回路自檢的方法

葉品勇，陳新之，岳峰

(南京國電南自自動化有限公司，南京 211100)

一種實現ADC采樣數據回路自檢的方法

葉品勇，陳新之，岳峰

(南京國電南自自動化有限公司，南京 211100)

ADC采樣數據作為電力系統二次保護裝置數據的重要來源，是保護裝置動作行為的重要判斷依據。然而目前市場上主流的多通道同步ADC芯片不具備采樣數據校驗功能，芯片焊接問題導致的采樣數據異常無法及時發現，而這將可能導致保護裝置誤動作，造成嚴重的電力事故。本文提出了一種ADC采樣數據回路自檢的實現方法，通過外部自檢回路回饋的方式巧妙的配合ADC芯片采樣時序來檢查ADC芯片是否存在焊接問題，從而判斷ADC采樣數據回路是否連接正常。該方法實時性高，可有效降低因ADC采樣數據異常而導致保護裝置錯誤的動作行為而產生的惡劣影響和經濟損失。

ADC芯片；數據回路；采樣時序；自檢

引 言

在電力系統二次保護裝置中ADC采樣數據是裝置數據的重要來源，是保護裝置動作行為的重要判斷依據。在電力系統二次保護裝置中通常采用多通道同步ADC采樣，這是因為電力系統二次保護裝置需要采集的電壓、電流信號量較多，且必須保證同步相位關系[1-7]。然而目前市場上主流的多通道同步ADC芯片，如TI公司的ADS8555、ADS8556，ADI公司的AD7656、AD7606，無論采用并行數據傳輸還是串行數據傳輸都沒有采樣數據校驗功能[8-12]，因此當焊接問題而導致的采樣數據異常是無法及時發現的，而這將導致保護裝置誤動作，造成嚴重的電力事故。曾有廠家生產的500 kV線路保護裝置因沒有采樣數據自檢功能，當采樣數據回路異常時采樣數據冒大點而導致了誤跳閘，造成的影響是極其惡劣的。

隨著IC制造工藝的發展，ADC芯片集成度越來越高，封裝尺寸和引腳間距也越來越小，在焊接過程中比較容易發生連焊、虛焊問題。產品在投運過程中因受外部環境影響(如氧化、腐蝕、污染等)也會出現芯片引腳連焊、虛焊問題。而傳統的焊接質量檢測方法，如肉眼觀察加萬用表進行焊接質量檢測，由于觀察點較多，而且小而密集，不易觀察，如果是BGA或QFN封裝的芯片，肉眼是觀察不到焊接點的，達不到檢測的目的。X-Ray觀察適合連焊檢查，但虛焊或缺焊不容易檢查出來，而且X-Ray設備對人體還有一定傷害。飛針測試儀檢測需要編寫測試程序及測試文件，復雜度高，設備成本高。并且這些檢測手段只能適用于生產測試中，在產品整個生命周期中因受外部環境影響(如氧化、腐蝕、污染等)出現的芯片引腳焊接問題就無能為力了[13-15]。

因此，本文提出了一種用于ADC采樣數據回路自檢的實現方法，它通過外部自檢回饋電路巧妙地配合ADC芯片采樣時序來實時檢測ADC采樣數據回路連接狀態。

1 自檢回路

首先通過在ADC芯片(以AD7606串行數據傳輸為例)關鍵引腳外部增加三態緩沖器和多路復用器來實現如圖1所示三態緩沖器和多路復用器真值表見表1、表2。通過在不同回路施加自檢信號，然后比較輸入和輸出自檢信號狀態，配合ADC采樣時序，可以檢查出回路之間是否存在短接問題，防止連焊。

圖1 ADC采樣數據自檢回路示意圖

表1 三態緩沖器真值表TO0Z(高阻)1I表2 多路復用器真值表SELO0I01I1

在制作ADC芯片封裝的時候，CS#、CONVST、SCK及DOUTA(B)引腳焊盤要做成主-副焊盤的形式，如圖2所示。主-副焊盤通過芯片引腳橋接到一起，只有當芯片引腳與主-副焊盤可靠焊接后回路才能導通，由此可通過回路是否導通判斷芯片焊接是否可靠，防止虛焊。

圖2 主-副焊盤示意圖

2 自檢時序

ADC采樣數據回路自檢需要配合ADC采樣時序完成，如圖3所示。圖中RESET#、CONVST、BUSY_ADC、CS#、SCK和DOUTA(B)_ADC表示ADC芯片引腳上的信號，BUSY_OUTPUT、DOUTA(B)_OUTPUT為連接到主控芯片上的信號。圖中上半部分表示原始ADC芯片采樣時序，圖中下半部分表示帶自檢功能的ADC芯片采樣時序。

圖3 ADC采樣數據回路自檢時序圖

RESET#：ADC復位信號，由主控芯片輸出低電平復位ADC芯片。通常只在上電后復位一次即可。

CONVST：ADC啟動采樣信號，由主控芯片輸出高電平通知ADC芯片對其輸入的模擬量信號進行采樣轉換。

BUSY_ADC：ADC忙信號，其為ADC芯片的輸出信號，表示當前ADC正在對模擬量信號進行采樣轉換中。

CS#：ADC片選信號，低電平有效,由主控芯片輸出低電平選通該ADC芯片，從而可進行數據讀取操作。

SCK：ADC串行數據接口時鐘信號,由主控芯片輸出周期信號進行數據讀取操作。

DOUTA(B)_ADC：ADC串行數據接口數據信號，可配置為單線或多線模式，由ADC芯片在SCK時鐘邊沿觸發下輸出采樣數據。當CS#片選為高電平時輸出為高阻態，當CS#片選為低電平時輸出數據。

DOUTA(B)_OUTPUT：ADC串行數據接口引腳與三態緩沖器引腳共同連接到主控芯片的同一線網信號。它反映的是ADC串行數據接口DOUTA(B)_ADC輸出和三態緩沖器輸出的公共信號。

BUSY_OUTPUT：多路復用器連接到主控芯片的線網信號。不同的時刻可以表征ADC芯片的BUSY信號和CS#信號。

當ADC上電復位完成后，進入一個采樣周期的A階段，CONVST由主控芯片驅動為高電平，CS#維持在高電平。ADC開始對模擬量信號進行采樣轉換，BUSY_ADC由ADC芯片輸出高電平。多路復用器SEL引腳為高電平，I1被選通，BUSY_OUTPUT呈現BUSY_ADC信號，也輸出高電平。三態緩沖器被使能，主控芯片在SCK上面輸出一組脈沖自檢信號，此時DOUTA(B)_ADC為高阻態，DOUTA(B)_OUTPUT呈現SCK上的脈沖自檢信號。如果主控芯片能夠在BUSY_OUTPUT上成功捕獲BUSY_ADC脈沖信號及在DOUTA(B)_OUTPUT上捕獲與SCK一致的脈沖自檢信號，表明ADC芯片的CONVST、SCK、BUSY、DOUT引腳沒有連焊或虛焊的情況發生。

進入B階段時，CONVST由主控芯片驅動為低電平，多路復用器SEL引腳為低電平，I0被選通，BUSY_OUTPUT呈現CS#信號，此時輸出為高電平。三態緩沖器被禁止，輸出高阻態。此時CS#仍維持在高電平，DOUTA(B)_ADC輸出高阻態，因此DOUTA(B)_OUTPUT呈現高阻態。

進入C階段時，CONVST保持低電平，CS#由主控芯片驅動為低電平，開始讀取ADC采樣數據。多路復用器SEL引腳為低電平，I0被選通，BUSY_OUTPUT呈現CS#信號，此時輸出低電平。主控芯片輸出SCK時鐘，ADC依據SCK節拍輸出采樣數據。三態緩沖器被禁止，輸出高阻態。DOUTA(B)_OUTPUT呈現DOUTA(B)_ADC信號,如果主控芯片在B、C段能夠在BUSY_OUTPUT上成功捕獲CS#高低變化的信號，表明ADC的CS引腳沒有連焊或虛焊的情況發生。

3 應用實例

以上ADC采樣數據自檢回路在公司的PS6000+平臺的多個系列裝置中得到了很好的驗證和應用，包括線路、主變、母差保護裝置、測控裝置、合并單元等。ADC芯片選用ADI公司的8通道同步采樣芯片AD7606，采用2-線串行數據讀取方式；三態緩沖器芯片選用TI公司的74LS244，實現由使能端控制的三態輸出；多路復用器芯片選用TI公司的74LS157，實現二選一功能。

該自檢回路用于生產測試階段可以快速查找定位ADC采樣數據回路的焊接問題，通過返修工序將存在焊接問題的單板重新焊接后可作為成品發貨，大大提高了產品的成品率。在裝置運行過程中，由于每個采樣周期內都進行回路自檢，從而保證了每個采樣點數據的可信度，一旦自檢回路發現異常，立即通知保護裝置閉鎖相關保護功能并通過事件信息告知ADC采樣回路存在異常需要盡快解決，大大降低了保護裝置誤動作的風險。

結 語

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[2] 梁曉兵,周捷,楊永標.基于IEC61850的新型合并單元的研制[J].電力系統自動化,2007(7):85-89.

[3] 殷志良,劉萬順,楊奇遜.一種遵循IEC 61850標準的合并單元同步的實現新方法[J].電力系統自動化,2004(11):57-61.

[4] 趙應兵,周水斌,馬朝陽.基于IEC 61850-9-2的電子式互感器合并單元的研制[J].電力系統保護與控制,2010(6):104-106,110.

[5] 張兆云,劉宏君.數字化變電站光纖差動保護同步新方法[J].電力系統自動化,2010(22):90-92.

[6] 閆志輝,胡彥民,周麗娟. 重采樣移相技術在過程層IED中的應用 [J].電力系統保護與控制,2010(6):64-66,71.

[7] 胡永兵,周云飛,楊欽.一種高精度多通道采集系統及其性能分析 [J].微型機與應用,2012(16):28-31.

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[9] 王偉,楊智濤,吳佳楠.提高DSP的AD轉換器精度的研究與實現 [J].現代制造工程,2009(9):47-48.

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[11] Analog Device Inc .AD7606 datasheet.8-Channel DAS with 16-Brt,Bipolar input, Simultaneous Sampbng ADC,2010.

[12] Analog Devices Inc .Layout Considerations for an Expandable Muthchannel Simuttaneous Sampling Data Acquisition System(DAS)Based on the AD7606 16-Brt,8-Channel DAS,2010.

[13] 代鐳.一種IC芯片引腳焊接缺陷頻域檢測算法的研究[J].電子技術應用,2008, 34(4):77-80.

[14] 王立偉,孫鶴旭,崔麗娜.激光焊接焊縫質量視覺檢測系統[J].自動化儀表,2013,34(2):76-79.

[15] 何志剛,梁堃,周慶波.基于X射線成像的BGA焊接質量檢測技術[J].電子工藝技術.2016 (1): 32-34.

葉品勇、陳新之、岳峰(工程師)，主要從事電力系統繼電保護及自動裝置硬件平臺開發。

Method of ADC Sampling Data Circuit Self-test

Ye Pinyong,Chen Xinzhi,Yue Feng

(Nanjing Sac Automation Co.,Ltd.,Nanjing 211100,China)

The ADC sampling data is an important source of power system protection,which is an important basis to judge behavior of protection devices.However,the multi-channel simultaneous ADC chips do not have the data check function,so the abnormal sampling data caused by welding problems can not be able to detect,and which can result in the protection device malfunction and serious electrical accidents.Therefore,a method to achieve ADC sampling data circuit self-test is proposed,it uses the ADC sampling timing by an external feedback circuit to check whether the ADC chip welding problem exists,in order to determine the ADC sampling data circuit is connected properly.The method can effectively reduce adverse impacts and economic losses by protection device wrong behavior caused by ADC sampling data abnormal.

ADC chip;data circuit;sampling timing;self-test

TP211

A

?迪娜

2016-10-24)