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

 

太陽能光伏逆變器係統

 

太陽能光伏逆變器轉換來自太陽能麵板的電能並高效地 將其部署到公用電網中。來自太陽能麵板的電能基本上 屬於直流源，它會被轉換成交流，並與電網頻率成一定的相位關係，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，其中太陽能麵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調製器，片上的數字隔離采用 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)。模擬調製器對模擬輸入信 號連續采樣，因而無需外部采樣保持電路。輸入信息以 數據流密度的形式包含在輸出數據流內，該數據流的最 高數據速率可到20 MHz。通過適當的數字濾波器(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 調製器的交流輸入是一個交流正弦波
，表示單相電網 發出的220 V rms信號。電阻分頻器將輸入範圍縮小到ADC 的額定輸入範圍。輸入濾波器可降低輸入端的噪聲。

 

Σ-Δ 調製器輸出包含兩個信號：來自ADSP-CM403xy DSP處理器的高速時鍾輸入
，以及保持調製數據的數據 信號。該數據可直接輸入Sinc3濾波器，直接將數據轉 換為ADC結果。下文顯示該數據的一個示例。

 

圖3. 調製器示例數據

 

在ADC的下限範圍內，輸入信號具有窄脈衝寬度，而在 上限範圍內脈衝寬度幾乎達到其最大值。輸出數據通過 Sinc濾波器後，便如對角線所示。AD7401A工作電壓高 達891 V單極性範圍，或565 V雙極性範圍，並橫跨隔離 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個調製器時鍾 源和2組控製寄存器(單元)。模塊接受4路來自GPIO輸 入引腳的Σ-Δ 位流，並將2個調製器時鍾源導入GPIO輸 出引腳。脈衝寬度調製(PWM)信號使調製器時鍾同 步，以獲得最佳的係統性能。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將其數據傳輸至存儲 器。次級Sinc濾波器產生過載信號，可通過觸發路由單 元(TRU)路由該信號，使PWM調製器產生跳變，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。

 

對於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

 

數字濾波器

 

Sinc濾波器的傳遞函數使其能用在數字邏輯中(使用一係 列求和與抽取函數)。使用濾波器移除調製器采樣時 鍾

，恢複采樣信號的數字值。濾波器設計匹配雙極性Σ-Δ 調製器，0 V輸入下具有50%脈衝密度，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

 

數字濾波器是一組累加器，由調製器時鍾(M_CLK)驅 動，後接一組由抽取時鍾(D_CLK)驅動的微分器。 輸入 累加器將輸入位流轉換為多字節字，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可以為3或4
，具體取決於濾波器 階數。濾波器的直流增益和帶寬為濾波器階數(O)和抽 取速率(D)的函數

，即調製器時鍾與抽取時鍾的比值。 Sinc濾波器傳遞函數由累加器與微分器的傳遞函數之積 確定，Z域內的表達式為：

 

 

PWM和SINC數據對齊

 

Sinc外設時鍾和PWM本質上運行在同樣的ADSP-CM403 係統時鍾下
，典型值為100 MHz。PWM和Sinc可以同步 以便提供數據，並且時間與速率恰好和控製算法一致。 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)位於PWM波形中央，幾乎不 發生切換。若要對齊Sinc數據，則AD7401A的時鍾速率 應設為10.24 MHz，並且抽取速率為256(見AD7401A數據 手冊)。這將產生40 KHz (50μs)的16位字速率
，兩倍於PWM 頻率。由於Sinc還可設為與PWM_SYNC輸出對齊(如下 框圖所示)，Sinc現在能在每個PWM周期內產生兩個數 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數據可用 於電網同步算法控製中。

 

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.

 

 

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