工業(yè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中Σ-Δ型ADC的信號(hào)調(diào)理

許多高端工業(yè)應(yīng)用中，高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)與各種傳感器之間需要提供適當(dāng)?shù)?a target="_blank">接口電路。 如果信號(hào)接口要求提供多通道、高精度的幅度和相位信息，這些工業(yè)應(yīng)用可以充分利用MAX11040K等ADC的高動(dòng)態(tài)范圍、同時(shí)采樣以及多通道優(yōu)勢(shì)。 本文介紹了MAX11040K的Σ-Δ架構(gòu)，以及如何合理選擇設(shè)計(jì)架構(gòu)和外部元件，以獲得最佳的系統(tǒng)性能。

高速、Σ-Δ架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

圖1所示為高端三相電力線(xiàn)監(jiān)視/測(cè)量系統(tǒng)，這類(lèi)工業(yè)應(yīng)用需要以高達(dá)117dB的動(dòng)態(tài)范圍、64ksps采樣速率精確地進(jìn)行多通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)。 為了獲得最高系統(tǒng)精度，必須正確處理來(lái)自傳感器(例如，圖1中的CT、PT變壓器)的信號(hào)，以滿(mǎn)足ADC輸入量程的要求，從而保證DAS的性能指標(biāo)滿(mǎn)足不同國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

引言

許多高端工業(yè)應(yīng)用中，高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)與各種傳感器之間需要提供適當(dāng)?shù)慕涌陔娐贰?如果信號(hào)接口要求提供多通道、高精度的幅度和相位信息，這些工業(yè)應(yīng)用可以充分利用MAX11040K等ADC的高動(dòng)態(tài)范圍、同時(shí)采樣以及多通道優(yōu)勢(shì)。 本文介紹了MAX11040K的Σ-Δ架構(gòu)，以及如何合理選擇設(shè)計(jì)架構(gòu)和外部元件，以獲得最佳的系統(tǒng)性能。

高速、Σ-Δ架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

圖1所示為高端三相電力線(xiàn)監(jiān)視/測(cè)量系統(tǒng)，這類(lèi)工業(yè)應(yīng)用需要以高達(dá)117dB的動(dòng)態(tài)范圍、64ksps采樣速率精確地進(jìn)行多通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)。 為了獲得最高系統(tǒng)精度，必須正確處理來(lái)自傳感器(例如，圖1中的CT、PT變壓器)的信號(hào)，以滿(mǎn)足ADC輸入量程的要求，從而保證DAS的性能指標(biāo)滿(mǎn)足不同國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖1. 基于MAX11040K的DAS在電網(wǎng)監(jiān)控中的應(yīng)用

從圖1可以看到，采用兩片MAX11040K ADC可以同時(shí)測(cè)量交流電的三相及零相的電壓和電流。 該ADC基于Σ-Δ架構(gòu)，利用過(guò)采樣/平均處理得到較高的分辨率。 每個(gè)ADC通道利用其專(zhuān)有的電容開(kāi)關(guān)Σ-Δ調(diào)制器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。 該調(diào)制器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成低分辨率的數(shù)字信號(hào)，它的平均值代表輸入信號(hào)的量化信息，時(shí)鐘頻率為24.576MHz時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣率為3.072Msps。 數(shù)據(jù)流被送入內(nèi)部數(shù)字濾波器處理，消除高頻噪聲。 處理完成后可以得到高達(dá)24位的分辨率。

MAX11040K為4通道同時(shí)采樣ADC，其輸出數(shù)據(jù)是處理后的平均值，這些數(shù)值不能像逐次逼近(SAR) ADC的輸出那樣被看作是采樣“瞬間”的數(shù)值1,2。

MAX11040K能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供SAR架構(gòu)所不具備的諸多功能和特性，包括：1ksps采樣率下高達(dá)117dB的動(dòng)態(tài)范圍； 積分非線(xiàn)性和微分非線(xiàn)性(INL、DNL)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于SAR ADC； 獨(dú)特的采樣相位(采樣點(diǎn))調(diào)節(jié)能夠從內(nèi)部補(bǔ)償外部電路(驅(qū)動(dòng)器、變壓器、輸入濾波器等)引入的相位偏移。

另外，MAX11040K集成一個(gè)數(shù)字低通濾波器，處理每個(gè)調(diào)制器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，得到無(wú)噪聲、高分辨率的數(shù)據(jù)輸出。 該低通濾波器具有復(fù)雜的頻率響應(yīng)函數(shù)，具體取決于可編程輸出數(shù)據(jù)率。 輸入端的阻/容(RC)濾波器結(jié)合MAX11040K的數(shù)字低通濾波器，大大降低了MAX11040K輸入信號(hào)通道抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)難度，甚至可以完全省去抗混疊濾波器。 表1列舉了MAX11040K的部分特性，關(guān)于MAX11040K數(shù)字低通濾波器或表中列出的特性指標(biāo)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考器件數(shù)據(jù)資料。

電力線(xiàn)應(yīng)用對(duì)ADC性能的要求

電力線(xiàn)監(jiān)控應(yīng)用中，CT (電流)互感器和PT (電壓)互感器輸出范圍的典型值為：±10V或±5V峰峰值(VP-P)。 而MAX11040K的輸入量程為±2.2VP-P，低于CT和PT互感器的典型輸出。 不過(guò)，可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單的低成本方案將±5V或±10V互感器輸出調(diào)整到MAX11040K較低的輸入量程以?xún)?nèi)，電路如圖2所示。

連接到通道1的電路代表一個(gè)單端設(shè)計(jì)，這種配置下，變壓器的一端接地，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器和電容完成信號(hào)調(diào)理。

對(duì)于共模噪聲(該噪聲在A(yíng)DC的兩個(gè)輸入端具有相同幅度)比較嚴(yán)重的應(yīng)用場(chǎng)合，推薦采用圖中通道4所示差分連接電路。 利用MAX11040K的真差分輸入大大降低共模噪聲的影響。

圖2. MAX11040K在電力線(xiàn)監(jiān)控典型應(yīng)用中的原理框圖，圖中給出了一個(gè)±10V或±5V輸出的變壓器接口。 通道4接口電路采用差分設(shè)計(jì)，通道1采用單端設(shè)計(jì)。

PT和CT測(cè)量變壓器相當(dāng)于低阻互感器(等效阻抗RTR通常在10Ω至100Ω量級(jí))。 為方便計(jì)算，以下示例中假設(shè)：變壓器相當(dāng)于一個(gè)有效輸出電阻RTR = 50Ω的電壓源； 為便于演示，變壓器可以由一個(gè)50Ω輸出阻抗的低失真函數(shù)發(fā)生器代替，如圖3所示。 MAX11040K的輸入阻抗與時(shí)鐘速率、ADC輸入電容有關(guān)。 連接適當(dāng)?shù)呐月冯娙軨3，設(shè)定XIN時(shí)鐘頻率 = 24.576MHz，則得到輸入阻抗RIN等于130kΩ ±15%，誤差取決于內(nèi)部輸入電容的波動(dòng)。

R1、R2組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將±10V或±5V輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC要求的±2.2V滿(mǎn)量程范圍(FSR)。 為確保該電路工作正常，需要優(yōu)化R1和R2電阻值，以及C1、C2和C3電容的選擇，以滿(mǎn)足±10V或±5V輸入的要求。 電阻R1和R2必須有足夠高的阻抗，避免CT和PT變壓器輸出過(guò)載。 同時(shí)，R2阻值還要足夠小，以避免影響ADC的輸入阻抗(R2 << R在)。

對(duì)于單端設(shè)計(jì)，圖2中MAX11040K通道1的輸入電壓VIN(f)，可以利用式1計(jì)算：

式中：

VTR是CT和PT變壓器的輸出電壓。

RTR是變壓器的等效阻抗。

R1、R2構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。

RIN是MAX11040K的輸入阻抗。

R2llRIN是R2和RIN的并聯(lián)阻抗。

C3為輸入旁路電容。

f是輸入信號(hào)頻率。

VIN(f)是MAX11040K的輸入電壓。

可以利用類(lèi)似方法進(jìn)行差分輸入設(shè)計(jì)。

為保持高精度電阻分壓比和正確的旁路特性，應(yīng)選取低溫度系數(shù)、精度為1%甚至更好的金屬薄膜電阻。 電容應(yīng)選取高精度陶瓷電容或薄膜電容。 最好選擇信譽(yù)較好的供應(yīng)商購(gòu)買(mǎi)這些元件，例如Panasonic、Rohm、Vishay、Kemet和AVX?等。????

MAX11040EVKIT提供了一個(gè)全功能、8通道DAS系統(tǒng)，評(píng)估板能夠幫助設(shè)計(jì)人員加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，例如，驗(yàn)證圖2中所推薦的原理圖方案。

圖3. 基于MAX11040EVKIT的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)框圖，需要兩個(gè)精密儀表對(duì)測(cè)量通道進(jìn)行適當(dāng)校準(zhǔn)。 測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)USB發(fā)送到PC機(jī)，然后轉(zhuǎn)換成Excel?文件作進(jìn)一步處理。

函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的±5V信號(hào)連接到MAX11040K的通道2，而另一函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的±10V信號(hào)連接到MAX11040K的輸入通道1。 電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R1/R2和R3/R4對(duì)±5V或±10V輸入進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使其接近ADC的滿(mǎn)量程范圍(FSR = ±2.2VP-P)。

電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R1和R2的取值以及旁路電容C1和C2的取值如表2所示，均由式1計(jì)算得到，接近最佳的輸入動(dòng)態(tài)范圍(約±2.10VP-P)。 該動(dòng)態(tài)范圍限制在0.05%相當(dāng)高的精度范圍，非常適合MAX11040K。 有關(guān)精度指標(biāo)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考MAX11040K數(shù)據(jù)資料。

表2列出的計(jì)算值均來(lái)自式1的計(jì)算結(jié)果和圖3定義的精確測(cè)量。 表格頂部給出了式1在標(biāo)稱(chēng)輸入電壓下的理論計(jì)算結(jié)果，選擇標(biāo)準(zhǔn)的分立元件。 表2底部給出了演示系統(tǒng)中實(shí)際測(cè)量的元件值以及測(cè)試誤差，同時(shí)還給出了用于FSR校準(zhǔn)和計(jì)算得到的K卡爾系數(shù)，計(jì)算公式如下：

校準(zhǔn)系數(shù)K卡爾按照式2計(jì)算：

KCAL = VTRMAX/(VADCMAX - VADC0) (式2)

式中：

VTRMAX是輸入最大值，分別代表±5V或±10V輸入信號(hào)。

VADCMAX是測(cè)量、處理后的ADC值，MAX11040EVKIT設(shè)置與圖3相同，輸入信號(hào)設(shè)置為VTRMAX。

VADC0是測(cè)量、處理后的ADC值，MAX11040EVKIT設(shè)置與圖3相同，輸入信號(hào)設(shè)置為VIN = 0 (系統(tǒng)零失調(diào)測(cè)量)。

KCAL (本實(shí)驗(yàn)中)是針對(duì)特別通道的校準(zhǔn)系數(shù)，根據(jù)VADC計(jì)算輸入信號(hào)VTR。

KCAL誤差計(jì)算顯示只基于標(biāo)稱(chēng)值的KCAL“理論值”可能與基于實(shí)際測(cè)量值計(jì)算的K卡爾之間存在1%左右的誤差。

所以，只是依靠理論計(jì)算還不足以支持實(shí)際要求； 如果設(shè)計(jì)中需要達(dá)到EU IEC 62053標(biāo)準(zhǔn)要求的0.2%精度，就必須對(duì)每個(gè)測(cè)量通道進(jìn)行滿(mǎn)量程(FSR)校準(zhǔn)。

表3所示結(jié)果驗(yàn)證了? FSR輸入信號(hào)的測(cè)量。 利用高精度HP3458A萬(wàn)用表測(cè)量數(shù)據(jù)，利用式2中的校準(zhǔn)系數(shù)K卡爾得到ADC測(cè)量值和計(jì)算值。

表3中的VTR_M表示輸入? FSR信號(hào)時(shí)的測(cè)量值，而VTR_C表示基于MAX11040K測(cè)量值和KCAL處理、計(jì)算得到的數(shù)值。

結(jié)果顯示調(diào)理后的電路測(cè)量誤差VERR低于0.03%，可輕松滿(mǎn)足EU IEC 62053規(guī)范要求的0.2%精度指標(biāo)。

圖4. MAX11040EVKIT GUI允許用戶(hù)方便地設(shè)置各種測(cè)量條件：12.8ksps、256采樣點(diǎn)/周期和1024次轉(zhuǎn)換。 此外，GUI的計(jì)算部分提供了一個(gè)進(jìn)行快速工程運(yùn)算的便捷工具。

測(cè)量結(jié)果也可以通過(guò)USB口傳送到PC端，從而利用強(qiáng)大的(而且免費(fèi))的Excel進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析。

結(jié)論

MAX11040K等高性能多通道同時(shí)采樣、Σ-Δ ADC非常適合工業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 這些新型ADC設(shè)計(jì)能夠提供高達(dá)117dB的動(dòng)態(tài)范圍，有效改善積分非線(xiàn)性和微分非線(xiàn)性，采樣速率高達(dá)64ksps。 選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路，MAX11040K能夠滿(mǎn)足甚至優(yōu)于高級(jí)“智能”電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的指標(biāo)要求1。

審核編輯：郭婷