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

許多高端工業(yè)應用中，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?shù)?a target="_blank">接口電路。 如果信號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)應用可以充分利用MAX11040K等ADC的高動態(tài)范圍、同時采樣以及多通道優(yōu)勢。 本文介紹了MAX11040K的Σ-Δ架構(gòu)，以及如何合理選擇設計架構(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

圖1所示為高端三相電力線監(jiān)視/測量系統(tǒng)，這類工業(yè)應用需要以高達117dB的動態(tài)范圍、64ksps采樣速率精確地進行多通道同時采集數(shù)據(jù)。 為了獲得最高系統(tǒng)精度，必須正確處理來自傳感器(例如，圖1中的CT、PT變壓器)的信號，以滿足ADC輸入量程的要求，從而保證DAS的性能指標滿足不同國家相關標準的要求。

引言

許多高端工業(yè)應用中，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?shù)慕涌陔娐贰?如果信號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)應用可以充分利用MAX11040K等ADC的高動態(tài)范圍、同時采樣以及多通道優(yōu)勢。 本文介紹了MAX11040K的Σ-Δ架構(gòu)，以及如何合理選擇設計架構(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

圖1所示為高端三相電力線監(jiān)視/測量系統(tǒng)，這類工業(yè)應用需要以高達117dB的動態(tài)范圍、64ksps采樣速率精確地進行多通道同時采集數(shù)據(jù)。 為了獲得最高系統(tǒng)精度，必須正確處理來自傳感器(例如，圖1中的CT、PT變壓器)的信號，以滿足ADC輸入量程的要求，從而保證DAS的性能指標滿足不同國家相關標準的要求。

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

從圖1可以看到，采用兩片MAX11040K ADC可以同時測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)，利用過采樣/平均處理得到較高的分辨率。 每個ADC通道利用其專有的電容開關Σ-Δ調(diào)制器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。 該調(diào)制器將輸入信號轉(zhuǎn)換成低分辨率的數(shù)字信號，它的平均值代表輸入信號的量化信息，時鐘頻率為24.576MHz時對應的采樣率為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24位的分辨率。

MAX11040K為4通道同時采樣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能夠為設計人員提供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117dB的動態(tài)范圍； 積分非線性和微分非線性(INL、DNL)也遠遠優(yōu)于SAR ADC； 獨特的采樣相位(采樣點)調(diào)節(jié)能夠從內(nèi)部補償外部電路(驅(qū)動器、變壓器、輸入濾波器等)引入的相位偏移。

另外，MAX11040K集成一個數(shù)字低通濾波器，處理每個調(diào)制器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，得到無噪聲、高分辨率的數(shù)據(jù)輸出。 該低通濾波器具有復雜的頻率響應函數(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輸入信號通道抗混疊濾波器的設計難度，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，關于MAX11040K數(shù)字低通濾波器或表中列出的特性指標的詳細信息，請參考器件數(shù)據(jù)資料。

電力線應用對ADC性能的要求

電力線監(jiān)控應用中，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，可以利用一個簡單的低成本方案將±5V或±10V互感器輸出調(diào)整到MAX11040K較低的輸入量程以內(nèi)，電路如圖2所示。

連接到通道1的電路代表一個單端設計，這種配置下，變壓器的一端接地，通過一個簡單的電阻分壓器和電容完成信號調(diào)理。

對于共模噪聲(該噪聲在ADC的兩個輸入端具有相同幅度)比較嚴重的應用場合，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在電力線監(jiān)控典型應用中的原理框圖，圖中給出了一個±10V或±5V輸出的變壓器接口。 通道4接口電路采用差分設計，通道1采用單端設計。

PT和CT測量變壓器相當于低阻互感器(等效阻抗RTR通常在10Ω至100Ω量級)。 為方便計算，以下示例中假設：變壓器相當于一個有效輸出電阻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的輸入阻抗與時鐘速率、ADC輸入電容有關。 連接適當?shù)呐月冯娙軨3，設定XIN時鐘頻率 = 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。

R1、R2組成的電阻分壓網(wǎng)絡將±10V或±5V輸入信號轉(zhuǎn)換成ADC要求的±2.2V滿量程范圍(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變壓器輸出過載。 同時，R2阻值還要足夠小，以避免影響ADC的輸入阻抗(R2 << R在)。

對于單端設計，圖2中MAX11040K通道1的輸入電壓VIN(f)，可以利用式1計算：

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。

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是輸入信號頻率。

VIN(f)是MAX11040K的輸入電壓。

可以利用類似方法進行差分輸入設計。

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

MAX11040EVKIT提供了一個全功能、8通道DAS系統(tǒng)，評估板能夠幫助設計人員加快產(chǎn)品的開發(fā)進程，例如，驗證圖2中所推薦的原理圖方案。

圖3. 基于MAX11040EVKIT的開發(fā)系統(tǒng)框圖，需要兩個精密儀表對測量通道進行適當校準。 測量結(jié)果可以通過USB發(fā)送到PC機，然后轉(zhuǎn)換成Excel?文件作進一步處理。

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

電阻分壓網(wǎng)絡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計算得到，接近最佳的輸入動態(tài)范圍(約±2.10VP-P)。 該動態(tài)范圍限制在0.05%相當高的精度范圍，非常適合MAX11040K。 有關精度指標的詳細信息，請參考MAX11040K數(shù)據(jù)資料。

表2列出的計算值均來自式1的計算結(jié)果和圖3定義的精確測量。 表格頂部給出了式1在標稱輸入電壓下的理論計算結(jié)果，選擇標準的分立元件。 表2底部給出了演示系統(tǒng)中實際測量的元件值以及測試誤差，同時還給出了用于FSR校準和計算得到的K卡爾系數(shù)，計算公式如下：

校準系數(shù)K卡爾按照式2計算：

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。

VADCMAX是測量、處理后的ADC值，MAX11040EVKIT設置與圖3相同，輸入信號設置為VTRMAX。

VADC0是測量、處理后的ADC值，MAX11040EVKIT設置與圖3相同，輸入信號設置為VIN = 0 (系統(tǒng)零失調(diào)測量)。

KCAL (本實驗中)是針對特別通道的校準系數(shù)，根據(jù)VADC計算輸入信號VTR。

KCAL誤差計算顯示只基于標稱值的KCAL“理論值”可能與基于實際測量值計算的K卡爾之間存在1%左右的誤差。

所以，只是依靠理論計算還不足以支持實際要求； 如果設計中需要達到EU IEC 62053標準要求的0.2%精度，就必須對每個測量通道進行滿量程(FSR)校準。

表3所示結(jié)果驗證了? FSR輸入信號的測量。 利用高精度HP3458A萬用表測量數(shù)據(jù)，利用式2中的校準系數(shù)K卡爾得到ADC測量值和計算值。

表3中的VTR_M表示輸入? FSR信號時的測量值，而VTR_C表示基于MAX11040K測量值和KCAL處理、計算得到的數(shù)值。

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

圖4. MAX11040EVKIT GUI允許用戶方便地設置各種測量條件：12.8ksps、256采樣點/周期和1024次轉(zhuǎn)換。 此外，GUI的計算部分提供了一個進行快速工程運算的便捷工具。

測量結(jié)果也可以通過USB口傳送到PC端，從而利用強大的(而且免費)的Excel進行詳細的數(shù)據(jù)分析。

結(jié)論

MAX11040K等高性能多通道同時采樣、Σ-Δ ADC非常適合工業(yè)應用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 這些新型ADC設計能夠提供高達117dB的動態(tài)范圍，有效改善積分非線性和微分非線性，采樣速率高達64ksps。 選擇適當?shù)男盘栒{(diào)理電路，MAX11040K能夠滿足甚至優(yōu)于高級“智能”電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的指標要求1。

審核編輯：郭婷