MAX11040 24位同時(shí)采樣Σ-Δ ADC綜述

摘要：本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹了同時(shí)采樣Σ-Δ ADC MAX11040的關(guān)鍵特性，討論了四通道同時(shí)采樣、獨(dú)立設(shè)置各通道相位延時(shí)、8片轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)以及低電平有效的故障和溢出指示信號(hào)的使用。本文給出了利用評(píng)估(EV)板得到的測(cè)試數(shù)據(jù)。

四通道同時(shí)采樣

MAX11040集成了四個(gè)24位Σ-Δ ADC，能夠?qū)崿F(xiàn)四個(gè)通道的同時(shí)采樣。多路復(fù)用Σ-Δ ADC不能保持相位完整性，MAX11040則不同，它不僅記錄相位信息而且允許用戶(hù)對(duì)每個(gè)獨(dú)立通道的相位進(jìn)行設(shè)置。

圖1顯示了同一模擬信號(hào)(零相位延時(shí))作用到四個(gè)ADC輸入端時(shí)所產(chǎn)生的采樣數(shù)據(jù)。


圖1. 同一正弦波作用到MAX11040的四個(gè)輸入端，同時(shí)采樣輸出如右側(cè)所示

獨(dú)立設(shè)置每個(gè)通道的相位延時(shí)

用戶(hù)可以分別設(shè)置每路ADC的相位延時(shí)，最大延時(shí)為333μs，步進(jìn)值為1.33μs。通過(guò)設(shè)置ADC通道的相位延時(shí)，用戶(hù)可以消除信號(hào)路徑上由濾波器、延時(shí)線等引起的固有延遲，延時(shí)的步進(jìn)調(diào)節(jié)低于數(shù)據(jù)速率。

圖2顯示了零相位延時(shí)的采樣輸出和改變相位延時(shí)后的采樣輸出。兩種情況下，所有四個(gè)輸入端作用同一信號(hào)源。


圖2. 同一正弦波作用到MAX11040的四個(gè)輸入端。圖2A所示為零相位延時(shí)情況下四個(gè)通道的同時(shí)采樣輸出；圖2B所示為更改相位延時(shí)后，四個(gè)通道的同時(shí)采樣輸出

8片器件的級(jí)聯(lián)

如果四個(gè)采樣通道不能滿(mǎn)足某些應(yīng)用的需求，則可級(jí)聯(lián)多片MAX11040，最多可級(jí)聯(lián)8片轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)32個(gè)通道的同時(shí)采樣。這一功能對(duì)于EEG (監(jiān)測(cè)腦電波)等需要對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行同時(shí)采樣的應(yīng)用十分理想。

圖3給出了器件配置。

• 第一顆芯片的/CASCOUT信號(hào)送入第二顆芯片的/CASCIN；第二顆芯片到第三顆芯片以及后續(xù)芯片的配置與此類(lèi)似。最后一顆芯片的/DRDYOUT輸出指示所有芯片的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就緒。
• 第一顆芯片的CLKOUT信號(hào)送入所有其它芯片的XIN引腳。
• /FAULT和/OVRFLW按照“線或”邏輯連接在一起。

圖3. MAX11040級(jí)聯(lián)配置，最多可級(jí)聯(lián)8片

故障和溢出指示信號(hào)

一旦輸入超出VREF的±0.88%或大于6V，MAX11040將產(chǎn)生低電平有效的溢出和故障報(bào)警信號(hào)，這一功能對(duì)于需要飽和報(bào)警或過(guò)壓(OV)保護(hù)的應(yīng)用十分重要。

圖4說(shuō)明了快速變化輸入的情形；圖5說(shuō)明了慢速變化輸入的情形。對(duì)于高速信號(hào)，低電平有效的溢出和故障報(bào)警輸出幾乎同時(shí)發(fā)生跳變。值得注意的是：從信號(hào)跨越門(mén)限到低電平有效的溢出和故障報(bào)警信號(hào)置低，存在一個(gè)響應(yīng)時(shí)間。同樣，在信號(hào)返回高電平之前存在一個(gè)恢復(fù)時(shí)間。


圖4. 高頻模擬輸入的OV檢測(cè)和在快變化輸入情況下的恢復(fù)時(shí)間


圖5. 高頻模擬輸入的OV檢測(cè)和慢變化輸入時(shí)的恢復(fù)時(shí)間

測(cè)試數(shù)據(jù)舉例

以下數(shù)據(jù)是對(duì)MAX11040評(píng)估板進(jìn)行測(cè)試得到的。

同時(shí)采樣、可編程相位延時(shí)和器件級(jí)聯(lián)配置

圖6給出了兩片ADC的應(yīng)用電路圖，電路配置能夠設(shè)置不同的相位延時(shí)。8個(gè)輸入端(每片4個(gè)輸入端)作用相同的120Hz、4VP-P交流信號(hào)。每個(gè)輸入通道的相位延時(shí)用以下代碼設(shè)置：

CH1	0	0	0μs
CH2	36	36	46.88μs
CH3	2 × 36	72	93.75μs
CH4	3 × 36	108	140.62μs
CH1	4 × 36	144	187.50μs
CH2	5 × 36	180	234.38μs
CH3	6 × 36	216	281.25μs
CH4	7 × 36	252	328.12μs

圖6. 各種相位延時(shí)輸入到兩片MAX11040模數(shù)轉(zhuǎn)換器

圖7和圖8給出了圖6所示兩片MAX11040的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。從結(jié)果可以看出，雖然同一信號(hào)作用到所有輸入端，但由于設(shè)置的相位延時(shí)不同，所以輸出波形的相位也不同。


詳細(xì)波形(PDF, 279KB)
圖7. 圖6所示兩片ADC的數(shù)據(jù)采樣結(jié)果


詳細(xì)波形(PDF, 269KB)
圖8. 圖7放大后的波形

故障和溢出檢測(cè)(輔助應(yīng)用)

如果設(shè)計(jì)人員需要使用低電平有效的溢出或故障報(bào)警信號(hào)作為中斷，硬件電路中需要加入一個(gè)D觸發(fā)器或使用內(nèi)部鎖存器。當(dāng)溢出或故障報(bào)警信號(hào)觸發(fā)/SD引腳時(shí)，信號(hào)將被鎖存。中斷控制器也可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)/RD引腳產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)(圖9)。


圖9. 溢出和故障報(bào)警信號(hào)鎖存

從以上對(duì)MAX11040關(guān)鍵特性的討論可以看出，該芯片非常適合以下應(yīng)用：

• 三相 + 零相功率測(cè)量和監(jiān)測(cè)
  通過(guò)電壓和電流變壓器將電壓降至可接受的電平，兩片MAX11040級(jí)聯(lián)后監(jiān)測(cè)三相和零相的電壓、電流信號(hào)。由于Σ-Δ ADC具有24位精度，MAX11040有足夠的采樣率監(jiān)測(cè)24次以上的諧波(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。ENOB接近18位，采集電氣噪聲以及較大的瞬變信號(hào)有助于判斷電網(wǎng)質(zhì)量。同過(guò)調(diào)整相位延時(shí)能夠補(bǔ)償相移產(chǎn)生的功率因數(shù)偏差。另外，也可以很容易地檢測(cè)到溢出和故障報(bào)警狀態(tài)。
  
  
  
  
• EEG/EKG信號(hào)監(jiān)測(cè)
  
  
  
  動(dòng)態(tài)范圍較寬時(shí)，可以禁止第二級(jí)放大電路，以降低元器件數(shù)量和成本，提高系統(tǒng)可靠性。由于采用了具有五階調(diào)制器的Σ-Δ架構(gòu)，MAX11040能夠提供由于SAR及其它架構(gòu)的噪聲指標(biāo)。該器件可以提供32個(gè)通道的同時(shí)采樣，并可調(diào)整個(gè)通道的相位，用于監(jiān)測(cè)腦電波的各個(gè)部分。