利用Σ-Δ ADC在工業(yè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進行信號調(diào)理

本應用筆記旨在幫助設計人員在高性能、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)設計中優(yōu)化工業(yè)傳感器與高性能ADC之間的連接電路,。以電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)為例,，本文說明了使用MAX11040 Σ-Δ ADC的優(yōu)勢以及如何選擇適當?shù)募軜?gòu)和外圍器件，優(yōu)化系統(tǒng)性能,。

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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Ｈ绻盘柦涌谝筇峁┒嗤ǖ?、高精度的幅度和相位信息,，這些工業(yè)應用可以充分利用MAX11040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MAX11040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(guān)標準的要求,。


圖1. 基于MAX11040的DAS在電網(wǎng)監(jiān)控中的應用

從圖1可以看到,，采用兩片MAX11040 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(guān)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。

MAX11040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。

MAX11040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,，MAX11040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MAX11040的數(shù)字低通濾波器，大大降低了MAX11040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MAX11040的部分特性,，關(guān)于MAX11040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,。

表1. MAX11040 ADC的關(guān)鍵指標

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(V_P-P),。而MAX11040的輸入量程為±2.2V_P-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MAX11040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MAX11040的真差分輸入大大降低共模噪聲的影響,。


圖2. MAX11040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R_TR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R_TR = 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。MAX11040的輸入阻抗與時鐘速率,、ADC輸入電容有關(guān),。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R_IN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_IN),。

對于單端設計，圖2中MAX11040通道1的輸入電壓V_IN(f),，可以利用式1計算：

(式1)

式中：
V_TR是CT和PT變壓器的輸出電壓,。
R_TR是變壓器的等效阻抗。
R1,、R2構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡,。
R_IN是MAX11040的輸入阻抗。
R2llR_IN是R2和R_IN的并聯(lián)阻抗,。
C3為輸入旁路電容,。
f是輸入信號頻率。
V_IN(f)是MAX11040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MAX11040的通道2，而另一函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的±10V信號連接到MAX11040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 = ±2.2V_P-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±2.10V_P-P),。該動態(tài)范圍限制在0.05%相當高的精度范圍,，非常適合MAX11040。有關(guān)精度指標的詳細信息,，請參考MAX11040數(shù)據(jù)資料,。

表2. 圖3中的電阻和旁路電容計算

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_CAL系數(shù),，計算公式如下：

校準系數(shù)K_CAL按照式2計算：

KCAL = VTRMAX/(VADCMAX - VADC0)

(式2)

式中：
V_TRMAX是輸入最大值,，分別代表±5V或±10V輸入信號。
V_ADCMAX是測量,、處理后的ADC值,，MAX11040評估板設置與圖3相同，輸入信號設置為V_TRMAX,。
V_ADC0是測量,、處理后的ADC值，MAX11040評估板設置與圖3相同,，輸入信號設置為V_IN = 0 (系統(tǒng)零失調(diào)測量),。
K_CAL (本實驗中)是針對特別通道的校準系數(shù)，根據(jù)V_ADC計算輸入信號V_TR,。

K_CAL誤差計算顯示只基于標稱值的K_CAL“理論值”可能與基于實際測量值計算的K_CAL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½ 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_CAL得到ADC測量值和計算值,。

表3. 驗證½ FSR輸入信號對應的測量結(jié)果

表3中的V_{TR_M}表示輸入½ FSR信號時的測量值，而V_{TR_C}表示基于MAX11040測量值和K_CAL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V_ERR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

MAX11040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,，MAX11040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。