引言

許多高端工業(yè)應(yīng)用采用了高性能,、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，用于處理高精度工業(yè)傳感器產(chǎn)生的實(shí)際信號,，有些復(fù)雜系統(tǒng)需要使用高性能,、多通道、同時采樣ADC,，例如：MAX11046,、MAX1320、MAX1308等,。

首先,，我們考慮圖1所示一款高端三相電力線監(jiān)測系統(tǒng),，這類工業(yè)應(yīng)用需要在高達(dá)90dB (取決于具體應(yīng)用)的動態(tài)范圍、64ksps典型采樣率的條件下精確地同時采集多通道數(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(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(biāo)滿足不同國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。


圖1. 基于MAX11046、MAX1320,、MAX1308的DAS在電網(wǎng)監(jiān)控中的典型應(yīng)用

 

SAR ADC在工業(yè)DAS中的作用

如圖1所示,，MAX11046、MAX1320及MAX1308可同時測量三相及零相電壓和電流,，每款A(yù)DC均采用逐次逼近寄存器(SAR)架構(gòu),。從其名稱即可看出，SAR ADC采用的是對半查找法則(逐次逼近),。MAX11046,、MAX1320和MAX1308均提供高速轉(zhuǎn)換(8通道的每通道高達(dá)250ksps)，支持瞬態(tài)信號監(jiān)測,，并具有靈活的±10V,、±5V或0至5V接口。表1列出了部分Maxim的SAR ADC產(chǎn)品的典型特性,，如需了解詳細(xì)信息，請參考每款型號的數(shù)據(jù)資料,。

表1. 高性能,、多通道SAR ADC產(chǎn)品的典型特性

CT、PT (傳感器)變壓器的典型輸出為±10VP-P或±5VP-P,。如表1所示,，MAX130x和MAX132x系列ADC可支持這些范圍，MAX11046的輸入范圍只適用于±5V的變壓器常用輸入范圍,。

MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入阻抗較低,，在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中需要增加輸入緩沖器和低通濾波器(圖2)，以保證12位至14位的精度,。

注：如需了解有關(guān)高階,、連續(xù)時間低通濾波器的設(shè)計(jì)信息，請參考應(yīng)用筆記733：“A Filter Primer”和應(yīng)用筆記738：“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”,。Maxim還提供MAX9943/MAX9944或MAX4493/MAX4494/MAX4495等高精度運(yùn)算放大器,，非常適合這些應(yīng)用,。


圖2. 采用MAX130x和MAX132x系列ADC構(gòu)建的電力線監(jiān)控系統(tǒng)板級框圖,，圖中需要一個有源低通濾波器連接CT和PT變壓器。

MAX11046提供可選擇的有源輸入緩沖器/低通濾波器,，MAX11046具有非常高的輸入阻抗,，可直接連接到特定傳感器(參見表1)。以CT,、PT測量變壓器為代表的低阻傳感器(等效阻抗RTRANS在10Ω至100Ω量級),，可以通過簡單的RC模擬前端(AFE)直接連接到MAX11046輸入端。如果測量信號頻帶內(nèi)的50Hz/60Hz混疊噪聲較低,，由輸入RC電路構(gòu)成的低通濾波器即可滿足要求,。

圖3給出了一個簡單的高性價比解決方案，使得MAX11046能夠支持±5V或±10V輸入范圍,。


圖3. MAX11046在典型電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用中的板級框圖,，圖中通道1連接±5V變壓器，通道8連接±10V變壓器,。

考慮圖3所示輸入電路,，需要特別注意R1、C1,、Rd和C2參數(shù)的選擇,。1:1電阻分壓器(Rd1 = Rd2 = Rd)作為PT和CT變壓器負(fù)載將會引入增益誤差，圖3所示電路的增益誤差可由式1計(jì)算：

增益誤差% = (1 - 2 × Rd/(2 × Rd + RTRANS)) × 100

(式1)

式中：
Rd為分壓器阻抗,。
RTRANS為變壓器阻抗,。

電阻值對增益誤差的影響如表2所示。

表2. 阻值對增益誤差的影響

表2數(shù)據(jù)表明,，為了保持低增益誤差,，必須使用精密電阻。最好選擇金屬膜電阻,，這種電阻具有低溫漂(tempco),，誤差要求如表2所示，建議從Tyco或Vishay等廠商采購元件,。

MAX5491提供了一種優(yōu)異的電阻分壓方案,，它在一個封裝內(nèi)集成了兩個精確匹配的電阻。


圖4. MAX5491精確匹配電阻分壓器的典型工作電路

MAX5491的電阻比具有極低溫漂,，在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)溫漂保持在2ppm/°C以內(nèi),，其端到端電阻為30kΩ,，能夠提供并保持0.17%的增益誤差(參見表2)。

MAX11046評估(EV)板提供完備的8通道DAS,，幫助設(shè)計(jì)工程師快速完成圖3推薦的設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證,。

圖5給出了基于MAX11046EVKIT的開發(fā)系統(tǒng)裝置。


圖5. 基于MAX11046評估板的開發(fā)系統(tǒng)框圖,，從圖中可以看出：只需極少的外部元件即可進(jìn)行高精度電路測試，測試結(jié)果通過USB口送入PC機(jī)并轉(zhuǎn)換成Excel®文件,，以待進(jìn)一步處理,。

圖5所示，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的擺幅為±5V的信號通過R1和C1濾波后發(fā)送到MAX11046的通道1輸入端,，R1和C1取值須滿足ADC采樣時間的要求,，可以由式2求得：

R1MAX = (1/FSAMPLE - TCONV)/K(C1 + CSAMPLE)

(式2)

式中：
R1MAX為最大源阻抗。
FSAMPLE為采樣率,。
TCONV為ADC轉(zhuǎn)換時間(MAX11046的典型值為3µs),。
K為RC時間常數(shù)，須滿足ADC分辨率的要求(16位ADC,，時間常數(shù)選擇為12),。
CSAMPLE為內(nèi)部采樣電容(MAX11046的采樣電容約為20pF)。

從式2計(jì)算得到,，采樣率為2.5ksps時,，R1MAX約為12.1kΩ、C1 = 2700pF,。在設(shè)計(jì)限制的范圍內(nèi),，選擇R1 = 10.0kΩ。C1 = 2700pF,，大于CSAMPLE 100倍，能夠?yàn)閮?nèi)部采樣電容提供足夠的電荷支持,。

圖5中,，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的擺幅為±10V的信號通過Rd分壓器和C2發(fā)送到MAX11046的輸入通道8，Rd = 20.0kΩ,，從表2可以看出,，這將產(chǎn)生大約0.12%的增益誤差。該指標(biāo)符合歐盟(EU)通用標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053對高精度電表測試設(shè)備的精度要求(0.2%級精度),。

上述測量的評估板設(shè)置如圖6所示,。


圖6. MAX11046評估板的GUI,，便于設(shè)計(jì)人員選擇不同的測量條件，這里選擇2.5ksps采樣率和4096個采樣點(diǎn),。


圖7. 用Excel軟件進(jìn)行仿真,，示波器波形顯示了恢復(fù)后經(jīng)過調(diào)理(分壓和濾波)的來自函數(shù)發(fā)生器的±10V輸入信號(參見圖5中的框圖),。

按照圖5所示電路的要求搭建測試裝置，可以得到高精度測量結(jié)果,，如表3所示,。

表3. 圖5所示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量結(jié)果

從表3可以看出所測量的RMS (meas)是對發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號RMS (gen)進(jìn)行測量、處理后的結(jié)果,，結(jié)果顯示信號調(diào)理電路的RMS測試誤差近似為0.09%,，完全符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053對電表測量設(shè)備的精度要求(0.2%)。

 

結(jié)論

MAX130x,、MAX132x和MAX11046等高性能,、多通道同時采樣ADC非常適合現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對DAS的需求。正確選擇信號調(diào)理電路,，可以獲得優(yōu)于歐盟標(biāo)準(zhǔn)和智能電網(wǎng)監(jiān)控高級規(guī)范要求的參數(shù)指標(biāo),。