同時(shí)采樣ADC在DAS傳感器信號(hào)調(diào)理中的應(yīng)用及分析
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(hào)，有些復(fù)雜系統(tǒng)需要使用高性能、多通道、同時(shí)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(cè)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(dòng)態(tài)范圍、64ksps典型采樣率的條件下精確地同時(shí)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(hào)，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(shí)測(cè)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(duì)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(hào)監(jiān)測(cè)，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(qǐng)參考每款型號(hào)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
| Part | Channels | Input Range (V) | Resolution (Bits) | Speed (ksps, max) | SINAD (dB) | Input Impedance |
| MAX1304 | 0 to 5 | |||||
| MAX1308 | ±5 | 12 | 456 | 71 | ||
| MAX1312 | ±10 | Medium, (approx 2kΩ) | ||||
| MAX1316 | 8 | 0 to 5 | ||||
| MAX1320 | ±5 | 14 | 250 | 76.5 | ||
| MAX1324 | ±10 | |||||
| MAX11046 | ±5 | 16 | 250 | 91.4 | Very high (in 10s of MΩ); mostly capacitive |
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(shí)間低通濾波器的設(shè)計(jì)信息，請(qǐng)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(jí)框圖，圖中需要一個(gè)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(cè)量變壓器為代表的低阻傳感器(等效阻抗RTRANS在10Ω至100Ω量級(jí))，可以通過簡(jiǎn)單的RC模擬前端(AFE)直接連接到MAX11046輸入端。如果測(cè)量信號(hào)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(gè)簡(jiǎn)單的高性價(jià)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(jí)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(huì)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(duì)增益誤差的影響如表2所示。
表2. 阻值對(duì)增益誤差的影響
| RTRANS (Ω) | Rd (Ω) | Gain Error (%) | Resistor Tolerance (%) |
| 50 | 20000 | 0.12 | 0.05 |
| 50 | 15000 | 0.17 | 0.05 |
| 50 | 10000 | 0.25 | 0.10 |
| 50 | 6980 | 0.36 | 0.10 |
| 50 | 4990 | 0.50 | 0.10 |
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(gè)封裝內(nèi)集成了兩個(gè)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(píng)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(píng)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(cè)試，測(cè)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(hào)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(shí)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(shí)間(MAX11046的典型值為3µs)。
K為RC時(shí)間常數(shù)，須滿足ADC分辨率的要求(16位ADC，時(shí)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(shí)，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(hào)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(duì)高精度電表測(cè)試設(shè)備的精度要求(0.2%級(jí)精度)。
上述測(cè)量的評(píng)估板設(shè)置如圖6所示。
圖6. MAX11046評(píng)估板的GUI，便于設(shè)計(jì)人員選擇不同的測(cè)量條件，這里選擇2.5ksps采樣率和4096個(gè)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(hào)(參見圖5中的框圖)。
按照?qǐng)D5所示電路的要求搭建測(cè)試裝置，可以得到高精度測(cè)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(cè)量結(jié)果
| Generator Signal (VP-P) | Measured Parameters from Processed Excel Files | |||
| RMS (gen, VRMS) | RMS (meas, VRMS) | RMS Error (%) | Req (%) | |
| Channel 1, ±4.950 | 3.50018 | 3.49704 | 0.08961 | 0.20 |
| Channel 8, ±9.900 | 7.00036 | 3.49695 | 0.09227 | 0.20 |
從表3可以看出所測(cè)量的RMS (meas)是對(duì)發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號(hào)RMS (gen)進(jìn)行測(cè)量、處理后的結(jié)果，結(jié)果顯示信號(hào)調(diào)理電路的RMS測(cè)試誤差近似為0.09%，完全符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053對(duì)電表測(cè)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(shí)采樣ADC非常適合現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對(duì)DAS的需求。正確選擇信號(hào)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(jí)規(guī)范要求的參數(shù)指標(biāo)。
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