高性能、多通道、同時采樣ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中的設(shè)計
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高性能、多通道、同時采樣ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中的設(shè)計
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/156926.htm摘要：本文將幫助設(shè)計人員實現(xiàn)高性能、多通道、同時采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)。介紹了元器件的合理選擇及其PCB布線，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。Maxim的MAX1308、MAX1320和MAX11046是極具特色的同時采樣ADC。本文給出的測試數(shù)據(jù)說明了遵循設(shè)計要點能夠為系統(tǒng)帶來的各項益處。
引言
很多先進(jìn)的工業(yè)應(yīng)用需要使用高性能、多通道、同時采樣ADC，例如先進(jìn)的電力線監(jiān)控系統(tǒng)(圖1)或現(xiàn)代三相電機(jī)控制系統(tǒng)(圖2)。這些應(yīng)用需要在大約70dB至90dB (取決于具體應(yīng)用)較寬的動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的多通道同時測量。通常要求16ksps甚至更高的采樣速率。
MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在一個封裝內(nèi)集成了8個獨立的同時采樣輸入通道和高速逐次逼近ADC。為了達(dá)到器件提供的規(guī)格并優(yōu)化其性能，設(shè)計人員必須合理設(shè)計系統(tǒng)、選擇元器件并提供合理的PCB布局。
DAS架構(gòu)的典型示例
圖1. 典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用
圖1中每相電源通過一個電流變壓器(CT)和一個電壓變壓器(PT)進(jìn)行檢測。整個系統(tǒng)包括四對此類結(jié)構(gòu)(三相中的每相對應(yīng)一對、零線對應(yīng)一對)。
通過對同時采樣并經(jīng)過量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理計算，可以獲取瞬時和平均有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數(shù)。
圖2. 典型的電機(jī)控制系統(tǒng)
圖2中每個ADC同時采樣輸入信號，無需復(fù)雜的DSP計算，傳統(tǒng)算法需要重新調(diào)整采樣數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)組合到同時采樣數(shù)組。
影響工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)的主要噪聲和干擾源
DAS定義了兩類噪聲/干擾。
第一類噪聲源于內(nèi)部電子元件，噪聲源包括ADC的轉(zhuǎn)換處理噪聲和諧波失真、緩沖放大器的噪聲和失真，以及基準(zhǔn)噪聲和穩(wěn)定性。
第二類干擾來自于系統(tǒng)外部，包括外部電磁噪聲、電源噪聲/紋波、I/O口串?dāng)_以及數(shù)字系統(tǒng)噪聲和干擾。
圖3列出了不同的噪聲源。
圖3. 典型的電力線監(jiān)控板級框圖，圖中顯示了影響系統(tǒng)分辨率和精度的不同噪聲源和干擾源。
電力線DAS信號處理鏈路包含CT、PT測量變壓器、抗混疊低通濾波器(LPF)、緩沖放大器、同時采樣ADC和中央處理單元(CPU)。
同時采樣ADC是系統(tǒng)的核心電路，用于測量調(diào)整在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)輸入動態(tài)范圍(如+5V、±5V或±10V)的電壓和電流信號。MAX130x、MAX132x和MAX1104x及其衍生產(chǎn)品支持這些擴(kuò)展測量范圍，無需增加任何信號調(diào)理電路。
表1列出了這些器件的1 LSB數(shù)值和量化噪聲，這些數(shù)值按照ADC的分辨率為設(shè)計人員提供了DAS能夠容許的總噪聲和干擾。
表1. 對應(yīng)于ADC分辨率的量化值和量化噪聲
| ADC | 通道數(shù) | 分辨率 | VREF (V) | LSB (mV) | 量化噪聲(mV) | SNR (dB) |
| MAX1308 | 8 | 12 | 2.5 | 0.6104 | 0.1762 | 71 |
| MAX1320 | 8 | 14 | 2.5 | 0.1526 | 0.0440 | 76 |
| MAX11046 | 8 | 16 | 4.096 | 0.0625 | 0.0180 | 85 |
ADC輸入的總噪聲和紋波應(yīng)小于½ LSB，同時，量化噪聲決定了系統(tǒng)的基本噪底。
注意：有些設(shè)計中，僅1mVRMS的總體噪聲即可導(dǎo)致整個設(shè)計不達(dá)標(biāo)，參考表2。
表2. 例：未經(jīng)“校準(zhǔn)”的整體噪聲導(dǎo)致ADC精度下降
| ADC | 通道數(shù) | 分辨率 | 輸入噪聲造成的 分辨率損失(1mV) | 下降后的 分辨率 |
| MAX1308 | 8 | 12 | 0.71 | 11.3 |
| MAX1320 | 8 | 14 | 2.71 | 11.3 |
| MAX11046 | 8 | 16 | 4.00 | 12.0 |
元器件選擇：DAS信號處理鏈路
選擇正確的輸入緩沖放大器
MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入電路具有相當(dāng)?shù)偷淖杩梗鐖D4所示。相應(yīng)地，大多數(shù)應(yīng)用中，這些器件需要一個輸入緩沖器以便達(dá)到12位和14位精度。
圖4. MAX130x和MAX132x系列ADC的典型輸入電路
為了達(dá)到12位至16位精度，選擇放大器時需要考慮的關(guān)鍵因素是：適當(dāng)?shù)膸?、擺率、VP-P輸出、低噪聲、低失真和低失調(diào)。應(yīng)保持盡可能低的緩沖放大器噪聲—遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADC的SNR。放大器的整體失調(diào)誤差，包括漂移，在整個溫度范圍內(nèi)都應(yīng)小于所要求的精度誤差。每個緩沖放大器應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用精心選擇。
表3給出了幾款推薦的高精度運算放大器。對于高精度ADC，不建議使用通用運放，請參考表4。
表3. 針對不同精度的ADC所推薦的高精度運放
| 型號 | 電源 | 單位增益 帶寬(MHz) | 擺率(V/µs) | VP-P (V) | 失調(diào) (mV，最大值) | 噪聲密度 (nV/√Hz) | 說明 |
| MAX410–MAX412 | ±5V | 28 | 4.5 | 7.2 | 0.25 | 2.4 | 適用于12位至16位分辨率 |
| MAX4250 | +5V | 3 | 0.3 | 5 | 0.75 | 7.9 | 適用于12位至14位分辨率 |
表4. 對于高精度ADC，不推薦使用通用運放
| 型號 | 電源 | 單位增益 帶寬(MHz) | 擺率(V/µs) | VP-P (V) | 失調(diào) (mV，最大值) | 噪聲密度 (nV/√Hz) | 說明 |
| LF411 | ±15V | 4 | 15 | 20 | 2.0 | 25 | 適用于12位以下分辨率 |
| LM124 | ±15V | 1.2 | 0.5 | 20 | 3.0 | 35 | 適用于11位以下分辨率 |
輸入濾波電路的要求：MAX11046系列
MAX11046系列器件采用差分輸入結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常不需要輸入緩沖放大器(圖5)。MAX11046的有效輸入阻抗ZIN與輸入電容、采樣頻率有關(guān)：
ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)
式中，F(xiàn)SAMPLE為采樣頻率，CIN = 15pF。
隨著采樣頻率的降低，輸入阻抗將增大：
250ksps時為266kΩ
25ksps時為2.66MΩ
圖5. MAX11046系列器件的簡化輸入電路
MAX11046系列產(chǎn)品具有極高的輸入阻抗，可以直接與低阻傳感器連接，例如，CT和PT測量變壓器阻抗相對較低(10Ω至50Ω)，因此，可以直接通過簡單的低通濾波器連接到MAX11046輸入級。
表5給出了低頻應(yīng)用，如電網(wǎng)監(jiān)控或電機(jī)控制，所要求的最大RSOURCE設(shè)計值。
表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE設(shè)計值
| FSAMPLE (ksps) | 0 | 100 | 300 | 1000 | 3000 | |
| 1000 | 1.0E+06 | 3.3E+05 | 1.4E+05 | 4.7E+04 | 1.6E+04 | |
| 2500 | 4.0E+05 | 1.3E+05 | 5.7E+04 | 1.9E+04 | 6.5E+03 | |
| 5000 | 2.0E+05 | 6.6E+04 | 2.8E+04 | 9.4E+03 | 3.2E+03 | |
| 10000 | 9.7E+04 | 3.2E+04 | 1.4E+04 | 4.6E+03 | 1.6E+03 | |
| 25000 | 3.7E+04 | 1.2E+04 | 5.3E+03 | 1.8E+03 | 6.1E+02 | |
為了保持DAS的精度，選擇正確的RSOURCE和CEXTERNAL非常關(guān)鍵。
RSOURCE電阻必須為金屬膜電阻，精度為1%或更高精度，還應(yīng)具有較低的溫度系數(shù)。建議選擇一些知名廠商(如Panasonic®、ROHM®或Vishay®)提供的元件。
為了達(dá)到最佳效果，CEXTERNAL電容應(yīng)選擇陶瓷電容，推薦電介質(zhì)類型為COG (NPO)。這些電容能夠在較寬的溫度和電壓范圍內(nèi)保持其標(biāo)稱值，Kemet®、AVX®或Samsung®等公司可提供高性價比的SMT器件。
ADC基準(zhǔn)選擇
基準(zhǔn)的選擇對于整個DAS的性能非常重要，并且與ADC的分辨率和精度要求密切相關(guān)，如上述表1所示。在整個溫度范圍內(nèi)保持合理的溫漂和初始精度非常關(guān)鍵。
以MAX11046為例，1 LSB ＝ 62.5µV。MAX11046內(nèi)部基準(zhǔn)的溫漂為±10ppm/°C。在整個50°C溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)漂移可達(dá)±500ppm或約±2.048mV (±33 LSB)。
在對溫漂要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用中，最好使用外部低溫漂基準(zhǔn)，如MAX6341 (1ppm/°C)。1ppm/°C的電壓基準(zhǔn)在整個50°C范圍內(nèi)的漂移只有0.2mV (或±3 LSB)。MAX6341基準(zhǔn)的初始精度為4.096 ±0.001，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于MAX11046的內(nèi)部基準(zhǔn)(4.096 ±0.0016)，大大提高了DAS精度和溫度穩(wěn)定性。
使用外部基準(zhǔn)時，MAX11046的基準(zhǔn)輸入電流僅為±10µA。串聯(lián)型基準(zhǔn)(如MAX6341)的輸出電流可達(dá)10mA，因此，單個基準(zhǔn)器件可以為多個高性能ADC提供參考，從而消除了不同器件之間的基準(zhǔn)差異。
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