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

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

本應(yīng)用筆記旨在幫助設(shè)計(jì)人員在高性能、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)為例，本文說(shuō)明了使用MAX11040 Σ-Δ ADC的優(yōu)勢(shì)以及如何選擇適當(dāng)?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(yīng)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(dāng)?shù)慕涌陔娐贰Ｈ绻?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/信號(hào)">信號(hào)接口要求提供多通道、高精度的幅度和相位信息，這些工業(yè)應(yīng)用可以充分利用MAX11040等ADC的高動(dòng)態(tài)范圍、同時(shí)采樣以及多通道優(yōu)勢(shì)。本文介紹了MAX11040的Σ-Δ架構(gòu)，以及如何合理選擇設(shè)計(jì)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(shì)

圖1所示為高端三相電力線(xiàn)監(jiān)視/測(cè)量系統(tǒng)，這類(lèi)工業(yè)應(yīng)用需要以高達(dá)117dB的動(dòng)態(tài)范圍、64ksps采樣速率精確地進(jìn)行多通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)。為了獲得最高系統(tǒng)精度，必須正確處理來(lái)自傳感器(例如，圖1中的CT、PT變壓器)的信號(hào)，以滿(mǎn)足ADC輸入量程的要求，從而保證DAS的性能指標(biāo)滿(mǎn)足不同國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。


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

從圖1可以看到，采用兩片MAX11040 ADC可以同時(shí)測(cè)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(guò)采樣/平均處理得到較高的分辨率。每個(gè)ADC通道利用其專(zhuān)有的電容開(kāi)關(guān)Σ-Δ調(diào)制器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。該調(diào)制器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成低分辨率的數(shù)字信號(hào)，它的平均值代表輸入信號(hào)的量化信息，時(shí)鐘頻率為24.576MHz時(shí)對(duì)應(yīng)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(dá)24位的分辨率。

MAX11040為4通道同時(shí)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?yàn)樵O(shè)計(jì)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(dá)117dB的動(dòng)態(tài)范圍；積分非線(xiàn)性和微分非線(xiàn)性(INL、DNL)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于SAR ADC；獨(dú)特的采樣相位(采樣點(diǎn))調(diào)節(jié)能夠從內(nèi)部補(bǔ)償外部電路(驅(qū)動(dòng)器、變壓器、輸入濾波器等)引入的相位偏移。

另外，MAX11040集成一個(gè)數(shù)字低通濾波器，處理每個(gè)調(diào)制器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，得到無(wú)噪聲、高分辨率的數(shù)據(jù)輸出。該低通濾波器具有復(fù)雜的頻率響應(yīng)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(hào)通道抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)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(biāo)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考器件數(shù)據(jù)資料。

表1. MAX11040 ADC的關(guān)鍵指標(biāo)

電力線(xiàn)應(yīng)用對(duì)ADC性能的要求

電力線(xiàn)監(jiān)控應(yīng)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(guò)，可以利用一個(gè)簡(jiǎn)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?xún)?nèi)，電路如圖2所示。

連接到通道1的電路代表一個(gè)單端設(shè)計(jì)，這種配置下，變壓器的一端接地，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器和電容完成信號(hào)調(diào)理。

對(duì)于共模噪聲(該噪聲在ADC的兩個(gè)輸入端具有相同幅度)比較嚴(yán)重的應(yīng)用場(chǎng)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(xiàn)監(jiān)控典型應(yīng)用中的原理框圖，圖中給出了一個(gè)±10V或±5V輸出的變壓器接口。通道4接口電路采用差分設(shè)計(jì)，通道1采用單端設(shè)計(jì)。

PT和CT測(cè)量變壓器相當(dāng)于低阻互感器(等效阻抗R_TR通常在10Ω至100Ω量級(jí))。為方便計(jì)算，以下示例中假設(shè)：變壓器相當(dāng)于一個(gè)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(gè)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(shí)鐘速率、ADC輸入電容有關(guān)。連接適當(dāng)?shù)呐月冯娙軨3，設(shè)定XIN時(shí)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(dòng)。

R1、R2組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將±10V或±5V輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC要求的±2.2V滿(mǎn)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(mǎn)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(guò)載。同時(shí)，R2阻值還要足夠小，以避免影響ADC的輸入阻抗(R2 R_IN)。

對(duì)于單端設(shè)計(jì)，圖2中MAX11040通道1的輸入電壓V_IN(f)，可以利用式1計(jì)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(luò)。
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(hào)頻率。
V_IN(f)是MAX11040的輸入電壓。