同時采樣A/D變換器及其應(yīng)用

兩款新型同時采樣A/D變換器MAX125和MAX126是完整的14位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以同時跟蹤和保持8個輸入中的4個輸入（見圖1）。板上定序器可通過編程來選擇對哪4個（或少于4個）通道進(jìn)行數(shù)字化。吞吐量速率范圍為250ksps（一個通道）～76ksps（所有4個通道）。輸入范圍是±5V（MAX125）和±2.5V（MAX126）。

4個跟蹤/保持（T/H）級的每一級可在A和B輸入間切換，產(chǎn)生8個可能的輸入通道。圖2示出跟蹤模式的A通道。每個T/H輸入中的T開關(guān)使相鄰?fù)ǖ篱g的串?dāng)_最小。4個地址引腳選擇通道號和工作模式，每個輸入電路容許±17V過壓。該芯片還包含電壓基準(zhǔn)（漂移為30ppm/℃）。

MAX125/126變換器有廣泛的應(yīng)用，這包括：

·場定向控制，使AC馬達(dá)工作如同DC馬達(dá)一樣；

·線路故障保護(hù)系統(tǒng)中高電壓、三相波形的測量；

·基于Coriolis質(zhì)量流量計中相位差檢測；

·對衛(wèi)星調(diào)諧器IC的I和Q信號數(shù)字化；

·用在汽車制造業(yè)的基于雷達(dá)碰撞報警系統(tǒng)中，可去掉中頻級。

場定向控制

場定向控制（Field-orieneed control,FOC）使AC馬達(dá)工作如同DC馬達(dá)，這是MAX125/126變換器的一種主要應(yīng)用。DC馬達(dá)中的電刷和整流子組合件保證場（定子）電流對轉(zhuǎn)子電流總是保持正確的角度。這就是可說的場定向，這一條件可使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生所標(biāo)定的最大轉(zhuǎn)矩兩個元素分離開來和對它們進(jìn)行直接控制，使場定向能為馬達(dá)提供快速和精確的動態(tài)響應(yīng)。為了改變馬達(dá)轉(zhuǎn)矩，需要改變轉(zhuǎn)子電流分量Iq，Iq決定產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和保持場或磁化電流分量為常數(shù)。從圖3可確定磁化電流：

Id=Vd=jωLm (1)

式中Id:磁化電流分量，Vd：定子電壓，ω：所加電壓角頻率，Lm：轉(zhuǎn)子的磁化電感。

所以，保持Vd/ω比為常數(shù)可在不同速度下保持恒定轉(zhuǎn)矩。另外，改變定子電壓Vd也可控制速度。盡管Vd電壓不能直接測量，若知道在不同溫度下馬達(dá)的三相中的一相輸入電壓VXR、定子電流Is和定子電阻Rs就可推導(dǎo)出Vd:

Vd=VxR-IsRS (2)

場定向控制分為：直接，間接和無傳感器三類。

直接FOC直接測量轉(zhuǎn)子角，是用安裝在馬達(dá)罩中的傳感器測得的。

間接FOC測量速度，用解算器來測量速度，再對速度積分來確定轉(zhuǎn)差角。在AC異步馬達(dá)中，轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)動場使轉(zhuǎn)子與定子場以相同的方向轉(zhuǎn)動，但角頻率較低。其頻率之間的差稱之為轉(zhuǎn)差頻率，而它們之間的角度稱之為轉(zhuǎn)差角。轉(zhuǎn)子角頻率加轉(zhuǎn)差頻率給出所需的定子頻率。所以，頻率是這種控制技術(shù)的副產(chǎn)品而不是控制變量。

無傳感器FOC倍受關(guān)注，特別是一些啟用中不能從轉(zhuǎn)子直接信號反饋情況，需要無傳感器FOC。例如，海上石油鉆機(jī)的水下泵和其他系統(tǒng)，其馬達(dá)和驅(qū)動電子裝置離的很遠(yuǎn)。無傳感器FOC和直接、間接FOC不同，它在馬達(dá)的定子端執(zhí)行所有的測量和計算（見圖4）。從圖4和圖5的向量圖可見：MAX125對兩個轉(zhuǎn)子相電流ib和ic進(jìn)行數(shù)字化。注意，只需要兩個相電流，而第3個相電流ia可以從假設(shè)（3個相電流是120°相位差、瞬時相加值為0）中推導(dǎo)出來。3個電流然后通過Clarke變換技術(shù)變換為α和β軸的二相正交系統(tǒng)。

為簡化起見，α軸可等于a軸。兩個正交電流iα和iβ即可變換為時間不變的旋轉(zhuǎn)正交系統(tǒng)，此系統(tǒng)用等效于轉(zhuǎn)子電流id和iq的磁場與轉(zhuǎn)矩分量d和q表示。α/β坐標(biāo)系反時鐘轉(zhuǎn)動，以與轉(zhuǎn)子矢通量軸線ψr對齊。轉(zhuǎn)角θ由Park座標(biāo)變換轉(zhuǎn)動的馬達(dá)模型決定。Park變換把電流表示為DC量，這大大地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。把轉(zhuǎn)子矢通量角θ與從Park變換所得到的電流結(jié)合起來就得到實際的馬達(dá)場和轉(zhuǎn)矩。由于能對基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩和測量的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，Park變換在控制環(huán)路中起主要作用。得到所希望的轉(zhuǎn)矩和矢通量之后，Park反變換首先把基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩和場電流（idref和iqref）反變換為正交定子格式電流idref和iqref)反變換為正交定子坐標(biāo)系電流ia、ib和ic。所有的變換都由DSP執(zhí)行。微處理器進(jìn)行控制和輸入命令的實時執(zhí)行。

線路故障保護(hù)系統(tǒng)

在線路故障保護(hù)系統(tǒng)（見圖6）中同時取樣ADC對于測量高電壓、3相波形也是不可缺少的。被測的慢變化50～60Hz信號可用多路ΣΔ變換器，這種變換器有很高的分辨率而不需要抗混淆濾波器。盡管單個ΣΔ ADC不昂貴，但在這種應(yīng)用中（3個電壓和4個電流）一般需要用幾個ΣΔ ADC，這增加了變換器成本，大約為單個MAX 125的4倍。

基于Coriolis質(zhì)量流量計

Coriolis原理是用低頻振動激勵管子的載面并拾取由注經(jīng)管子的質(zhì)量流所引起的管子變形，電路示于圖7。激勵源一般是振動線圈，而偏轉(zhuǎn)量是用聲音線圈或光學(xué)手段拾取的。在對激勵和拾取信號進(jìn)行比較時，這些偏轉(zhuǎn)量呈現(xiàn)為相位差，而這種相位差可用同時取樣方法檢測。盡管信號頻率相當(dāng)?shù)停ㄒ话銥?0～500Hz），但檢測很小的相移卻需要高速、高分辨率同時取樣ADC。

高頻應(yīng)用

在高頻領(lǐng)域，用同時取樣對來自直接下變頻衛(wèi)星調(diào)諧器IC的I和Q信號進(jìn)行數(shù)字化。商用衛(wèi)星接收機(jī)系統(tǒng)含有一個特殊設(shè)計的雙6位高速（60～90MHz）同時取樣ADC（見圖8）。在碰撞報警和自適應(yīng)巡航控制機(jī)動系統(tǒng)中，用同樣速度的同時取樣可消除中頻級。但是，這種方法需要相當(dāng)昂貴的8位分辨率并行ADC。采用欠取樣技術(shù)可達(dá)到1Msps以下的類似結(jié)果。船上雷達(dá)檢測也需要10～30Msps 12位分辨率的同時取樣。這種功能用MAX1424系列中的任意兩種（根據(jù)速度要求）都可實現(xiàn)，MAX1424可微調(diào)的基準(zhǔn)輸入可調(diào)整系統(tǒng)增益和補(bǔ)償。
結(jié)語

本文所介紹的高速14位同時取樣A/D變換器擴(kuò)展了對兩個或多個波形精確相位測量的應(yīng)用范圍，這是一種經(jīng)濟(jì)合算的方法。