高性能/多通道ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中的應(yīng)用

高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中的設(shè)計(jì)

摘要：本文將幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)高性能、多通道、同時(shí)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(shí)采樣ADC。本文給出的測試數(shù)據(jù)說明了遵循設(shè)計(jì)要點(diǎn)能夠?yàn)橄到y(tǒng)帶來的各項(xiàng)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(shí)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(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的多通道同時(shí)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(gè)封裝內(nèi)集成了8個(gè)獨(dú)立的同時(shí)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(jì)人員必須合理設(shè)計(jì)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(gè)電流變壓器(CT)和一個(gè)電壓變壓器(PT)進(jìn)行檢測。整個(gè)系統(tǒng)包括四對(duì)此類結(jié)構(gòu)(三相中的每相對(duì)應(yīng)一對(duì)、零線對(duì)應(yīng)一對(duì))。

通過對(duì)同時(shí)采樣并經(jīng)過量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理計(jì)算，可以獲取瞬時(shí)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(gè)ADC同時(shí)采樣輸入信號(hào)，無需復(fù)雜的DSP計(jì)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(shí)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(jí)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(hào)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(shí)采樣ADC和中央處理單元(CPU)。

同時(shí)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(dòng)態(tài)范圍(如+5V、±5V或±10V)的電壓和電流信號(hào)。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(hào)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(jì)人員提供了DAS能夠容許的總噪聲和干擾。

表1. 對(duì)應(yīng)于ADC分辨率的量化值和量化噪聲

元器件選擇：DAS信號(hào)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?，如圖4所示。相應(yīng)地，大多數(shù)應(yīng)用中，這些器件需要一個(gè)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(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素是：適當(dāng)?shù)膸挕[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(gè)溫度范圍內(nèi)都應(yīng)小于所要求的精度誤差。每個(gè)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(yùn)算放大器。對(duì)于高精度ADC，不建議使用通用運(yùn)放，請(qǐng)參考表4。

表3. 針對(duì)不同精度的ADC所推薦的高精度運(yùn)放

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(shí)為266kΩ
25ksps時(shí)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(duì)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(jí)。

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(jì)值。

表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE設(shè)計(jì)值

ADC基準(zhǔn)選擇

基準(zhǔn)的選擇對(duì)于整個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(gè)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(shí)，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(gè)基準(zhǔn)器件可以為多個(gè)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。