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(多图) 高性能、多通道、同时采样ADC在数据采集系统(DAS)中的设计

21ic?? 2010年12月28日 ?? 收藏0

  引言

  很多先进的工业应用需要使用高性能、多通道、同时采样ADC,例如先进的电力线监控系统(图1)或现代三相电机控制系统(图2)。这些应用需要在大约70dB至90dB (取决于具体应用)较宽的动态范围内实现精确的多通道同时测量。通常要求16ksps甚至更高的采样速率。

  MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在一个封装内集成了8个独立的同时采样输入通道和高速逐次逼近ADC。为了达到器件提供的规格并优化其性能,设计人员必须合理设计系统、选择元器件并提供合理的PCB布局。

  DAS架构的典型示例

  图1中每相电源通过一个电流变压器(CT)和一个电压变压器(PT)进行检测。整个系统包括四对此类结构(三相中的每相对应一对、零线对应一对)。

典型的电网监控应用

图1. 典型的电网监控应用

  通过对同时采样并经过量化的数据进行数字处理计算,可以获取瞬时和平均有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数。

  图2中每个ADC同时采样输入信号,无需复杂的DSP计算,传统算法需要重新调整采样数据,将这些数据组合到同时采样数组。

典型的电机控制系统

图2. 典型的电机控制系统

  影响工业数据采集系统(DAS)的主要噪声和干扰源

  DAS定义了两类噪声/干扰。

  第一类噪声源于内部电子元件,噪声源包括ADC的转换处理噪声和谐波失真、缓冲放大器的噪声和失真,以及基准噪声和稳定性。

  第二类干扰来自于系统外部,包括外部电磁噪声、电源噪声/纹波、I/O口串扰以及数字系统噪声和干扰。

  图3列出了不同的噪声源。

典型的电力线监控板级框图

图3. 典型的电力线监控板级框图,图中显示了影响系统分辨率和精度的不同噪声源和干扰源。

  电力线DAS信号处理链路包含CT、PT测量变压器、抗混叠低通滤波器(LPF)、缓冲放大器、同时采样ADC和中央处理单元(CPU)。

  同时采样ADC是系统的核心电路,用于测量调整在标准工业输入动态范围(如+5V、±5V或±10V)的电压和电流信号。MAX130x、MAX132x和MAX1104x及其衍生产品支持这些扩展测量范围,无需增加任何信号调理电路。

  表1列出了这些器件的1 LSB数值和量化噪声,这些数值按照ADC的分辨率为设计人员提供了DAS能够容许的总噪声和干扰。

  表1. 对应于ADC分辨率的量化值和量化噪声

  ADC 通道数 分辨率 VREF (V) LSB (mV) 量化噪声(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输入的总噪声和纹波应小于? LSB,同时,量化噪声决定了系统的基本噪底。

  注意:有些设计中,仅1mVRMS的总体噪声即可导致整个设计不达标,参考表2。

  表2. 例:未经“校准”的整体噪声导致ADC精度下降

  ADC 通道数 分辨率 输入噪声造成的分辨率损失(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

  元器件选择:DAS信号处理链路

  选择正确的输入缓冲放大器

  MAX130x和MAX132x系列ADC的输入电路具有相当低的阻抗,如图4所示。相应地,大多数应用中,这些器件需要一个输入缓冲器以便达到12位和14位精度。

MAX130x和MAX132x系列ADC的典型输入电路

图4. MAX130x和MAX132x系列ADC的典型输入电路

  为了达到12位至16位精度,选择放大器时需要考虑的关键因素是:适当的带宽、摆率、VP-P输出、低噪声、低失真和低失调。应保持尽可能低的缓冲放大器噪声—远远低于ADC的SNR。放大器的整体失调误差,包括漂移,在整个温度范围内都应小于所要求的精度误差。每个缓冲放大器应根据具体应用精心选择。

  表3给出了几款推荐的高精度运算放大器。对于高精度ADC,不建议使用通用运放,请参考表4。

  表3. 针对不同精度的ADC所推荐的高精度运放

  型号 电源 单位增益 带宽(MHz) 摆率(V/?s) VP-P (V) 失调 (mV,最大值) 噪声密度(nV/√Hz) 说明

  MAX410–MAX412 ±5V 28 4.5 7.2 0.25 2.4 适用于12位至16位分辨率

  MAX4250 +5V 3 0.3 5 0.75 7.9 适用于12位至14位分辨率

  表4. 对于高精度ADC,不推荐使用通用运放 型号 电源 单位增益带宽(MHz) 摆率(V/?s) VP-P (V) 失调(mV,最大值) 噪声密度(nV/√Hz) 说明

  LF411 ±15V 4 15 20 2.0 25 适用于12位以下分辨率

  LM124 ±15V 1.2 0.5 20 3.0 35 适用于11位以下分辨率

  输入滤波电路的要求:MAX11046系列

  MAX11046系列器件采用差分输入结构,这种结构通常不需要输入缓冲放大器(图5)。MAX11046的有效输入阻抗ZIN与输入电容、采样频率有关:

  ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)

  式中,FSAMPLE为采样频率,CIN = 15pF。

  随着采样频率的降低,输入阻抗将增大:

  250ksps时为266kΩ25ksps时为2.66MΩ

MAX11046系列器件的简化输入电路

图5. MAX11046系列器件的简化输入电路

  MAX11046系列产品具有极高的输入阻抗,可以直接与低阻传感器连接,例如,CT和PT测量变压器阻抗相对较低(10Ω至50Ω),因此,可以直接通过简单的低通滤波器连接到MAX11046输入级。

  表5给出了低频应用,如电网监控或电机控制,所要求的最大RSOURCE设计值。

  表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE设计值

  CEXTERNAL (pF) FSAMPLE(ksps) 0 100 300 1000 3000 RSOURCE (Ω)

  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


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ADC? DAS? MAX11046? 低通滤波器?

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