同時采樣A/D變換器及其應用

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開關使相鄰通道間的串擾最小。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（漂移為30ppm/℃）。

MAX125/126變換器有廣泛的應用，這包括：

·場定向控制，使AC馬達工作如同DC馬達一樣；

·線路故障保護系統(tǒng)中高電壓、三相波形的測量；

·基于Coriolis質量流量計中相位差檢測；

·對衛(wèi)星調諧器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馬達工作如同DC馬達，這是MAX125/126變換器的一種主要應用。DC馬達中的電刷和整流子組合件保證場（定子）電流對轉子電流總是保持正確的角度。這就是可說的場定向，這一條件可使轉子產(chǎn)生所標定的最大轉矩兩個元素分離開來和對它們進行直接控制，使場定向能為馬達提供快速和精確的動態(tài)響應。為了改變馬達轉矩，需要改變轉子電流分量Iq，Iq決定產(chǎn)生的轉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直接測量轉子角，是用安裝在馬達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差角。在AC異步馬達中，轉子中的轉動場使轉子與定子場以相同的方向轉動，但角頻率較低。其頻率之間的差稱之為轉差頻率，而它們之間的角度稱之為轉差角。轉子角頻率加轉差頻率給出所需的定子頻率。所以，頻率是這種控制技術的副產(chǎn)品而不是控制變量。

無傳感器FOC倍受關注，特別是一些啟用中不能從轉子直接信號反饋情況，需要無傳感器FOC。例如，海上石油鉆機的水下泵和其他系統(tǒng)，其馬達和驅動電子裝置離的很遠。無傳感器FOC和直接、間接FOC不同，它在馬達的定子端執(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對兩個轉子相電流ib和ic進行數(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（3個相電流是120°相位差、瞬時相加值為0）中推導出來。3個電流然后通過Clarke變換技術變換為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正交系統(tǒng)，此系統(tǒng)用等效于轉子電流id和iq的磁場與轉矩分量d和q表示。α/β坐標系反時鐘轉動，以與轉子矢通量軸線ψr對齊。轉角θ由Park座標變換轉動的馬達模型決定。Park變換把電流表示為DC量，這大大地降低了系統(tǒng)的復雜性。把轉子矢通量角θ與從Park變換所得到的電流結合起來就得到實際的馬達場和轉矩。由于能對基準轉矩和測量的轉矩進行比較，Park變換在控制環(huán)路中起主要作用。得到所希望的轉矩和矢通量之后，Park反變換首先把基準轉矩和場電流（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系電流ia、ib和ic。所有的變換都由DSP執(zhí)行。微處理器進行控制和輸入命令的實時執(zhí)行。

線路故障保護系統(tǒng)

在線路故障保護系統(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，而偏轉量是用聲音線圈或光學手段拾取的。在對激勵和拾取信號進行比較時，這些偏轉量呈現(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?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。

高頻應用

在高頻領域，用同時取樣對來自直接下變頻衛(wèi)星調諧器IC的I和Q信號進行數(shù)字化。商用衛(wèi)星接收機系統(tǒng)含有一個特殊設計的雙6位高速（60～90MHz）同時取樣ADC（見圖8）。在碰撞報警和自適應巡航控制機動系統(tǒng)中，用同樣速度的同時取樣可消除中頻級。但是，這種方法需要相當昂貴的8位分辨率并行ADC。采用欠取樣技術可達到1Msps以下的類似結果。船上雷達檢測也需要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可微調的基準輸入可調整系統(tǒng)增益和補償。
結語

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