利用ADC對工業(yè)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號調(diào)理
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本應(yīng)用筆記旨在幫助設(shè)計人員在高性能、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)設(shè)計中優(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)測系統(tǒng)為例，本文說明了使用MAX11040 Σ-Δ ADC的優(yōu)勢以及如何選擇適當(dāng)?shù)募軜?gòu)和外圍器件，優(yōu)化系統(tǒng)性能。
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?。如果信號接口要求提?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/多通道">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的高動態(tài)范圍、同時采樣以及多通道優(yōu)勢。本文介紹了MAX11040的Σ-Δ架構(gòu)，以及如何合理選擇設(shè)計架構(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
圖1所示為高端三相電力線監(jiān)視/測量系統(tǒng)，這類工業(yè)應(yīng)用需要以高達(dá)117dB的動態(tài)范圍、64ksps采樣速率精確地進(jìn)行多通道同時采集數(shù)據(jù)。為了獲得最高系統(tǒng)精度，必須正確處理來自傳感器(例如，圖1中的CT、PT變壓器)的信號，以滿足ADC輸入量程的要求，從而保證DAS的性能指標(biāo)滿足不同國家相關(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可以同時測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)，利用過采樣/平均處理得到較高的分辨率。每個ADC通道利用其專有的電容開關(guān)Σ-Δ調(diào)制器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。該調(diào)制器將輸入信號轉(zhuǎn)換成低分辨率的數(shù)字信號，它的平均值代表輸入信號的量化信息，時鐘頻率為24.576MHz時對應(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的動態(tài)范圍；積分非線性和微分非線性(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)動器、變壓器、輸入濾波器等)引入的相位偏移。
另外，MAX11040集成一個數(shù)字低通濾波器，處理每個調(diào)制器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，得到無噪聲、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輸入信號通道抗混疊濾波器的設(shè)計難度，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，請參考器件數(shù)據(jù)資料。
表1. MAX11040 ADC的關(guān)鍵指標(biāo)
| Part | Channels | Input range (VP-P) | Resolution (Bits) | Speed (ksps, max) | SINAD (1ksps) (dB) | Input impedance |
| MAX11040 | 4 | ±2.2 | 24 | 64 | 117 | High, (130kΩ, approx) |
電力線應(yīng)用對ADC性能的要求
電力線監(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(VP-P)。而MAX11040的輸入量程為±2.2VP-P，低于CT和PT互感器的典型輸出。不過，可以利用一個簡單的低成本方案將±5V或±10V互感器輸出調(diào)整到MAX11040較低的輸入量程以內(nèi)，電路如圖2所示。
連接到通道1的電路代表一個單端設(shè)計，這種配置下，變壓器的一端接地，通過一個簡單的電阻分壓器和電容完成信號調(diào)理。
對于共模噪聲(該噪聲在ADC的兩個輸入端具有相同幅度)比較嚴(yán)重的應(yīng)用場合，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在電力線監(jiān)控典型應(yīng)用中的原理框圖，圖中給出了一個±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，通道1采用單端設(shè)計。
PT和CT測量變壓器相當(dāng)于低阻互感器(等效阻抗RTR通常在10Ω至100Ω量級)。為方便計算，以下示例中假設(shè)：變壓器相當(dāng)于一個有效輸出電阻RTR = 50Ω的電壓源；為便于演示，變壓器可以由一個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時鐘頻率 = 24.576MHz，則得到輸入阻抗RIN等于130kΩ ±15%，誤差取決于內(nèi)部輸入電容的波動。
R1、R2組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將±10V或±5V輸入信號轉(zhuǎn)換成ADC要求的±2.2V滿量程范圍(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變壓器輸出過載。同時，R2阻值還要足夠小，以避免影響ADC的輸入阻抗(R2 RIN)。
對于單端設(shè)計，圖2中MAX11040通道1的輸入電壓VIN(f)，可以利用式1計算：
(式1)
式中：
VTR是CT和PT變壓器的輸出電壓。
RTR是變壓器的等效阻抗。
R1、R2構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。
RIN是MAX11040的輸入阻抗。
R2llRIN是R2和RIN的并聯(lián)阻抗。
C3為輸入旁路電容。
f是輸入信號頻率。
VIN(f)是MAX11040的輸入電壓。
可以利用類似方法進(jìn)行差分輸入設(shè)計。
為保持高精度電阻分壓比和正確的旁路特性，應(yīng)選取低溫度系數(shù)、精度為1%甚至更好的金屬薄膜電阻。電容應(yīng)選取高精度陶瓷電容或薄膜電容。最好選擇信譽(yù)較好的供應(yīng)商購買這些元件，例如Panasonic?、Rohm?、Vishay?、Kemet?和AVX?等。
MAX11040EVKIT提供了一個全功能、8通道DAS系統(tǒng)，評估板能夠幫助設(shè)計人員加快產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程，例如，驗(yàn)證圖2中所推薦的原理圖方案。
圖3. 基于MAX11040EVKIT的開發(fā)系統(tǒng)框圖，需要兩個精密儀表對測量通道進(jìn)行適當(dāng)校準(zhǔn)。測量結(jié)果可以通過USB發(fā)送到PC機(jī)，然后轉(zhuǎn)換成Excel?文件作進(jìn)一步處理。
函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的±5V信號連接到MAX11040的通道2，而另一函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的±10V信號連接到MAX11040的輸入通道1。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R1/R2和R3/R4對±5V或±10V輸入進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使其接近ADC的滿量程范圍(FSR = ±2.2VP-P)。
電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R1和R2的取值以及旁路電容C1和C2的取值如表2所示，均由式1計算得到，接近最佳的輸入動態(tài)范圍(約±2.10VP-P)。該動態(tài)范圍限制在0.05%相當(dāng)高的精度范圍，非常適合MAX11040。有關(guān)精度指標(biāo)的詳細(xì)信息，請參考MAX11040數(shù)據(jù)資料。
表2. 圖3中的電阻和旁路電容計算
| VTR ±VP-P | RTR (Ω) | R1 (Ω) | R2 (Ω) | RIN (Ω) | C3 (μF) | f (Hz) | VIN ±VP-P | VADC (VRMS) | Calibration factor-KCAL | Calibration factor error (%) |
| Calculations for nominal VTR and standard components (nominal) values | ||||||||||
| 10 | 50 | 3320 | 909 | 130000 | 0.1 | 50 | 2.11268 | 1.4939 | 4.73301 | 0.70 |
| 5 | 50 | 2490 | 1820 | 130000 | 0.1 | 50 | 2.07026 | 1.46395 | 2.41516 | 0.99 |
| Measured values for VTR, VIN, VINRMS with real components values and tolerances used in the experiment | ||||||||||
| 9.863 | 50 ± 10% | 3320 ± 1% | 909 ± 1% | 130000 ± 15% | 0.1 ± 10% | 50 | 2.09872 | 1.483899 | 4.699912 | 0 |
| 4.932 | 50 ± 10% | 2490 ± 1% | 1820 ± 1% | 130000 ± 15% | 0.1 ± 10% | 50 | 2.06151 | 1.45833 | 2.3914 | 0 |
| 0 | 50 ± 10% | 2490 ± 1% | 1820 ± 1% | 130000 ± 15% | 0.1 ± 10% | 50 | 0 | 0.00048 | NA | NA |
表2列出的計算值均來自式1的計算結(jié)果和圖3定義的精確測量。表格頂部給出了式1在標(biāo)稱輸入電壓下的理論計算結(jié)果，選擇標(biāo)準(zhǔn)的分立元件。表2底部給出了演示系統(tǒng)中實(shí)際測量的元件值以及測試誤差，同時還給出了用于FSR校準(zhǔn)和計算得到的KCAL系數(shù)，計算公式如下：
校準(zhǔn)系數(shù)KCAL按照式2計算：
KCAL = VTRMAX/(VADCMAX - VADC0) (式2)
式中：
VTRMAX是輸入最大值，分別代表±5V或±10V輸入信號。
VADCMAX是測量、處理后的ADC值，MAX11040評估板設(shè)置與圖3相同，輸入信號設(shè)置為VTRMAX。
VADC0是測量、處理后的ADC值，MAX11040評估板設(shè)置與圖3相同，輸入信號設(shè)置為VIN = 0 (系統(tǒng)零失調(diào)測量)。
KCAL (本實(shí)驗(yàn)中)是針對特別通道的校準(zhǔn)系數(shù)，根據(jù)VADC計算輸入信號VTR。
KCAL誤差計算顯示只基于標(biāo)稱值的KCAL“理論值”可能與基于實(shí)際測量值計算的KCAL之間存在1%左右的誤差。
所以，只是依靠理論計算還不足以支持實(shí)際要求；如果設(shè)計中需要達(dá)到EU IEC 62053標(biāo)準(zhǔn)要求的0.2%精度，就必須對每個測量通道進(jìn)行滿量程(FSR)校準(zhǔn)。
表3所示結(jié)果驗(yàn)證了? FSR輸入信號的測量。利用高精度HP3458A萬用表測量數(shù)據(jù)，利用式2中的校準(zhǔn)系數(shù)KCAL得到ADC測量值和計算值。
表3. 驗(yàn)證? FSR輸入信號對應(yīng)的測量結(jié)果
| Generator | Generator | MAX11040 | Calculation | Verr | Requirements |
| Nominal signal (? FSR) | VTR_m - signal measured by HP3458A | VIN measured by ADC | VTR_C = VIN × KCAL | (VTR_M - VTR_C) × (100/VTR_C) | IEC 62053 |
| (VP-P) | (VRMS) | (VRMS) | (VRMS) | (%) | (%) |
| Channel 1: ±5.000 | 3.4892 | 0.74259 | 3.490126 | -0.026544 | 0.2 |
| Channel 2: ±2.500 | 1.7471 | 0.7307 | 1.747384 | -0.016265 | 0.2 |
表3中的VTR_M表示輸入? FSR信號時的測量值，而VTR_C表示基于MAX11040測量值和KCAL處理、計算得到的數(shù)值。
結(jié)果顯示調(diào)理后的電路測量誤差VERR低于0.03%，可輕松滿足EU IEC 62053規(guī)范要求的0.2%精度指標(biāo)。
圖4. MAX11040EVKIT
GUI允許用戶方便地設(shè)置各種測量條件：12.8ksps、256采樣點(diǎn)/周期和1024次轉(zhuǎn)換。此外，GUI的計算部分提供了一個進(jìn)行快速工程運(yùn)算的便捷工具。
測量結(jié)果也可以通過USB口傳送到PC端，從而利用強(qiáng)大的(而且免費(fèi))的Excel進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析。
結(jié)論
MAX11040等高性能多通道同時采樣、Σ-Δ ADC非常適合工業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這些新型ADC設(shè)計能夠提供高達(dá)117dB的動態(tài)范圍，有效改善積分非線性和微分非線性，采樣速率高達(dá)64ksps。選擇適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/信號調(diào)理">信號調(diào)理電路，MAX11040能夠滿足甚至優(yōu)于高級“智能”電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的指標(biāo)要求1。
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