引言

許多高端工業(yè)應(yīng)用采用了高性能、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，用于處理高精度工業(yè)傳感器產(chǎn)生的實(shí)際信號(hào)，有些復(fù)雜系統(tǒng)需要使用高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC，例如：MAX11046、MAX1320、MAX1308等。

首先，我們考慮圖1所示一款高端三相電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這類(lèi)工業(yè)應(yīng)用需要在高達(dá)90dB (取決于具體應(yīng)用)的動(dòng)態(tài)范圍、64ksps典型采樣率的條件下精確地同時(shí)采集多通道數(shù)據(jù)。為了獲得最高系統(tǒng)精度，必須正確處理來(lái)自傳感器(圖1中的CT、PT變壓器)的信號(hào)，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(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。


圖1. 基于MAX11046、MAX1320、MAX1308的DAS在電網(wǎng)監(jiān)控中的典型應(yīng)用

SAR ADC在工業(yè)DAS中的作用

如圖1所示，MAX11046、MAX1320及MAX1308可同時(shí)測(cè)量三相及零相電壓和電流，每款A(yù)DC均采用逐次逼近寄存器(SAR)架構(gòu)。從其名稱即可看出，SAR ADC采用的是對(duì)半查找法則(逐次逼近)。MAX11046、MAX1320和MAX1308均提供高速轉(zhuǎn)換(8通道的每通道高達(dá)250ksps)，支持瞬態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)，并具有靈活的±10V、±5V或0至5V接口。表1列出了部分Maxim的SAR ADC產(chǎn)品的典型特性，如需了解詳細(xì)信息，請(qǐng)參考每款型號(hào)的數(shù)據(jù)資料。

表1. 高性能、多通道SAR ADC產(chǎn)品的典型特性

Part	Channels	Input Range (V)	Resolution (Bits)	Speed (ksps, max)	SINAD (dB)	Input Impedance
MAX1304	?	0 to 5	?	?	?	?
MAX1308	?	±5	12	456	71	?
MAX1312	?	±10	?	?	?	Medium, (approx 2kΩ)
MAX1316	8	0 to 5	?	?	?
MAX1320	?	±5	14	250	76.5	?
MAX1324	?	±10	?	?	?	?
MAX11046	?	±5	16	250	91.4	Very high (in 10s of MΩ); mostly capacitive

CT、PT (傳感器)變壓器的典型輸出為±10VP-P或±5VP-P。如表1所示，MAX130x和MAX132x系列ADC可支持這些范圍，MAX11046的輸入范圍只適用于±5V的變壓器常用輸入范圍。

MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入阻抗較低，在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中需要增加輸入緩沖器和低通濾波器(圖2)，以保證12位至14位的精度。

注：如需了解有關(guān)高階、連續(xù)時(shí)間低通濾波器的設(shè)計(jì)信息，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記733：“A Filter Primer”和應(yīng)用筆記738：“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。Maxim還提供MAX9943/MAX9944或MAX4493/MAX4494/MAX4495等高精度運(yùn)算放大器，非常適合這些應(yīng)用。


圖2. 采用MAX130x和MAX132x系列ADC構(gòu)建的電力線監(jiān)控系統(tǒng)板級(jí)框圖，圖中需要一個(gè)有源低通濾波器連接CT和PT變壓器。

MAX11046提供可選擇的有源輸入緩沖器/低通濾波器，MAX11046具有非常高的輸入阻抗，可直接連接到特定傳感器(參見(jiàn)表1)。以CT、PT測(cè)量變壓器為代表的低阻傳感器(等效阻抗RTRANS在10Ω至100Ω量級(jí))，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的RC模擬前端(AFE)直接連接到MAX11046輸入端。如果測(cè)量信號(hào)頻帶內(nèi)的50Hz/60Hz混疊噪聲較低，由輸入RC電路構(gòu)成的低通濾波器即可滿足要求。

圖3給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的高性價(jià)比解決方案，使得MAX11046能夠支持±5V或±10V輸入范圍。


圖3. MAX11046在典型電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用中的板級(jí)框圖，圖中通道1連接±5V變壓器，通道8連接±10V變壓器。

考慮圖3所示輸入電路，需要特別注意R1、C1、Rd和C2參數(shù)的選擇。1:1電阻分壓器(Rd1 = Rd2 = Rd)作為PT和CT變壓器負(fù)載將會(huì)引入增益誤差，圖3所示電路的增益誤差可由式1計(jì)算：

增益誤差% = (1 - 2 × Rd/(2 × Rd + RTRANS)) × 100

(式1)

式中：
Rd為分壓器阻抗。
RTRANS為變壓器阻抗。

電阻值對(duì)增益誤差的影響如表2所示。

表2. 阻值對(duì)增益誤差的影響

RTRANS (Ω)	Rd (Ω)	Gain Error (%)	Resistor Tolerance (%)
50	20000	0.12	0.05
50	15000	0.17	0.05
50	10000	0.25	0.10
50	6980	0.36	0.10
50	4990	0.50	0.10

表2數(shù)據(jù)表明，為了保持低增益誤差，必須使用精密電阻。最好選擇金屬膜電阻，這種電阻具有低溫漂(tempco)，誤差要求如表2所示，建議從Tyco或Vishay等廠商采購(gòu)元件。

MAX5491提供了一種優(yōu)異的電阻分壓方案，它在一個(gè)封裝內(nèi)集成了兩個(gè)精確匹配的電阻。


圖4. MAX5491精確匹配電阻分壓器的典型工作電路

MAX5491的電阻比具有極低溫漂，在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)溫漂保持在2ppm/°C以內(nèi)，其端到端電阻為30kΩ，能夠提供并保持0.17%的增益誤差(參見(jiàn)表2)。

MAX11046評(píng)估(EV)板提供完備的8通道DAS，幫助設(shè)計(jì)工程師快速完成圖3推薦的設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證。

圖5給出了基于MAX11046EVKIT的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)裝置。


圖5. 基于MAX11046評(píng)估板的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)框圖，從圖中可以看出：只需極少的外部元件即可進(jìn)行高精度電路測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過(guò)USB口送入PC機(jī)并轉(zhuǎn)換成Excel?文件，以待進(jìn)一步處理。

圖5所示，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的擺幅為±5V的信號(hào)通過(guò)R1和C1濾波后發(fā)送到MAX11046的通道1輸入端，R1和C1取值須滿足ADC采樣時(shí)間的要求，可以由式2求得：

R1MAX = (1/FSAMPLE - TCONV)/K(C1 + CSAMPLE)

(式2)

式中：
R1MAX為最大源阻抗。
FSAMPLE為采樣率。
TCONV為ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間(MAX11046的典型值為3μs)。
K為RC時(shí)間常數(shù)，須滿足ADC分辨率的要求(16位ADC，時(shí)間常數(shù)選擇為12)。
CSAMPLE為內(nèi)部采樣電容(MAX11046的采樣電容約為20pF)。

從式2計(jì)算得到，采樣率為2.5ksps時(shí)，R1MAX約為12.1kΩ、C1 = 2700pF。在設(shè)計(jì)限制的范圍內(nèi)，選擇R1 = 10.0kΩ。C1 = 2700pF，大于CSAMPLE 100倍，能夠?yàn)閮?nèi)部采樣電容提供足夠的電荷支持。

圖5中，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的擺幅為±10V的信號(hào)通過(guò)Rd分壓器和C2發(fā)送到MAX11046的輸入通道8，Rd = 20.0kΩ，從表2可以看出，這將產(chǎn)生大約0.12%的增益誤差。該指標(biāo)符合歐盟(EU)通用標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053對(duì)高精度電表測(cè)試設(shè)備的精度要求(0.2%級(jí)精度)。

上述測(cè)量的評(píng)估板設(shè)置如圖6所示。


圖6. MAX11046評(píng)估板的GUI，便于設(shè)計(jì)人員選擇不同的測(cè)量條件，這里選擇2.5ksps采樣率和4096個(gè)采樣點(diǎn)。


圖7. 用Excel軟件進(jìn)行仿真，示波器波形顯示了恢復(fù)后經(jīng)過(guò)調(diào)理(分壓和濾波)的來(lái)自函數(shù)發(fā)生器的±10V輸入信號(hào)(參見(jiàn)圖5中的框圖)。

按照?qǐng)D5所示電路的要求搭建測(cè)試裝置，可以得到高精度測(cè)量結(jié)果，如表3所示。

表3. 圖5所示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果

Generator Signal (VP-P)	Measured Parameters from Processed Excel Files
	RMS (gen, VRMS)	RMS (meas, VRMS)	RMS Error (%)	Req (%)
Channel 1, ±4.950	3.50018	3.49704	0.08961	0.20
Channel 8, ±9.900	7.00036	3.49695	0.09227	0.20

從表3可以看出所測(cè)量的RMS (meas)是對(duì)發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號(hào)RMS (gen)進(jìn)行測(cè)量、處理后的結(jié)果，結(jié)果顯示信號(hào)調(diào)理電路的RMS測(cè)試誤差近似為0.09%，完全符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053對(duì)電表測(cè)量設(shè)備的精度要求(0.2%)。

結(jié)論

MAX130x、MAX132x和MAX11046等高性能、多通道同時(shí)采樣ADC非常適合現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對(duì)DAS的需求。正確選擇信號(hào)調(diào)理電路，可以獲得優(yōu)于歐盟標(biāo)準(zhǔn)和智能電網(wǎng)監(jiān)控高級(jí)規(guī)范要求的參數(shù)指標(biāo)。

其它參考資料，參見(jiàn)應(yīng)用筆記4595：“利用高性能同時(shí)采樣ADC降低高級(jí)電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本”。