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1、 美信社区：http:/ 利用利用 - - ADC ADC 在工业多通道数据采集系统中进行信号调理在工业多通道数据采集系统中进行信号调理 Joseph Shtargot, Joseph Shtargot, 应用工程师应用工程师 摘要：本应用笔记旨在帮助设计人员在高性能、多通道数据采集系统摘要：本应用笔记旨在帮助设计人员在高性能、多通道数据采集系统(DAS)(DAS)设计中优化设计中优化 工业传感器与高性能工业传感器与高性能ADCADC之间的连接电路。 以电网监测系统为例， 本文说明了使用之间的连接电路。 以电网监测系统为例， 本文说明了使用MAX11040K MAX11040K - - ADC
2、 ADC 的优势以及如何选择适当的架构和外围器件，优化系统性能。的优势以及如何选择适当的架构和外围器件，优化系统性能。 引言引言 许多高端工业应用中，高性能数据采集系统(DAS)与各种传感器之间需要提供适当的接 口电路。如果信号接口要求提供多通道、高精度的幅度和相位信息，这些工业应用可以充分 利用 MAX11040K 等 ADC 的高动态范围、同时采样以及多通道优势。本文介绍了 MAX11040K 的 - 架构，以及如何合理选择设计架构和外部元件，以获得最佳的系统性能。 高速、高速、 - - 架构的优势架构的优势 图 1 所示为高端三相电力线监视/测量系统，这类工业应用需要以高达 117dB
3、的动态范 围、64ksps 采样速率精确地进行多通道同时采集数据。为了获得最高系统精度，必须正确 处理来自传感器(例如，图 1 中的 CT、PT 变压器)的信号，以满足 ADC 输入量程的要求，从 而保证 DAS 的性能指标满足不同国家相关标准的要求。 图 1. 基于 MAX11040K 的 DAS 在电网监控中的应用 美信社区：http:/ 从图 1 可以看到， 采用两片 MAX11040K ADC 可以同时测量交流电的三相及零相的电压和 电流。该 ADC 基于 - 架构，利用过采样/平均处理得到较高的分辨率。每个 ADC 通道利 用其专有的电容开关 - 调制器进行模/数转换。该调制器将输
4、入信号转换成低分辨率的 数字信号， 它的平均值代表输入信号的量化信息， 时钟频率为 24.576MHz 时对应的采样率为 3.072Msps。数据流被送入内部数字滤波器处理，消除高频噪声。处理完成后可以得到高达 24 位的分辨率。 MAX11040K 为 4 通道同时采样 ADC，其输出数据是处理后的平均值，这些数值不能像逐 次逼近(SAR) ADC 的输出那样被看作是采样“瞬间”的数值,。 MAX11040K 能够为设计人员提供 SAR 架构所不具备的诸多功能和特性，包括：1ksps 采 样率下高达 117dB 的动态范围；积分非线性和微分非线性(INL、DNL)也远远优于 SAR ADC；
5、 独特的采样相位(采样点)调节能够从内部补偿外部电路(驱动器、变压器、输入滤波器等) 引入的相位偏移。 另外，MAX11040K 集成一个数字低通滤波器，处理每个调制器产生的数据流，得到无噪 声、高分辨率的数据输出。该低通滤波器具有复杂的频率响应函数，具体取决于可编程输出 数据率。输入端的阻/容(RC)滤波器结合 MAX11040K 的数字低通滤波器，大大降低了 MAX11040K 输入信号通道抗混叠滤波器的设计难度，甚至可以完全省去抗混叠滤波器。表 1 列举了 MAX11040K 的部分特性， 关于 MAX11040K 数字低通滤波器或表中列出的特性指标的详 细信息，请参考器件数据资料。 表
6、 1. MAX11040K ADC 的关键指标 Part Channels Input range (VP-P) Resolution (Bits) Speed (ksps, max) SINAD (1ksps) (dB) Input impedance MAX11040K 4 2.2 24 64 117 High, (130k, approx) 电力线应用对电力线应用对 ADCADC 性能的要求性能的要求 电力线监控应用中，CT (电流)互感器和 PT (电压)互感器输出范围的典型值为：10V 或5V 峰峰值(VP-P)。而 MAX11040K 的输入量程为2.2VP-P，低于 CT 和 P
7、T 互感器的典型 输出。不过，可以利用一个简单的低成本方案将5V 或10V 互感器输出调整到 MAX11040K 较低的输入量程以内，电路如图 2 所示。 连接到通道 1 的电路代表一个单端设计，这种配置下，变压器的一端接地，通过一个简 单的电阻分压器和电容完成信号调理。 对于共模噪声(该噪声在 ADC 的两个输入端具有相同幅度)比较严重的应用场合， 推荐采 用图中通道 4 所示差分连接电路。利用 MAX11040K 的真差分输入大大降低共模噪声的影响。 美信社区：http:/ 图 2. MAX11040K 在电力线监控典型应用中的原理框图，图中给出了一个10V 或5V 输出的变压器接口。通
8、道 4 接口电路采用差分设计，通道 1 采用单端设计。 PT 和 CT 测量变压器相当于低阻互感器(等效阻抗 RTR 通常在 10 至 100 量级)。为 方便计算，以下示例中假设：变压器相当于一个有效输出电阻 RTR = 50 的电压源；为便 于演示， 变压器可以由一个 50 输出阻抗的低失真函数发生器代替， 如图 3 所示。 MAX11040K 的输入阻抗与时钟速率、ADC 输入电容有关。连接适当的旁路电容 C3，设定 XIN 时钟频率 = 24.576MHz，则得到输入阻抗 RIN 等于 130k 15%，误差取决于内部输入电容的波动。 R1、R2 组成的电阻分压网络将10V 或5V 输
9、入信号转换成 ADC 要求的2.2V 满量程 范围(FSR)。为确保该电路工作正常，需要优化 R1 和 R2 电阻值，以及 C1、C2 和 C3 电容的 选择，以满足10V 或5V 输入的要求。电阻 R1 和 R2 必须有足够高的阻抗，避免 CT 和 PT 变压器输出过载。同时，R2 阻值还要足够小，以避免影响 ADC 的输入阻抗(R2 RIN)。 对于单端设计，图 2 中 MAX11040K 通道 1 的输入电压 VIN(f)，可以利用式 1 计算： (式 1) 式中： VTR 是 CT 和 PT 变压器的输出电压。 RTR 是变压器的等效阻抗。 R1、R2 构成电阻分压网络。 RIN 是
10、MAX11040K 的输入阻抗。 R2llRIN 是 R2 和 RIN 的并联阻抗。 C3 为输入旁路电容。 f 是输入信号频率。 VIN(f)是 MAX11040K 的输入电压。 美信社区：http:/ 可以利用类似方法进行差分输入设计。 为保持高精度电阻分压比和正确的旁路特性，应选取低温度系数、精度为 1%甚至更好 的金属薄膜电阻。 电容应选取高精度陶瓷电容或薄膜电容。 最好选择信誉较好的供应商购买 这些元件，例如 Panasonic、Rohm、Vishay、Kemet和 AVX等。 MAX11040EVKIT 提供了一个全功能、8 通道 DAS 系统，评估板能够帮助设计人员加快产 品的
11、开发进程，例如，验证图 2 中所推荐的原理图方案。 图 3. 基于 MAX11040EVKIT 的开发系统框图， 需要两个精密仪表对测量通道进行适当校 准。测量结果可以通过 USB 发送到 PC 机，然后转换成 Excel文件作进一步处理。 函数发生器产生的5V信号连接到MAX11040K的通道2， 而另一函数发生器产生的10V 信号连接到 MAX11040K 的输入通道 1。 电阻分压网络 R1/R2 和 R3/R4 对5V 或10V 输入进 行相应的调整，使其接近 ADC 的满量程范围(FSR = 2.2VP-P)。 电阻分压网络 R1 和 R2 的取值以及旁路电容 C1 和 C2 的取值
12、如表 2 所示， 均由式 1 计算 得到，接近最佳的输入动态范围(约2.10VP-P)。该动态范围限制在 0.05%相当高的精度范 围，非常适合 MAX11040K。有关精度指标的详细信息，请参考 MAX11040K 数据资料。 表 2. 图 3 中的电阻和旁路电容计算 VTR VP-P RTR () R1 () R2 () RIN () C3 (F) f (Hz) VIN VP-P VADC (VRMS) Calibration factor-KCAL Calibration factor error (%) Calculations for nominal VTR and standard
13、 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 美信社区：http:/ 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
14、.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 列出的计算值均来自式 1 的计算结果和图 3 定义的精确测量。 表格顶部给出了式 1 在标称输入电压下的理论计算结果， 选择标准的分立元件。 表 2 底部给出了演示系统中实际 测量的元件值以及测试误差，同时还给出了用于 FSR 校准和计算
15、得到的 KCAL 系数，计算公 式如下： 校准系数 KCAL 按照式 2 计算： KCAL = VTRMAX/(VADCMAX - VADC0) (式 2) 式中： VTRMAX 是输入最大值，分别代表5V 或10V 输入信号。 VADCMAX 是测量、处理后的 ADC 值，MAX11040EVKIT 设置与图 3 相同，输入信号设置为 VTRMAX。 VADC0 是测量、 处理后的 ADC 值， MAX11040EVKIT 设置与图 3 相同， 输入信号设置为 VIN = 0 (系统零失调测量)。 KCAL (本实验中)是针对特别通道的校准系数，根据 VADC 计算输入信号 VTR。 KCAL误差计算显示只基于标称值的KCAL“理论值”可能与基于实际测量值计算的KCAL 之间存在 1%左右的误差。 所以，只是依靠理论计算还不足以支持实际要求；如果设计中需要达到 EU IEC 62053 标准要求的 0.2%精度，就必须对每个测量通道进行满量程(FSR)校准。 表 3 所示结果验证了 F
