高性能/多通道ADC在數據采集系統(DAS)中的應用
加入技術(shù)交流群
高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC在數據采集系統(DAS)中的設計
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/154123.htm摘要：本文將幫助設計人員實(shí)現高性能、多通道、同時(shí)采樣的數據采集系統(DAS)。介紹了元器件的合理選擇及其PCB布線(xiàn)，以?xún)?yōu)化系統性能。Maxim的MAX1308、MAX1320和MAX11046是極具特色的同時(shí)采樣ADC。本文給出的測試數據說(shuō)明了遵循設計要點(diǎn)能夠為系統帶來(lái)的各項益處。
引言
很多先進(jìn)的工業(yè)應用需要使用高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC，例如先進(jìn)的電力線(xiàn)監控系統(圖1)或現代三相電機控制系統(圖2)。這些應用需要在大約70dB至90dB (取決于具體應用)較寬的動(dòng)態(tài)范圍內實(shí)現精確的多通道同時(shí)測量。通常要求16ksps甚至更高的采樣速率。
MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在一個(gè)封裝內集成了8個(gè)獨立的同時(shí)采樣輸入通道和高速逐次逼近ADC。為了達到器件提供的規格并優(yōu)化其性能，設計人員必須合理設計系統、選擇元器件并提供合理的PCB布局。
DAS架構的典型示例
圖1. 典型的電網(wǎng)監控應用
圖1中每相電源通過(guò)一個(gè)電流變壓器(CT)和一個(gè)電壓變壓器(PT)進(jìn)行檢測。整個(gè)系統包括四對此類(lèi)結構(三相中的每相對應一對、零線(xiàn)對應一對)。
通過(guò)對同時(shí)采樣并經(jīng)過(guò)量化的數據進(jìn)行數字處理計算，可以獲取瞬時(shí)和平均有功功率、無(wú)功功率、視在功率以及功率因數。
圖2. 典型的電機控制系統
圖2中每個(gè)ADC同時(shí)采樣輸入信號，無(wú)需復雜的DSP計算，傳統算法需要重新調整采樣數據，將這些數據組合到同時(shí)采樣數組。
影響工業(yè)數據采集系統(DAS)的主要噪聲和干擾源
DAS定義了兩類(lèi)噪聲/干擾。
第一類(lèi)噪聲源于內部電子元件，噪聲源包括ADC的轉換處理噪聲和諧波失真、緩沖放大器的噪聲和失真，以及基準噪聲和穩定性。
第二類(lèi)干擾來(lái)自于系統外部，包括外部電磁噪聲、電源噪聲/紋波、I/O口串擾以及數字系統噪聲和干擾。
圖3列出了不同的噪聲源。
圖3. 典型的電力線(xiàn)監控板級框圖，圖中顯示了影響系統分辨率和精度的不同噪聲源和干擾源。
電力線(xiàn)DAS信號處理鏈路包含CT、PT測量變壓器、抗混疊低通濾波器(LPF)、緩沖放大器、同時(shí)采樣ADC和中央處理單元(CPU)。
同時(shí)采樣ADC是系統的核心電路，用于測量調整在標準工業(yè)輸入動(dòng)態(tài)范圍(如+5V、±5V或±10V)的電壓和電流信號。MAX130x、MAX132x和MAX1104x及其衍生產(chǎn)品支持這些擴展測量范圍，無(wú)需增加任何信號調理電路。
表1列出了這些器件的1 LSB數值和量化噪聲，這些數值按照ADC的分辨率為設計人員提供了DAS能夠容許的總噪聲和干擾。
表1. 對應于A(yíng)DC分辨率的量化值和量化噪聲
| ADC | 通道數 | 分辨率 | VREF (V) | LSB (mV) | 量化噪聲(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輸入的總噪聲和紋波應小于½ LSB，同時(shí)，量化噪聲決定了系統的基本噪底。
注意：有些設計中，僅1mVRMS的總體噪聲即可導致整個(gè)設計不達標，參考表2。
表2. 例：未經(jīng)“校準”的整體噪聲導致ADC精度下降
| ADC | 通道數 | 分辨率 | 輸入噪聲造成的 分辨率損失(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 |
元器件選擇：DAS信號處理鏈路
選擇正確的輸入緩沖放大器
MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入電路具有相當低的阻抗，如圖4所示。相應地，大多數應用中，這些器件需要一個(gè)輸入緩沖器以便達到12位和14位精度。
圖4. MAX130x和MAX132x系列ADC的典型輸入電路
為了達到12位至16位精度，選擇放大器時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素是：適當的帶寬、擺率、VP-P輸出、低噪聲、低失真和低失調。應保持盡可能低的緩沖放大器噪聲—遠遠低于A(yíng)DC的SNR。放大器的整體失調誤差，包括漂移，在整個(gè)溫度范圍內都應小于所要求的精度誤差。每個(gè)緩沖放大器應根據具體應用精心選擇。
表3給出了幾款推薦的高精度運算放大器。對于高精度ADC，不建議使用通用運放，請參考表4。
表3. 針對不同精度的ADC所推薦的高精度運放
| 型號 | 電源 | 單位增益 帶寬(MHz) | 擺率(V/µs) | VP-P (V) | 失調 (mV，最大值) | 噪聲密度 (nV/√Hz) | 說(shuō)明 |
| MAX410–MAX412 | ±5V | 28 | 4.5 | 7.2 | 0.25 | 2.4 | 適用于12位至16位分辨率 |
| MAX4250 | +5V | 3 | 0.3 | 5 | 0.75 | 7.9 | 適用于12位至14位分辨率 |
表4. 對于高精度ADC，不推薦使用通用運放
| 型號 | 電源 | 單位增益 帶寬(MHz) | 擺率(V/µs) | VP-P (V) | 失調 (mV，最大值) | 噪聲密度 (nV/√Hz) | 說(shuō)明 |
| LF411 | ±15V | 4 | 15 | 20 | 2.0 | 25 | 適用于12位以下分辨率 |
| LM124 | ±15V | 1.2 | 0.5 | 20 | 3.0 | 35 | 適用于11位以下分辨率 |
輸入濾波電路的要求：MAX11046系列
MAX11046系列器件采用差分輸入結構，這種結構通常不需要輸入緩沖放大器(圖5)。MAX11046的有效輸入阻抗ZIN與輸入電容、采樣頻率有關(guān)：
ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)
式中，FSAMPLE為采樣頻率，CIN = 15pF。
隨著(zhù)采樣頻率的降低，輸入阻抗將增大：
250ksps時(shí)為266kΩ
25ksps時(shí)為2.66MΩ
圖5. MAX11046系列器件的簡(jiǎn)化輸入電路
MAX11046系列產(chǎn)品具有極高的輸入阻抗，可以直接與低阻傳感器連接，例如，CT和PT測量變壓器阻抗相對較低(10Ω至50Ω)，因此，可以直接通過(guò)簡(jiǎn)單的低通濾波器連接到MAX11046輸入級。
表5給出了低頻應用，如電網(wǎng)監控或電機控制，所要求的最大RSOURCE設計值。
表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE設計值
| FSAMPLE (ksps) | 0 | 100 | 300 | 1000 | 3000 | |
| 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 | |
為了保持DAS的精度，選擇正確的RSOURCE和CEXTERNAL非常關(guān)鍵。
RSOURCE電阻必須為金屬膜電阻，精度為1%或更高精度，還應具有較低的溫度系數。建議選擇一些知名廠(chǎng)商(如Panasonic®、ROHM®或Vishay®)提供的元件。
為了達到最佳效果，CEXTERNAL電容應選擇陶瓷電容，推薦電介質(zhì)類(lèi)型為COG (NPO)。這些電容能夠在較寬的溫度和電壓范圍內保持其標稱(chēng)值，Kemet®、AVX®或Samsung®等公司可提供高性?xún)r(jià)比的SMT器件。
ADC基準選擇
基準的選擇對于整個(gè)DAS的性能非常重要，并且與ADC的分辨率和精度要求密切相關(guān)，如上述表1所示。在整個(gè)溫度范圍內保持合理的溫漂和初始精度非常關(guān)鍵。
以MAX11046為例，1 LSB ＝ 62.5µV。MAX11046內部基準的溫漂為±10ppm/°C。在整個(gè)50°C溫度范圍內，基準漂移可達±500ppm或約±2.048mV (±33 LSB)。
在對溫漂要求比較嚴格的應用中，最好使用外部低溫漂基準，如MAX6341 (1ppm/°C)。1ppm/°C的電壓基準在整個(gè)50°C范圍內的漂移只有0.2mV (或±3 LSB)。MAX6341基準的初始精度為4.096 ±0.001，遠遠優(yōu)于MAX11046的內部基準(4.096 ±0.0016)，大大提高了DAS精度和溫度穩定性。
使用外部基準時(shí)，MAX11046的基準輸入電流僅為±10µA。串聯(lián)型基準(如MAX6341)的輸出電流可達10mA，因此，單個(gè)基準器件可以為多個(gè)高性能ADC提供參考，從而消除了不同器件之間的基準差異。
評論