∑-ΔADC應用筆記

　　許多高端工業(yè)應用中，高性能數據采集系統(DAS)與各種傳感器之間需要提供適當的接口電路。如果信號接口要求提供多通道、高精度的幅度和相位信息，這些工業(yè)應用可以充分利用MAX11040等ADC的高動(dòng)態(tài)范圍、同時(shí)采樣以及多通道優(yōu)勢。本文介紹了MAX11040的Σ-Δ架構，以及如何合理選擇設計架構和外部元件，以獲得最佳的系統性能。

本應用筆記旨在幫助設計人員在高性能、多通道數據采集系統(DAS)設計中優(yōu)化工業(yè)傳感器與高性能ADC之間的連接電路。以電網(wǎng)監測系統為例，本文說(shuō)明了使用MAX11040 Σ-Δ ADC的優(yōu)勢以及如何選擇適當的架構和外圍器件，優(yōu)化系統性能。

　　高速、Σ-Δ架構的優(yōu)勢

　　圖1所示為高端三相電力線(xiàn)監視/測量系統，這類(lèi)工業(yè)應用需要以高達117dB的動(dòng)態(tài)范圍、64ksps采樣速率精確地進(jìn)行多通道同時(shí)采集數據。為了獲得最高系統精度，必須正確處理來(lái)自傳感器(例如，圖1中的CT、PT變壓器)的信號，以滿(mǎn)足ADC輸入量程的要求，從而保證DAS的性能指標滿(mǎn)足不同國家相關(guān)標準的要求。

　　圖1. 基于MAX11040的DAS在電網(wǎng)監控中的應用

　　從圖1可以看到，采用兩片MAX11040 ADC可以同時(shí)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，利用過(guò)采樣/平均處理得到較高的分辨率。每個(gè)ADC通道利用其專(zhuān)有的電容開(kāi)關(guān)Σ-Δ調制器進(jìn)行模/數轉換。該調制器將輸入信號轉換成低分辨率的數字信號，它的平均值代表輸入信號的量化信息，時(shí)鐘頻率為24.576MHz時(shí)對應的采樣率為3.072Msps。數據流被送入內部數字濾波器處理，消除高頻噪聲。處理完成后可以得到高達24位的分辨率。

　　MAX11040為4通道同時(shí)采樣ADC，其輸出數據是處理后的平均值，這些數值不能像逐次逼近(SAR) ADC的輸出那樣被看作是采樣“瞬間”的數值1,2。

　　MAX11040能夠為設計人員提供SAR架構所不具備的諸多功能和特性，包括：1ksps采樣率下高達117dB的動(dòng)態(tài)范圍;積分非線(xiàn)性和微分非線(xiàn)性(INL、DNL)也遠遠優(yōu)于SAR ADC;獨特的采樣相位(采樣點(diǎn))調節能夠從內部補償外部電路(驅動(dòng)器、變壓器、輸入濾波器等)引入的相位偏移。

　　另外，MAX11040集成一個(gè)數字低通濾波器，處理每個(gè)調制器產(chǎn)生的數據流，得到無(wú)噪聲、高分辨率的數據輸出。該低通濾波器具有復雜的頻率響應函數，具體取決于可編程輸出數據率。輸入端的阻/容(RC)濾波器結合MAX11040的數字低通濾波器，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數字低通濾波器或表中列出的特性指標的詳細信息，請參考器件數據資料。

　　表1. MAX11040 ADC的關(guān)鍵指標 PartChannelsInput range (VP-P)Resolution (Bits)Speed (ksps, max)SINAD (1ksps) (dB)Input impedance

　　MAX110404±2.22464117High, (130kΩ, approx)

　　電力線(xiàn)應用對ADC性能的要求

　　電力線(xiàn)監控應用中，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(guò)，可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單的低成本方案將±5V或±10V互感器輸出調整到MAX11040較低的輸入量程以?xún)?，電路如圖2所示。

　　連接到通道1的電路代表一個(gè)單端設計，這種配置下，變壓器的一端接地，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器和電容完成信號調理。

　　對于共模噪聲(該噪聲在A(yíng)DC的兩個(gè)輸入端具有相同幅度)比較嚴重的應用場(chǎng)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(xiàn)監控典型應用中的原理框圖，圖中給出了一個(gè)±10V或±5V輸出的變壓器接口。通道4接口電路采用差分設計，通道1采用單端設計。

　　PT和CT測量變壓器相當于低阻互感器(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：變壓器相當于一個(gè)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(gè)50Ω輸出阻抗的低失真函數發(fā)生器代替，如圖3所示。MAX11040的輸入阻抗與時(shí)鐘速率、ADC輸入電容有關(guān)。連接適當的旁路電容C3，設定XIN時(shí)鐘頻率 = 24.576MHz，則得到輸入阻抗RIN等于130kΩ ±15%，誤差取決于內部輸入電容的波動(dòng)。

　　R1、R2組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò )將±10V或±5V輸入信號轉換成ADC要求的±2.2V滿(mǎn)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(mǎn)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(guò)載。同時(shí)，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(lèi)似方法進(jìn)行差分輸入設計。

　　為保持高精度電阻分壓比和正確的旁路特性，應選取低溫度系數、精度為1%甚至更好的金屬薄膜電阻。電容應選取高精度陶瓷電容或薄膜電容。最好選擇信譽(yù)較好的供應商購買(mǎi)這些元件，例如Panasonic?、Rohm?、Vishay?、Kemet?和AVX?等。

　　MAX11040EVKIT提供了一個(gè)全功能、8通道DAS系統，評估板能夠幫助設計人員加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，例如，驗證圖2中所推薦的原理圖方案。

　　

　　圖3. 基于MAX11040EVKIT的開(kāi)發(fā)系統框圖，需要兩個(gè)精密儀表對測量通道進(jìn)行適當校準。測量結果可以通過(guò)USB發(fā)送到PC機，然后轉換成Excel?文件作進(jìn)一步處理。

　　函數發(fā)生器產(chǎn)生的±5V信號連接到MAX11040的通道2，而另一函數發(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)行相應的調整，使其接近ADC的滿(mǎn)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(dòng)態(tài)范圍(約±2.10VP-P)。該動(dòng)態(tài)范圍限制在0.05%相當高的精度范圍，非常適合MAX11040。有關(guān)精度指標的詳細信息，請參考MAX11040數據資料。

　　表2. 圖3中的電阻和旁路電容計算 VTR

　　±VP-PRTR

　　(Ω)R1

　　(Ω)R2

　　(Ω)RIN

　　(Ω)C3

　　(μF)f

　　(Hz)VIN

　　±VP-PVADC

　　(VRMS)Calibration

　　factor-KCALCalibration

　　factor error (%)

　　Calculations for nominal VTR and standard components (nominal) values

　　105033209091300000.1502.112681.49394.733010.70

　　550249018201300000.1502.070261.463952.415160.99

　　Measured values for VTR, VIN, VINRMS with real components values and tolerances used in the experiment

　　9.8635

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