同時(shí)采樣A/D變換器及其應用

兩款新型同時(shí)采樣A/D變換器MAX125和MAX126是完整的14位數據采集系統，可以同時(shí)跟蹤和保持8個(gè)輸入中的4個(gè)輸入（見(jiàn)圖1）。板上定序器可通過(guò)編程來(lái)選擇對哪4個(gè)（或少于4個(gè)）通道進(jìn)行數字化。吞吐量速率范圍為250ksps（一個(gè)通道）～76ksps（所有4個(gè)通道）。輸入范圍是±5V（MAX125）和±2.5V（MAX126）。

4個(gè)跟蹤/保持（T/H）級的每一級可在A(yíng)和B輸入間切換，產(chǎn)生8個(gè)可能的輸入通道。圖2示出跟蹤模式的A通道。每個(gè)T/H輸入中的T開(kāi)關(guān)使相鄰通道間的串擾最小。4個(gè)地址引腳選擇通道號和工作模式，每個(gè)輸入電路容許±17V過(guò)壓。該芯片還包含電壓基準（漂移為30ppm/℃）。

MAX125/126變換器有廣泛的應用，這包括：

·場(chǎng)定向控制，使AC馬達工作如同DC馬達一樣；

·線(xiàn)路故障保護系統中高電壓、三相波形的測量；

·基于Coriolis質(zhì)量流量計中相位差檢測；

·對衛星調諧器IC的I和Q信號數字化；

·用在汽車(chē)制造業(yè)的基于雷達碰撞報警系統中，可去掉中頻級。

場(chǎng)定向控制

場(chǎng)定向控制（Field-orieneed control,FOC）使AC馬達工作如同DC馬達，這是MAX125/126變換器的一種主要應用。DC馬達中的電刷和整流子組合件保證場(chǎng)（定子）電流對轉子電流總是保持正確的角度。這就是可說(shuō)的場(chǎng)定向，這一條件可使轉子產(chǎn)生所標定的最大轉矩兩個(gè)元素分離開(kāi)來(lái)和對它們進(jìn)行直接控制，使場(chǎng)定向能為馬達提供快速和精確的動(dòng)態(tài)響應。為了改變馬達轉矩，需要改變轉子電流分量Iq，Iq決定產(chǎn)生的轉矩和保持場(chǎng)或磁化電流分量為常數。從圖3可確定磁化電流：

Id=Vd=jωLm (1)

式中Id:磁化電流分量，Vd：定子電壓，ω：所加電壓角頻率，Lm：轉子的磁化電感。

所以，保持Vd/ω比為常數可在不同速度下保持恒定轉矩。另外，改變定子電壓Vd也可控制速度。盡管Vd電壓不能直接測量，若知道在不同溫度下馬達的三相中的一相輸入電壓VXR、定子電流Is和定子電阻Rs就可推導出Vd:

Vd=VxR-IsRS (2)

場(chǎng)定向控制分為：直接，間接和無(wú)傳感器三類(lèi)。

直接FOC直接測量轉子角，是用安裝在馬達罩中的傳感器測得的。

間接FOC測量速度，用解算器來(lái)測量速度，再對速度積分來(lái)確定轉差角。在A(yíng)C異步馬達中，轉子中的轉動(dòng)場(chǎng)使轉子與定子場(chǎng)以相同的方向轉動(dòng)，但角頻率較低。其頻率之間的差稱(chēng)之為轉差頻率，而它們之間的角度稱(chēng)之為轉差角。轉子角頻率加轉差頻率給出所需的定子頻率。所以，頻率是這種控制技術(shù)的副產(chǎn)品而不是控制變量。

無(wú)傳感器FOC倍受關(guān)注，特別是一些啟用中不能從轉子直接信號反饋情況，需要無(wú)傳感器FOC。例如，海上石油鉆機的水下泵和其他系統，其馬達和驅動(dòng)電子裝置離的很遠。無(wú)傳感器FOC和直接、間接FOC不同，它在馬達的定子端執行所有的測量和計算（見(jiàn)圖4）。從圖4和圖5的向量圖可見(jiàn)：MAX125對兩個(gè)轉子相電流ib和ic進(jìn)行數字化。注意，只需要兩個(gè)相電流，而第3個(gè)相電流ia可以從假設（3個(gè)相電流是120°相位差、瞬時(shí)相加值為0）中推導出來(lái)。3個(gè)電流然后通過(guò)Clarke變換技術(shù)變換為α和β軸的二相正交系統。

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，α軸可等于a軸。兩個(gè)正交電流iα和iβ即可變換為時(shí)間不變的旋轉正交系統，此系統用等效于轉子電流id和iq的磁場(chǎng)與轉矩分量d和q表示。α/β坐標系反時(shí)鐘轉動(dòng)，以與轉子矢通量軸線(xiàn)ψr對齊。轉角θ由Park座標變換轉動(dòng)的馬達模型決定。Park變換把電流表示為DC量，這大大地降低了系統的復雜性。把轉子矢通量角θ與從Park變換所得到的電流結合起來(lái)就得到實(shí)際的馬達場(chǎng)和轉矩。由于能對基準轉矩和測量的轉矩進(jìn)行比較，Park變換在控制環(huán)路中起主要作用。得到所希望的轉矩和矢通量之后，Park反變換首先把基準轉矩和場(chǎng)電流（idref和iqref）反變換為正交定子格式電流idref和iqref)反變換為正交定子坐標系電流ia、ib和ic。所有的變換都由DSP執行。微處理器進(jìn)行控制和輸入命令的實(shí)時(shí)執行。

線(xiàn)路故障保護系統

在線(xiàn)路故障保護系統（見(jiàn)圖6）中同時(shí)取樣ADC對于測量高電壓、3相波形也是不可缺少的。被測的慢變化50～60Hz信號可用多路ΣΔ變換器，這種變換器有很高的分辨率而不需要抗混淆濾波器。盡管單個(gè)ΣΔ ADC不昂貴，但在這種應用中（3個(gè)電壓和4個(gè)電流）一般需要用幾個(gè)ΣΔ ADC，這增加了變換器成本，大約為單個(gè)MAX 125的4倍。

基于Coriolis質(zhì)量流量計

Coriolis原理是用低頻振動(dòng)激勵管子的載面并拾取由注經(jīng)管子的質(zhì)量流所引起的管子變形，電路示于圖7。激勵源一般是振動(dòng)線(xiàn)圈，而偏轉量是用聲音線(xiàn)圈或光學(xué)手段拾取的。在對激勵和拾取信號進(jìn)行比較時(shí)，這些偏轉量呈現為相位差，而這種相位差可用同時(shí)取樣方法檢測。盡管信號頻率相當低（一般為50～500Hz），但檢測很小的相移卻需要高速、高分辨率同時(shí)取樣ADC。

高頻應用

在高頻領(lǐng)域，用同時(shí)取樣對來(lái)自直接下變頻衛星調諧器IC的I和Q信號進(jìn)行數字化。商用衛星接收機系統含有一個(gè)特殊設計的雙6位高速（60～90MHz）同時(shí)取樣ADC（見(jiàn)圖8）。在碰撞報警和自適應巡航控制機動(dòng)系統中，用同樣速度的同時(shí)取樣可消除中頻級。但是，這種方法需要相當昂貴的8位分辨率并行ADC。采用欠取樣技術(shù)可達到1Msps以下的類(lèi)似結果。船上雷達檢測也需要10～30Msps 12位分辨率的同時(shí)取樣。這種功能用MAX1424系列中的任意兩種（根據速度要求）都可實(shí)現，MAX1424可微調的基準輸入可調整系統增益和補償。
結語(yǔ)

本文所介紹的高速14位同時(shí)取樣A/D變換器擴展了對兩個(gè)或多個(gè)波形精確相位測量的應用范圍，這是一種經(jīng)濟合算的方法。