同时采样ADC在DAS传感器信号调理中的应用及分析
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引言
许多高端工业应用采用了高性能、多通道数据采集系统(DAS)，用于处理高精度工业传感器产生的实际信号，有些复杂系统需要使用高性能、多通道、同时采样ADC，例如：MAX11046、MAX1320、MAX1308等。
首先，我们考虑图1所示一款高端三相电力线监测系统，这类工业应用需要在高达90dB (取决于具体应用)的动态范围、64ksps典型采样率的条件下精确地同时采集多通道数据。为了获得最高系统精度，必须正确处理来自传感器(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MAX11046、MAX1320、MAX1308的DAS在电网监控中的典型应用
SAR ADC在工业DAS中的作用
如图1所示，MAX11046、MAX1320及MAX1308可同时测量三相及零相电压和电流，每款ADC均采用逐次逼近寄存器(SAR)架构。从其名称即可看出，SAR ADC采用的是对半查找法则(逐次逼近)。MAX11046、MAX1320和MAX1308均提供高速转换(8通道的每通道高达250ksps)，支持瞬态信号监测，并具有灵活的±10V、±5V或0至5V接口。表1列出了部分Maxim的SAR ADC产品的典型特性，如需了解详细信息，请参考每款型号的数据资料。
表1. 高性能、多通道SAR ADC产品的典型特性
| 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 (传感器)变压器的典型输出为±10VP-P或±5VP-P。如表1所示，MAX130x和MAX132x系列ADC可支持这些范围，MAX11046的输入范围只适用于±5V的变压器常用输入范围。
MAX130x和MAX132x系列ADC的输入阻抗较低，在电网监控系统中需要增加输入缓冲器和低通滤波器(图2)，以保证12位至14位的精度。
注：如需了解有关高阶、连续时间低通滤波器的设计信息，请参考应用笔记733：“A Filter Primer”和应用笔记738：“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。Maxim还提供MAX9943/MAX9944或MAX4493/MAX4494/MAX4495等高精度运算放大器，非常适合这些应用。
图2. 采用MAX130x和MAX132x系列ADC构建的电力线监控系统板级框图，图中需要一个有源低通滤波器连接CT和PT变压器。
MAX11046提供可选择的有源输入缓冲器/低通滤波器，MAX11046具有非常高的输入阻抗，可直接连接到特定传感器(参见表1)。以CT、PT测量变压器为代表的低阻传感器(等效阻抗RTRANS在10Ω至100Ω量级)，可以通过简单的RC模拟前端(AFE)直接连接到MAX11046输入端。如果测量信号频带内的50Hz/60Hz混叠噪声较低，由输入RC电路构成的低通滤波器即可满足要求。
图3给出了一个简单的高性价比解决方案，使得MAX11046能够支持±5V或±10V输入范围。
图3. MAX11046在典型电网监控应用中的板级框图，图中通道1连接±5V变压器，通道8连接±10V变压器。
考虑图3所示输入电路，需要特别注意R1、C1、Rd和C2参数的选择。1:1电阻分压器(Rd1 = Rd2 = Rd)作为PT和CT变压器负载将会引入增益误差，图3所示电路的增益误差可由式1计算：
增益误差% = (1 - 2 × Rd/(2 × Rd + RTRANS)) × 100 (式1)
式中：
Rd为分压器阻抗。
RTRANS为变压器阻抗。
电阻值对增益误差的影响如表2所示。
表2. 阻值对增益误差的影响
| 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数据表明，为了保持低增益误差，必须使用精密电阻。最好选择金属膜电阻，这种电阻具有低温漂(tempco)，误差要求如表2所示，建议从Tyco或Vishay等厂商采购元件。
MAX5491提供了一种优异的电阻分压方案，它在一个封装内集成了两个精确匹配的电阻。
图4. MAX5491精确匹配电阻分压器的典型工作电路
MAX5491的电阻比具有极低温漂，在-40°C至+85°C温度范围内温漂保持在2ppm/°C以内，其端到端电阻为30kΩ，能够提供并保持0.17%的增益误差(参见表2)。
MAX11046评估(EV)板提供完备的8通道DAS，帮助设计工程师快速完成图3推荐的设计方案验证。
图5给出了基于MAX11046EVKIT的开发系统装置。
图5. 基于MAX11046评估板的开发系统框图，从图中可以看出：只需极少的外部元件即可进行高精度电路测试，测试结果通过USB口送入PC机并转换成Excel®文件，以待进一步处理。
图5所示，函数发生器产生的摆幅为±5V的信号通过R1和C1滤波后发送到MAX11046的通道1输入端，R1和C1取值须满足ADC采样时间的要求，可以由式2求得：
R1MAX = (1/FSAMPLE - TCONV)/K(C1 + CSAMPLE) (式2)
式中：
R1MAX为最大源阻抗。
FSAMPLE为采样率。
TCONV为ADC转换时间(MAX11046的典型值为3µs)。
K为RC时间常数，须满足ADC分辨率的要求(16位ADC，时间常数选择为12)。
CSAMPLE为内部采样电容(MAX11046的采样电容约为20pF)。
从式2计算得到，采样率为2.5ksps时，R1MAX约为12.1kΩ、C1 = 2700pF。在设计限制的范围内，选择R1 = 10.0kΩ。C1 = 2700pF，大于CSAMPLE 100倍，能够为内部采样电容提供足够的电荷支持。
图5中，函数发生器产生的摆幅为±10V的信号通过Rd分压器和C2发送到MAX11046的输入通道8，Rd = 20.0kΩ，从表2可以看出，这将产生大约0.12%的增益误差。该指标符合欧盟(EU)通用标准IEC 62053对高精度电表测试设备的精度要求(0.2%级精度)。
上述测量的评估板设置如图6所示。
图6. MAX11046评估板的GUI，便于设计人员选择不同的测量条件，这里选择2.5ksps采样率和4096个采样点。
图7. 用Excel软件进行仿真，示波器波形显示了恢复后经过调理(分压和滤波)的来自函数发生器的±10V输入信号(参见图5中的框图)。
按照图5所示电路的要求搭建测试装置，可以得到高精度测量结果，如表3所示。
表3. 图5所示数据采集系统的测量结果
| 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 |
从表3可以看出所测量的RMS (meas)是对发生器产生的输入信号RMS (gen)进行测量、处理后的结果，结果显示信号调理电路的RMS测试误差近似为0.09%，完全符合欧盟标准IEC 62053对电表测量设备的精度要求(0.2%)。
结论
MAX130x、MAX132x和MAX11046等高性能、多通道同时采样ADC非常适合现代工业应用对DAS的需求。正确选择信号调理电路，可以获得优于欧盟标准和智能电网监控高级规范要求的参数指标。
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