同时采样ADC在DAS传感器信号调理中的应用

liyf

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[/td]             (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)[/td]             (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。