同時采樣ADC在DAS傳感器信號調(diào)理中的應(yīng)用及分析

引言

許多高端工業(yè)應(yīng)用采用了高性能、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，用于處理高精度工業(yè)傳感器產(chǎn)生的實際信號，有些復(fù)雜系統(tǒng)需要使用高性能、多通道、同時采樣ADC，例如：MAX11046、MAX1320、MAX1308等。

首先，我們考慮圖1所示一款高端三相電力線監(jiān)測系統(tǒng)，這類工業(yè)應(yīng)用需要在高達90dB (取決于具體應(yīng)用)的動態(tài)范圍、64ksps典型采樣率的條件下精確地同時采集多通道數(shù)據(jù)。為了獲得最高系統(tǒng)精度，必須正確處理來自傳感器(圖1中的CT、PT變壓器)的信號，以滿足ADC輸入量程的要求，從而保證DAS的性能指標滿足不同國家相關(guān)標準的要求。


圖1. 基于MAX11046、MAX1320、MAX1308的DAS在電網(wǎng)監(jiān)控中的典型應(yīng)用

 

SAR ADC在工業(yè)DAS中的作用

如圖1所示，MAX11046、MAX1320及MAX1308可同時測量三相及零相電壓和電流，每款A(yù)DC均采用逐次逼近寄存器(SAR)架構(gòu)。從其名稱即可看出，SAR ADC采用的是對半查找法則(逐次逼近)。MAX11046、MAX1320和MAX1308均提供高速轉(zhuǎn)換(8通道的每通道高達250ksps)，支持瞬態(tài)信號監(jiān)測，并具有靈活的±10V、±5V或0至5V接口。表1列出了部分Maxim的SAR ADC產(chǎn)品的典型特性，如需了解詳細信息，請參考每款型號的數(shù)據(jù)資料。

表1. 高性能、多通道SAR ADC產(chǎn)品的典型特性

增益誤差% = (1 - 2 × Rd/(2 × Rd + RTRANS)) × 100

(式1)

式中：
Rd為分壓器阻抗。
RTRANS為變壓器阻抗。

電阻值對增益誤差的影響如表2所示。

表2. 阻值對增益誤差的影響

R1MAX = (1/FSAMPLE - TCONV)/K(C1 + CSAMPLE)

(式2)

式中：
R1MAX為最大源阻抗。
FSAMPLE為采樣率。
TCONV為ADC轉(zhuǎn)換時間(MAX11046的典型值為3µs)。
K為RC時間常數(shù)，須滿足ADC分辨率的要求(16位ADC，時間常數(shù)選擇為12)。
CSAMPLE為內(nèi)部采樣電容(MAX11046的采樣電容約為20pF)。

從式2計算得到，采樣率為2.5ksps時，R1MAX約為12.1kΩ、C1 = 2700pF。在設(shè)計限制的范圍內(nèi)，選擇R1 = 10.0kΩ。C1 = 2700pF，大于CSAMPLE 100倍，能夠為內(nèi)部采樣電容提供足夠的電荷支持。

圖5中，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的擺幅為±10V的信號通過Rd分壓器和C2發(fā)送到MAX11046的輸入通道8，Rd = 20.0kΩ，從表2可以看出，這將產(chǎn)生大約0.12%的增益誤差。該指標符合歐盟(EU)通用標準IEC 62053對高精度電表測試設(shè)備的精度要求(0.2%級精度)。

上述測量的評估板設(shè)置如圖6所示。


圖6. MAX11046評估板的GUI，便于設(shè)計人員選擇不同的測量條件，這里選擇2.5ksps采樣率和4096個采樣點。


圖7. 用Excel軟件進行仿真，示波器波形顯示了恢復(fù)后經(jīng)過調(diào)理(分壓和濾波)的來自函數(shù)發(fā)生器的±10V輸入信號(參見圖5中的框圖)。

按照圖5所示電路的要求搭建測試裝置，可以得到高精度測量結(jié)果，如表3所示。

表3. 圖5所示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量結(jié)果

結(jié)論

MAX130x、MAX132x和MAX11046等高性能、多通道同時采樣ADC非常適合現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對DAS的需求。正確選擇信號調(diào)理電路，可以獲得優(yōu)于歐盟標準和智能電網(wǎng)監(jiān)控高級規(guī)范要求的參數(shù)指標。