ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的研究及應(yīng)用

引言

電力線監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)代三相電機(jī)控制系統(tǒng)這些應(yīng)用需要在大約70dB~90dB(取決于具體應(yīng)用)較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的多通道同時(shí)測(cè)量，采樣速率通常要求16kbps甚至更高。

影響DAS的主要噪聲和干擾

工業(yè)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)(DAS)定義了兩類(lèi)噪聲/干擾。第一類(lèi)噪聲源于內(nèi)部電子組件，噪聲源包括ADC的轉(zhuǎn)換處理噪聲和諧波失真、緩沖放大器的噪聲和失真，以及基準(zhǔn)噪聲等。第二類(lèi)干擾源于系統(tǒng)外部，包括外部電磁噪聲、電源噪聲/紋波、I/O口串?dāng)_以及數(shù)字系統(tǒng)噪聲和干擾。圖1列出了不同的噪聲源。

圖1 不同噪聲源和干擾源對(duì)系統(tǒng)分辨率和精度的影響

電力線DAS信號(hào)處理鏈路包含CT、PT測(cè)量變壓器、抗混疊低通濾波器(LPF)、緩沖放大器，及同時(shí)采樣ADC和CPU。同時(shí)采樣ADC是系統(tǒng)的核心電路，用于測(cè)量調(diào)整在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)輸入動(dòng)態(tài)范圍(如+5V、±5V或±10V)的電壓電流信號(hào)。

表1列出了這些器件的1LSB數(shù)值和量化噪聲，這些數(shù)值按照ADC的位數(shù)為設(shè)計(jì)人員提供了DAS能夠容許的總噪聲和干擾。

表1 對(duì)應(yīng)于ADC分辨率的量化值和量化噪聲

ADC輸入的總噪聲和紋波應(yīng)小于1/2 LSB，同時(shí)，量化噪聲決定了系統(tǒng)的基本噪底。

注意：有些設(shè)計(jì)中，僅1mVRMS的總體噪聲即可導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)，因?yàn)槲唇?jīng)“校準(zhǔn)”的整體噪聲會(huì)導(dǎo)致ADC精度下降。

選擇正確的輸入放大器

基于以上分析，在DAS信號(hào)處理鏈路中，正確選擇輸入放大器是必要的，有很多器件供選擇，MAX130x和MAX132x系列就是可選方案之一。MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入電路具有相當(dāng)?shù)偷淖杩?，如圖2所示。相應(yīng)地，大多數(shù)應(yīng)用中，這些器件需要一個(gè)輸入緩沖器以便達(dá)到12位和14位精度。

圖2 MAX130x和MAX132x系列ADC的典型輸入電路

為了達(dá)到12位至16位精度，選擇放大器時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素包括：帶寬、擺率、VP-P輸出、低噪聲、低失真和低失調(diào)。應(yīng)保持盡可能低的緩沖放大器噪聲，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADC的SNR(信噪比)。放大器的整體失調(diào)誤差包括漂移，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都應(yīng)小于所要求的精度誤差。每個(gè)緩沖放大器應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用精心選擇。對(duì)于高精度ADC，不建議使用通用運(yùn)放。
 

輸入濾波電路的要求

輸入濾波器件采用差分輸入結(jié)構(gòu)，通常不需要輸入緩沖放大器。如MAX11046系列產(chǎn)品具有極高的輸入阻抗，可以直接與低阻傳感器連接。例如，CT和PT測(cè)量變壓器阻抗相對(duì)較低(10Ω~50Ω)，因此，可以直接通過(guò)簡(jiǎn)單的低通濾波器連接到MAX11046輸入級(jí)，如圖3所示。

圖3 MAX11046系列器件輸入電路

為了保持DAS的精度，選擇正確的RSOURCE和CEXTERNAL非常關(guān)鍵。RSOURCE電阻必須為金屬膜電阻，精度為1%或更高精度，還應(yīng)具有較低的溫度系數(shù)。建議選擇一些知名廠商如ROHM或Vishay提供的組件。

為了達(dá)到最佳效果，CEXTERNAL電容應(yīng)選擇陶瓷電容。這些電容能夠在較寬的溫度和電壓范圍內(nèi)保持其標(biāo)稱(chēng)值，Kemet或Samsung等公司可提供這類(lèi)高性價(jià)比的SMT器件。

ADC基準(zhǔn)選擇

ADC基準(zhǔn)的選擇對(duì)于整個(gè)DAS的性能非常重要，并且與ADC的分辨率和精度要求密切相關(guān)。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持合理的溫漂和初始精度非常關(guān)鍵。以MAX11046為例，1 LSB=62.5µV。MAX11046內(nèi)部基準(zhǔn)的溫漂為±10ppm/℃。在50℃整個(gè)溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)漂移可達(dá)±500ppm或±2.048mV(±33LSB)。在對(duì)溫漂要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用中，最好使用外部低溫漂基準(zhǔn)，如MAX6341(1ppm/℃)。使用外部基準(zhǔn)時(shí)，MAX11046的基準(zhǔn)輸入電流僅為±10µA。串聯(lián)型基準(zhǔn)的輸出電流可達(dá)10mA，因此，單個(gè)基準(zhǔn)器件可以為多個(gè)高性能ADC提供參考，從而消除不同器件之間的基準(zhǔn)差異。

PCB設(shè)計(jì)和布板考慮

采用低通濾波器進(jìn)行噪聲抑制

在任何時(shí)候電力線上都會(huì)存在相當(dāng)客觀的噪聲/干擾。噪聲主要來(lái)自線纜/傳輸系統(tǒng)，是電容/電感將外部噪聲源耦合到了電力線上。噪聲和干擾還與電力線的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。如圖1所示，每個(gè)CT和PT隔離/測(cè)量變壓器的工作頻率為50Hz/60Hz。實(shí)際上，這些變壓器具有很寬(100kHz)的帶寬，僅對(duì)100kHz或更高頻率的信號(hào)提供衰減/濾波。

另外一個(gè)重要的噪聲/干擾源來(lái)自PCB上DAS系統(tǒng)的電子組件。這些組件包括CPU和電源子系統(tǒng)，特別是在使用開(kāi)關(guān)電源的情況下。這意味著ADC的每個(gè)輸入通道都需要一個(gè)抗混疊濾波器和噪聲抑制低通濾波器。濾波組件應(yīng)該盡可能靠近ADC輸入放置。

利用接地和屏蔽措施保持信號(hào)完整性

從連接器到ADC輸入承載信號(hào)的PCB引線會(huì)受噪聲、干擾以及通道間串?dāng)_的影響，對(duì)這些模擬信號(hào)線采取特殊的接地和信號(hào)屏蔽措施將直接影響輸入信號(hào)的完整性。圖4給出了一個(gè)保護(hù)模擬信號(hào)的PCB布線示例。

圖4 從連接器到MAX11046模擬輸入的路徑

注意，MAX11046具有極高的通道間隔離度，為了獲得高隔離度，采用了共面微帶線結(jié)構(gòu)。

PCB布線通用規(guī)則

在多通道、同時(shí)采樣DAS應(yīng)用中，為了獲得最佳性能，需要遵循幾項(xiàng)重要的PCB布線規(guī)則：

• 使用有地層的PCB板。

• 確保模擬、數(shù)字線路相互分離。

• 不要將數(shù)字信號(hào)線和模擬信號(hào)線并行布線。

• 避免在ADC封裝的下方鋪設(shè)數(shù)字信號(hào)線。

• 采用獨(dú)立的地層，數(shù)字信號(hào)分布在一側(cè)，模擬信號(hào)分布在另一側(cè)。

• 保持電源的地回路具有較低阻抗并保持盡可能短的引線，以便達(dá)到無(wú)噪聲工作。
 

• 在AVDD和DVDD的引腳與地之間連接0.1µF陶瓷電容，電容須靠近器件放置，以便降低寄生電感。

• 每個(gè)PCB板的AVDD和DVDD引腳至少增加一個(gè)10µF去耦電容。

• 采用兩個(gè)電源平面分別連接所有AVDD和DVDD。

• MAX11046模擬接口側(cè)的AVDD電源平面和DVDD電源平面最好遠(yuǎn)離器件的數(shù)字接口引線。

(a) 對(duì)用戶的DAS PCB進(jìn)行測(cè)試得到的直方圖，PCB布板不合理

(b) 對(duì)用戶的PCB進(jìn)行改進(jìn)后測(cè)試得到的輸出直方圖

(c) Maxim DAS的輸出直方圖

圖5 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果

圖5提供了基于MAX11046多芯片、多通道、同時(shí)采樣DAS工業(yè)原型機(jī)的一些測(cè)試結(jié)果。采用精密的2.048V直流基準(zhǔn)作用在DAS的MAX11046輸入端。ADC輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的范圍為±32768。圖5(a)是對(duì)用戶提供的一個(gè)PCB原型進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，該設(shè)計(jì)違反了電源布局和輸入信號(hào)完整性的布板原則。測(cè)試數(shù)據(jù)和直方圖顯示，噪聲/干擾使DAS的有效位降至大約11.5。由于直方圖測(cè)試模板不穩(wěn)定，也反映了測(cè)量的不可預(yù)期性。

圖5(b)是對(duì)用戶的PCB布局進(jìn)行改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果，采取了本文介紹的電源/地布局規(guī)則和保持輸入信號(hào)完整性的處理方案。從測(cè)試結(jié)果和直方圖可以看出，性能得到改善，DAS系統(tǒng)的有效位達(dá)到13.5。在此測(cè)試期間，直方圖具有可重復(fù)性，反映了測(cè)量的穩(wěn)定性。

圖5(c)是在相同測(cè)試條件下，在同一實(shí)驗(yàn)室對(duì)Maxim DAS的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果和直方圖顯示，DAS的有效位達(dá)到大約14。該測(cè)試中，直方圖具有非常好的可重復(fù)性，反映了測(cè)試的穩(wěn)定性和Maxim布板、設(shè)計(jì)配置的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

為了達(dá)到DAS設(shè)計(jì)指標(biāo)以及ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)發(fā)布的指標(biāo)，需要遵循嚴(yán)格的設(shè)計(jì)原則。這些設(shè)計(jì)考慮包括：LPF濾波器、低噪聲緩沖器和基準(zhǔn)選擇、組件布局、PCB布局以及電源噪聲/紋波的濾波等。注意了這些設(shè)計(jì)原則，即可獲得新一代高性能ADC的優(yōu)異結(jié)果。