1、利用- ADC在工業多通道數據采集系統中進行信號調理    利用- ADC在工業多通道數據采集系統中進行信號調理本應用筆記旨在幫助設計人員在高性能、多通道數據采集系統(DAS)設計中優化工業傳感器與高性能ADC之間的連接電路。以電網監測系統為例，本文說明了使用MAX11040 - ADC的優勢以及如何選擇適當的架構和外圍器件，優化系統性能。 <- = -><- CONTENT: DB HTML -><- = ->引言許多高端工業應用中，高性能數據采集系統(DAS)與各種傳感器之間需要提供適當的接口電路。如果信號接口要求

2、提供多通道、高精度的幅度和相位信息，這些工業應用可以充分利用MAX11040等ADC的高動態范圍、同時采樣以及多通道優勢。本文介紹了MAX11040的-架構，以及如何合理選擇設計架構和外部元件，以獲得最佳的系統性能。 高速、-架構的優勢圖1所示為高端三相電力線監視/測量系統，這類工業應用需要以高達117dB的動態范圍、64ksps采樣速率精確地進行多通道同時采集數據。為了獲得最高系統精度，必須正確處理來自傳感器(例如，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標準的要求。圖1. 基于MAX11040的DAS在電網監控中的應用

3、從圖1可以看到，采用兩片MAX11040 ADC可以同時測量交流電的三相及零相的電壓和電流。該ADC基于-架構，利用過采樣/平均處理得到較高的分辨率。每個ADC通道利用其專有的電容開關-調制器進行模/數轉換。該調制器將輸入信號轉換成低分辨率的數字信號，它的平均值代表輸入信號的量化信息，時鐘頻率為24.576MHz時對應的采樣率為3.072Msps。數據流被送入內部數字濾波器處理，消除高頻噪聲。處理完成后可以得到高達24位的分辨率。MAX11040為4通道同時采樣ADC，其輸出數據是處理后的平均值，這些數值不能像逐次逼近(SAR) ADC的輸出那樣被看作是采樣“瞬間”的數值¹,

4、8;。MAX11040能夠為設計人員提供SAR架構所不具備的諸多功能和特性，包括：1ksps采樣率下高達117dB的動態范圍；積分非線性和微分非線性(INL、DNL)也遠遠優于SAR ADC；獨特的采樣相位(采樣點)調節能夠從內部補償外部電路(驅動器、變壓器、輸入濾波器等)引入的相位偏移。另外，MAX11040集成一個數字低通濾波器，處理每個調制器產生的數據流，得到無噪聲、高分辨率的數據輸出。該低通濾波器具有復雜的頻率響應函數，具體取決于可編程輸出數據率。輸入端的阻/容(RC)濾波器結合MAX11040的數字低通濾波器，大大降低了MAX11040輸入信號通道抗混疊濾波器的設計難度，甚至可以完全

5、省去抗混疊濾波器。表1列舉了MAX11040的部分特性，關于MAX11040數字低通濾波器或表中列出的特性指標的詳細信息，請參考器件數據資料。表1. MAX11040 ADC的關鍵指標             Part    Channels    Input range (VP-P)    Resolution (Bits)  

6、0; Speed (ksps, max)    SINAD (1ksps) (dB)    Input impedance            MAX11040    4    ±2.2    24    64

7、0;   117    High, (130k, approx)          電力線應用對ADC性能的要求電力線監控應用中，CT (電流)互感器和PT (電壓)互感器輸出范圍的典型值為：±10V或±5V峰峰值(VP-P)。而MAX11040的輸入量程為±2.2VP-P，低于CT和PT互感器的典型輸出。不過，可以利用一個簡單的低成本方案將±5V或±10V互感器輸出調整到MAX1104

8、0較低的輸入量程以內，電路如圖2所示。連接到通道1的電路代表一個單端設計，這種配置下，變壓器的一端接地，通過一個簡單的電阻分壓器和電容完成信號調理。對于共模噪聲(該噪聲在ADC的兩個輸入端具有相同幅度)比較嚴重的應用場合，推薦采用圖中通道4所示差分連接電路。利用MAX11040的真差分輸入大大降低共模噪聲的影響。圖2. MAX11040在電力線監控典型應用中的原理框圖，圖中給出了一個±10V或±5V輸出的變壓器接口。通道4接口電路采用差分設計，通道1采用單端設計。PT和CT測量變壓器相當于低阻互感器(等效阻抗RTR通常在10至100量級)。為方便計算，以下示例中假設：變壓器

9、相當于一個有效輸出電阻RTR = 50的電壓源；為便于演示，變壓器可以由一個50輸出阻抗的低失真函數發生器代替，如圖3所示。MAX11040的輸入阻抗與時鐘速率、ADC輸入電容有關。連接適當的旁路電容C3，設定XIN時鐘頻率 = 24.576MHz，則得到輸入阻抗RIN等于130k ±15%，誤差取決于內部輸入電容的波動。R1、R2組成的電阻分壓網絡將±10V或±5V輸入信號轉換成ADC要求的±2.2V滿量程范圍(FSR)。為確保該電路工作正常，需要優化R1和R2電阻值，以及C1、C2和C3電容的選擇，以滿足±10V或±5V輸入的要求。電阻R1和R2必須有足夠高的阻抗，避免CT和PT變壓器輸出過載。同時，R2阻值還要足夠小，以避免影響ADC的輸入阻抗(R2 << RIN)。對于單端設計，圖2中MAX11040通道1的輸入電壓VIN(f)，可以利用式1計算：                (式1)