ADC在DAS傳感器信號(hào)調(diào)理中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯ADC在DAS傳感器信號(hào)調(diào)理中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用引言

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(shí)際信號(hào)，開(kāi)放系統(tǒng)的直連式存儲(chǔ)（Direct-AttachedStorage，簡(jiǎn)稱DAS）已經(jīng)有近四十年的使用歷史，隨著用戶數(shù)據(jù)的不斷增長(zhǎng)，尤其是數(shù)百GB以上時(shí)，其在備份、恢復(fù)、擴(kuò)展、災(zāi)備等方面的問(wèn)題變得日益困擾系統(tǒng)管理員。DAS:DistributedAntennaSystem,是一個(gè)由分布于某個(gè)建筑物內(nèi)、專門用于提供無(wú)線室內(nèi)覆蓋的多個(gè)天線組成的網(wǎng)絡(luò)。這種系統(tǒng)既可以是有源系統(tǒng)，也可以是無(wú)源系統(tǒng)。

首先，我們考慮圖1所示一款高端三相電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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

SARADC在工業(yè)DAS中的作用

如圖1所示，MAX11046、MAX1320及MAX1308可同時(shí)測(cè)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，SARADC采用的是對(duì)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(dá)250ksps），支持瞬態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)，并具有靈活的±10V、±5V或0至5V接口。表1列出了部分Maxim的SARADC產(chǎn)品的典型特性。

無(wú)論直連式存儲(chǔ)還是服務(wù)器主機(jī)的擴(kuò)展，從一臺(tái)服務(wù)器擴(kuò)展為多臺(tái)服務(wù)器組成的群集（Cluster），或存儲(chǔ)陣列容量的擴(kuò)展，都會(huì)造成業(yè)務(wù)系統(tǒng)的停機(jī)，從而給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于銀行、電信、傳媒等行業(yè)7×24小時(shí)服務(wù)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)，這是不可接受的。并且直連式存儲(chǔ)或服務(wù)器主機(jī)的升級(jí)擴(kuò)展，只能由原設(shè)備廠商提供，往往受原設(shè)備廠商限制。

表1.高性能、多通道SARADC產(chǎn)品的典型特性

PartChannelsInputRange(V)Resolution(Bits)Speed(ksps,max)SINAD(dB)InputImpedanceMAX13040to5MAX1308±51245671MAX1312±10Medium,(approx2kΩ)MAX131680to5MAX1320±51425076.5MAX1324±10MAX11046±51625091.4Veryhigh(in10sofMΩ);mostlycapacitive

CT、PT（傳感器）變壓器的典型輸出為±10VP-P或±5VP-P。如表1所示，MAX130x和MAX132x系列ADC可支持這些范圍，MAX11046的輸入范圍只適用于±5V的變壓器常用輸入范圍。

MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入阻抗較低，在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中需要增加輸入緩沖器和低通濾波器（圖2），以保證12位至14位的精度。

注：如需了解有關(guān)高階、連續(xù)時(shí)間低通濾波器的設(shè)計(jì)信息，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記733：“AFilterPrimer”和應(yīng)用筆記738：“MinimizingComponent-VariationSensitivityinSingleOpAmpFilters”。

圖2.采用MAX130x和MAX132x系列ADC構(gòu)建的電力線監(jiān)控系統(tǒng)板級(jí)框圖，圖中需要一個(gè)有源低通濾波器連接CT和PT變壓器。

MAX11046提供可選擇的有源輸入緩沖器/低通濾波器，MAX11046具有非常高的輸入阻抗，可直接連接到特定傳感器（參見(jiàn)表1）。以CT、PT測(cè)量變壓器為代表的低阻傳感器（等效阻抗RTRANS在10Ω至100Ω量級(jí)），可以通過(guò)簡(jiǎn)單的RC模擬前端（AFE）直接連接到MAX11046輸入端。

圖3給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的高性價(jià)比解決方案，使得MAX11046能夠支持±5V或±10V輸入范圍。

圖3.MAX11046在典型電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用中的板級(jí)框圖，圖中通道1連接±5V變壓器，通道8連接±10V變壓器。

考慮圖3所示輸入電路，需要特別注意R1、C1、Rd和C2參數(shù)的選擇。1:1電阻分壓器（Rd1=Rd2=Rd）作為PT和CT變壓器負(fù)載將會(huì)引入增益誤差，圖3所示電路的增益誤差可由式1計(jì)算：

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(duì)增益誤差的影響如表2所示。

表2.阻值對(duì)增益誤差的影響

RTRANS(Ω)Rd(Ω)GainError(%)ResistorTolerance(%)50200000.120.0550150000.170.0550100000.250.105069800.360.105049900.500.10

表2數(shù)據(jù)表明，為了保持低增益誤差，必須使用精密電阻。選擇金屬膜電阻，這種電阻具有低溫漂（tempco），誤差要求如表2所示，建議從Tyco或Vishay等廠商采購(gòu)元件。

MAX5491提供了一種優(yōu)異的電阻分壓方案，它在一個(gè)封裝內(nèi)集成了兩個(gè)匹配的電阻。

圖4.MAX5491匹配電阻分壓器的典型工作電路

MAX5491的電阻比具有極低溫漂，在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)溫漂保持在2ppm/°C以內(nèi)，其端到端電阻為30kΩ，能夠提供并保持0.17%的增益誤差（參見(jiàn)表2）。

MAX11046評(píng)估（EV）板提供完備的8通道DAS，幫助設(shè)計(jì)工程師快速完成圖3推薦的設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證。

圖5給出了基于MAX11046EVKIT的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)裝置。

圖5.基于MAX11046評(píng)估板的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)框圖，從圖中可以看出：只需極少的外部元件即可進(jìn)行高精度電路測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過(guò)USB口送入PC機(jī)并轉(zhuǎn)換成Excel?文件，以待進(jìn)一步處理。

圖5所示，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的擺幅為±5V的信號(hào)通過(guò)R1和C1濾波后發(fā)送到MAX11046的通道1輸入端，R1和C1取值須滿足ADC采樣時(shí)間的要求，可以由式2求得：

R1MAX=（1/FSAMPLE-TCONV）/K（C1+CSAMPLE）（式2）

式中：

R1MAX為源阻抗。

FSAMPLE為采樣率。

TCONV為ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間（MAX11046的典型值為3μs）。

K為RC時(shí)間常數(shù)，須滿足ADC分辨率的要求（16位ADC，時(shí)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(jì)算得到，采樣率為2.5ksps時(shí)，R1MAX約為12.1kΩ、C1=2700pF。在設(shè)計(jì)限制的范圍內(nèi)，選擇R1=10.0kΩ。C1=2700pF，大于CSAMPLE100倍，能夠?yàn)閮?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(hào)通過(guò)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(biāo)符合歐盟（EU）通用標(biāo)準(zhǔn)IEC62053對(duì)高精度電表測(cè)試設(shè)備的精度要求（0.2%級(jí)精度）。

上述測(cè)量的評(píng)估板設(shè)置如圖6所示。

圖6.MAX11046評(píng)估板的GUI，便于設(shè)計(jì)人員選擇不同的測(cè)量條件，這里選擇2.5ksps采樣率和4096個(gè)采樣點(diǎn)。

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

按照?qǐng)D5所示電路的要求搭建測(cè)試裝置，可以得到高精度測(cè)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(cè)量結(jié)果

GeneratorSignal(VP-P)MeasuredParametersfromProcessedExcelFilesRMS(gen,VRMS)RMS(meas,VRMS)RMSError(%)Req(%)Channel1,±4.9503.500183.497040.089610.20Channel8,±9.9007.000363.496950.092270.20

從表3可以看出所測(cè)量的RMS（meas）是對(duì)發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號(hào)RMS（gen）進(jìn)行測(cè)量、處理后的結(jié)果，結(jié)果顯示信號(hào)調(diào)理電路的RMS測(cè)試誤差近似為0.09%，完全符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC62053對(duì)電表測(cè)量設(shè)備的精度要求（0.2%）。

結(jié)論

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

關(guān)于Maxim

MaximIntegratedProducts成立于1983年。2022年，Maxim并購(gòu)了著名的DallasSemiconductor。是的模擬信號(hào)和混合信號(hào)半導(dǎo)體公司。它們的使命是不斷創(chuàng)造高品質(zhì)的模擬工程解決方案，在世界范圍內(nèi)為基于微處理器的電子產(chǎn)品客戶提供增值服務(wù)。它們通過(guò)努