高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中的設(shè)計(jì)

1、    高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中的設(shè)計(jì)高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中的設(shè)計(jì)摘要：本文將幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)高性能、多通道、同時(shí)采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)。介紹了元器件的合理選擇及其PCB布線，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。Maxim的MAX1308、MAX1320和MAX11046是極具特色的同時(shí)采樣ADC。本文給出的測(cè)試數(shù)據(jù)說明了遵循設(shè)計(jì)要點(diǎn)能夠?yàn)橄到y(tǒng)帶來的各項(xiàng)益處。引言很多先進(jìn)的工業(yè)應(yīng)用需要使用高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC，例如先進(jìn)的電力線監(jiān)控系統(tǒng)(圖1)或現(xiàn)代三相電機(jī)高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC在數(shù)據(jù)采

2、集系統(tǒng)(DAS)中的設(shè)計(jì)摘要：本文將幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)高性能、多通道、同時(shí)采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)。介紹了元器件的合理選擇及其PCB布線，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。Maxim的MAX1308、MAX1320和MAX11046是極具特色的同時(shí)采樣ADC。本文給出的測(cè)試數(shù)據(jù)說明了遵循設(shè)計(jì)要點(diǎn)能夠?yàn)橄到y(tǒng)帶來的各項(xiàng)益處。 引言很多先進(jìn)的工業(yè)應(yīng)用需要使用高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC，例如先進(jìn)的電力線監(jiān)控系統(tǒng)(圖1)或現(xiàn)代三相電機(jī)控制系統(tǒng)(圖2)。這些應(yīng)用需要在大約70dB至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。通常要求16ksps甚至更高的采樣速率。MAX1308、M

3、AX1320和MAX11046 DAS器件在一個(gè)封裝內(nèi)集成了8個(gè)獨(dú)立的同時(shí)采樣輸入通道和高速逐次逼近ADC。為了達(dá)到器件提供的規(guī)格并優(yōu)化其性能，設(shè)計(jì)人員必須合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)、選擇元器件并提供合理的PCB布局。 DAS架構(gòu)的典型示例圖1. 典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用圖1中每相電源通過一個(gè)電流變壓器(CT)和一個(gè)電壓變壓器(PT)進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)包括四對(duì)此類結(jié)構(gòu)(三相中的每相對(duì)應(yīng)一對(duì)、零線對(duì)應(yīng)一對(duì))。通過對(duì)同時(shí)采樣并經(jīng)過量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理計(jì)算，可以獲取瞬時(shí)和平均有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數(shù)。圖2. 典型的電機(jī)控制系統(tǒng)圖2中每個(gè)ADC同時(shí)采樣輸入信號(hào)，無需復(fù)雜的DSP計(jì)算，傳統(tǒng)算法需

4、要重新調(diào)整采樣數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)組合到同時(shí)采樣數(shù)組。 影響工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)的主要噪聲和干擾源DAS定義了兩類噪聲/干擾。第一類噪聲源于內(nèi)部電子元件，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)噪聲和穩(wěn)定性。第二類干擾來自于系統(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3列出了不同的噪聲源。圖3. 典型的電力線監(jiān)控板級(jí)框圖，圖中顯示了影響系統(tǒng)分辨率和精度的不同噪聲源和干擾源。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、同時(shí)采樣ADC和中央處理單元(CPU)。同時(shí)采樣A

5、DC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)的電壓和電流信號(hào)。MAX130x、MAX132x和MAX1104x及其衍生產(chǎn)品支持這些擴(kuò)展測(cè)量范圍，無需增加任何信號(hào)調(diào)理電路。表1列出了這些器件的1 LSB數(shù)值和量化噪聲，這些數(shù)值按照ADC的分辨率為設(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通道數(shù)分辨率VREF (V)LSB (mV)量化噪聲(mV)SNR(dB)MAX130881271MAX13208140.152676MAX1104681685ADC輸入的總噪聲和紋波應(yīng)小于½

6、; 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)，參考表2。表2. 例：未經(jīng)“校準(zhǔn)”的整體噪聲導(dǎo)致ADC精度下降A(chǔ)DC通道數(shù)分辨率輸入噪聲造成的分辨率損失(1mV)下降后的分辨率MAX1308812MAX1320814MAX11046816 元器件選擇：DAS信號(hào)處理鏈路選擇正確的輸入緩沖放大器MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入電路具有相當(dāng)?shù)偷淖杩?，如圖4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4. MAX130x和MAX132x系列ADC的典型輸入電路為了達(dá)到12

7、位至16位精度，選擇放大器時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素是：適當(dāng)?shù)膸挕[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遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADC的SNR。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。表3給出了幾款推薦的高精度運(yùn)算放大器。對(duì)于高精度ADC，不建議使用通用運(yùn)放，請(qǐng)參考表4。表3. 針對(duì)不同精度的ADC所推薦的高精度運(yùn)放型號(hào)電源單位增益帶寬(MHz)擺率(V/µs)VP-P (V)失調(diào)(mV，最大值)噪聲密度(nV/Hz)說明MAX410MAX412±5V28適用于12位至16位分辨率MAX

8、4250+5V35適用于12位至14位分辨率表4. 對(duì)于高精度ADC，不推薦使用通用運(yùn)放型號(hào)電源單位增益帶寬(MHz)擺率(V/µs)VP-P (V)失調(diào)(mV，最大值)噪聲密度(nV/Hz)說明LF411±15V4152025適用于12位以下分辨率LM124±15V2035適用于11位以下分辨率 輸入濾波電路的要求：MAX11046系列MAX11046系列器件采用差分輸入結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常不需要輸入緩沖放大器(圖5)。MAX11046的有效輸入阻抗ZIN與輸入電容、采樣頻率有關(guān)：ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)式中，F(xiàn)SAMPL

9、E為采樣頻率，CIN = 15pF。隨著采樣頻率的降低，輸入阻抗將增大：250ksps時(shí)為266k25ksps時(shí)為2.66M圖5. MAX11046系列器件的簡(jiǎn)化輸入電路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(10至50)，因此，可以直接通過簡(jiǎn)單的低通濾波器連接到MAX11046輸入級(jí)。表5給出了低頻應(yīng)用，如電網(wǎng)監(jiān)控或電機(jī)控制，所要求的最大RSOURCE設(shè)計(jì)值。表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE設(shè)計(jì)值 CEXTERNAL (pF)FSAMPLE(ksps)010030010003000

10、RSOURCE ()10001.0E+063.3E+051.4E+054.7E+041.6E+0425004.0E+051.3E+055.7E+041.9E+046.5E+0350002.0E+056.6E+042.8E+049.4E+033.2E+03100009.7E+043.2E+041.4E+044.6E+031.6E+03250003.7E+041.2E+045.3E+031.8E+036.1E+02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Pa

11、nasonic®、ROHM®或Vishay®)提供的元件。為了達(dá)到最佳效果，CEXTERNAL電容應(yīng)選擇陶瓷電容，推薦電介質(zhì)類型為COG (NPO)。這些電容能夠在較寬的溫度和電壓范圍內(nèi)保持其標(biāo)稱值，Kemet®、AVX®或Samsung®等公司可提供高性價(jià)比的SMT器件。 ADC基準(zhǔn)選擇基準(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)，如上述表1所示。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/°C。在整個(gè)50°C溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)漂移可達(dá)±500ppm或約±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/°C)。1ppm/°C的電壓基準(zhǔn)在整個(gè)50°C范圍內(nèi)的漂移只有0.2mV (或±3 LSB)。MAX6341基準(zhǔn)的初始精度