引言

許多高端工業應用采用了高性能、多通道數據采集系統(DAS)，用于處理高精度工業傳感器產生的實際信號，有些復雜系統需要使用高性能、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測系統，這類工業應用需要在高達90dB (取決于具體應用)的動態范圍、64ksps典型采樣率的條件下精確地同時采集多通道數據。為了獲得最高系統精度，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標準的要求。


圖1. 基于MAX11046、MAX1320、MAX1308的DAS在電網監控中的典型應用

 

SAR ADC在工業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ADC均采用逐次逼近寄存器(SAR)架構。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均提供高速轉換(8通道的每通道高達250ksps)，支持瞬態信號監測，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產品的典型特性，如需了解詳細信息，請參考每款型號的數據資料。

表1. 高性能、多通道SAR ADC產品的典型特性

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，在電網監控系統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：如需了解有關高階、連續時間低通濾波器的設計信息，請參考應用筆記733：“A Filter Primer”和應用筆記738：“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。Maxim還提供MAX9943/MAX9944或MAX4493/MAX4494/MAX4495等高精度運算放大器，非常適合這些應用。


圖2. 采用MAX130x和MAX132x系列ADC構建的電力線監控系統板級框圖，圖中需要一個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(參見表1)。以CT、PT測量變壓器為代表的低阻傳感器(等效阻抗RTRANS在10Ω至100Ω量級)，可以通過簡單的RC模擬前端(AFE)直接連接到MAX11046輸入端。如果測量信號頻帶內的50Hz/60Hz混疊噪聲較低，由輸入RC電路構成的低通濾波器即可滿足要求。

圖3給出了一個簡單的高性價比解決方案，使得MAX11046能夠支持±5V或±10V輸入范圍。


圖3. MAX11046在典型電網監控應用中的板級框圖，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C2參數的選擇。1:1電阻分壓器(Rd1 = Rd2 = Rd)作為PT和CT變壓器負載將會引入增益誤差，圖3所示電路的增益誤差可由式1計算：

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。

電阻值對增益誤差的影響如表2所示。

表2. 阻值對增益誤差的影響

表2數據表明，為了保持低增益誤差，必須使用精密電阻。最好選擇金屬膜電阻，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等廠商采購元件。

MAX5491提供了一種優異的電阻分壓方案，它在一個封裝內集成了兩個精確匹配的電阻。


圖4. MAX5491精確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溫度范圍內溫漂保持在2ppm/°C以內，其端到端電阻為30kΩ，能夠提供并保持0.17%的增益誤差(參見表2)。

MAX11046評估(EV)板提供完備的8通道DAS，幫助設計工程師快速完成圖3推薦的設計方案驗證。

圖5給出了基于MAX11046EVKIT的開發系統裝置。


圖5. 基于MAX11046評估板的開發系統框圖，從圖中可以看出：只需極少的外部元件即可進行高精度電路測試，測試結果通過USB口送入PC機并轉換成Excel®文件，以待進一步處理。

圖5所示，函數發生器產生的擺幅為±5V的信號通過R1和C1濾波后發送到MAX11046的通道1輸入端，R1和C1取值須滿足ADC采樣時間的要求，可以由式2求得：

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轉換時間(MAX11046的典型值為3µs)。
K為RC時間常數，須滿足ADC分辨率的要求(16位ADC，時間常數選擇為12)。
CSAMPLE為內部采樣電容(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。在設計限制的范圍內，選擇R1 = 10.0kΩ。C1 = 2700pF，大于CSAMPLE 100倍，能夠為內部采樣電容提供足夠的電荷支持。

圖5中，函數發生器產生的擺幅為±10V的信號通過Rd分壓器和C2發送到MAX11046的輸入通道8，Rd = 20.0kΩ，從表2可以看出，這將產生大約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備的精度要求(0.2%級精度)。

上述測量的評估板設置如圖6所示。


圖6. MAX11046評估板的GUI，便于設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后經過調理(分壓和濾波)的來自函數發生器的±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果，如表3所示。

表3. 圖5所示數據采集系統的測量結果

從表3可以看出所測量的RMS (meas)是對發生器產生的輸入信號RMS (gen)進行測量、處理后的結果，結果顯示信號調理電路的RMS測試誤差近似為0.09%，完全符合歐盟標準IEC 62053對電表測量設備的精度要求(0.2%)。

 

結論

MAX130x、MAX132x和MAX11046等高性能、多通道同時采樣ADC非常適合現代工業應用對DAS的需求。正確選擇信號調理電路，可以獲得優于歐盟標準和智能電網監控高級規范要求的參數指標。