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同时采样ADC在DAS传感器信号调理中的应用及分析

时间:08-18 来源:互联网 点击:

引言

许多高端工业应用采用了高性能、多通道数据采集系统(DAS),用于处理高精度工业传感器产生的实际信号,有些复杂系统需要使用高性能、多通道、同时采样ADC,例如:MAX11046、MAX1320、MAX1308等。

首先,我们考虑图1所示一款高端三相电力线监测系统,这类工业应用需要在高达90dB (取决于具体应用)的动态范围、64ksps典型采样率的条件下精确地同时采集多通道数据。为了获得最高系统精度,必须正确处理来自传感器(图1中的CT、PT变压器)的信号,以满足ADC输入量程的要求,从而保证DAS的性能指标满足不同国家相关标准的要求。


图1. 基于MAX11046、MAX1320、MAX1308的DAS在电网监控中的典型应用

SAR ADC在工业DAS中的作用

如图1所示,MAX11046、MAX1320及MAX1308可同时测量三相及零相电压和电流,每款ADC均采用逐次逼近寄存器(SAR)架构。从其名称即可看出,SAR ADC采用的是对半查找法则(逐次逼近)。MAX11046、MAX1320和MAX1308均提供高速转换(8通道的每通道高达250ksps),支持瞬态信号监测,并具有灵活的±10V、±5V或0至5V接口。表1列出了部分Maxim的SAR ADC产品的典型特性,如需了解详细信息,请参考每款型号的数据资料。

表1. 高性能、多通道SAR ADC产品的典型特性

PartChannelsInput Range (V)Resolution (Bits)Speed (ksps, max)SINAD (dB)Input Impedance
MAX13040 to 5
MAX1308±51245671
MAX1312±10Medium, (approx 2kΩ)
MAX131680 to 5
MAX1320±51425076.5
MAX1324±10
MAX11046±51625091.4Very high (in 10s of MΩ); mostly capacitive

CT、PT (传感器)变压器的典型输出为±10VP-P或±5VP-P。如表1所示,MAX130x和MAX132x系列ADC可支持这些范围,MAX11046的输入范围只适用于±5V的变压器常用输入范围。

MAX130x和MAX132x系列ADC的输入阻抗较低,在电网监控系统中需要增加输入缓冲器和低通滤波器(图2),以保证12位至14位的精度。

注:如需了解有关高阶、连续时间低通滤波器的设计信息,请参考应用笔记733:“A Filter Primer”和应用笔记738:“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。Maxim还提供MAX9943/MAX9944或MAX4493/MAX4494/MAX4495等高精度运算放大器,非常适合这些应用。


图2. 采用MAX130x和MAX132x系列ADC构建的电力线监控系统板级框图,图中需要一个有源低通滤波器连接CT和PT变压器。

MAX11046提供可选择的有源输入缓冲器/低通滤波器,MAX11046具有非常高的输入阻抗,可直接连接到特定传感器(参见表1)。以CT、PT测量变压器为代表的低阻传感器(等效阻抗RTRANS在10Ω至100Ω量级),可以通过简单的RC模拟前端(AFE)直接连接到MAX11046输入端。如果测量信号频带内的50Hz/60Hz混叠噪声较低,由输入RC电路构成的低通滤波器即可满足要求。

图3给出了一个简单的高性价比解决方案,使得MAX11046能够支持±5V或±10V输入范围。


图3. MAX11046在典型电网监控应用中的板级框图,图中通道1连接±5V变压器,通道8连接±10V变压器。
考虑图3所示输入电路,需要特别注意R1、C1、Rd和C2参数的选择。1:1电阻分压器(Rd1 = Rd2 = Rd)作为PT和CT变压器负载将会引入增益误差,图3所示电路的增益误差可由式1计算:

增益误差% = (1 - 2 × Rd/(2 × Rd + RTRANS)) × 100(式1)

式中:
Rd为分压器阻抗。
RTRANS为变压器阻抗。

电阻值对增益误差的影响如表2所示。

表2. 阻值对增益误差的影响

RTRANS (Ω)Rd (Ω)Gain Error (%)Resistor Tolerance (%)
50200000.120.05
50150000.170.05
50100000.250.10
5069800.360.10
5049900.500.10

表2数据表明,为了保持低增益误差,必须使用精密电阻。最好选择金属膜电阻,这种电阻具有低温漂(tempco),误差要求如表2所示,建议从Tyco或Vishay等厂商采购元件。

MAX5491提供了一种优异的电阻分压方案,它在一个封装内集成了两个精确匹配的电阻。


图4. MAX5491精确匹配电阻分压器的典型工作电路

MAX5491的电阻比具有极低温漂,在-40°C至+85°C温度范围内温漂保持在2ppm/°C以内,其端到端电阻为30kΩ,能够提供并保持0.17%的增益误差(参见表2)。

MAX11046评估(EV)板提供完备的8通道DAS,帮助设计工程师快速完成图3推荐的设计方案验证。

图5给出了基于MAX11046EVKIT的开发系统装置。


图5. 基于MAX11046评估板的开发系统框图,从图中可以看出:只需极少的外部元件即可进行高精度电路测试,测试结果通过USB口送入PC机并转换成Excel®文件,以待进一步处理。
图5所示,函数发生器产生的摆幅为±5V的信号通过R1和C1滤波后发送到MAX11046的通道1输入端,R1和C1取值须满足ADC采样时间的要求,可以由式2求得:

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