高性能、多通道、同时采样ADC在数据采集系统(DAS)中的设计

引言

　　很多先进的工业应用需要使用高性能、多通道、同时采样ADC，例如先进的电力线监控系统(图1)或现代三相电机控制系统(图2)。这些应用需要在大约70dB至90dB (取决于具体应用)较宽的动态范围内实现精确的多通道同时测量。通常要求16ksps甚至更高的采样速率。

　　MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在一个封装内集成了8个独立的同时采样输入通道和高速逐次逼近ADC。为了达到器件提供的规格并优化其性能，设计人员必须合理设计系统、选择元器件并提供合理的PCB布局。

　　DAS架构的典型示例

　　图1中每相电源通过一个电流变压器(CT)和一个电压变压器(PT)进行检测。整个系统包括四对此类结构(三相中的每相对应一对、零线对应一对)。

图1. 典型的电网监控应用

　　通过对同时采样并经过量化的数据进行数字处理计算，可以获取瞬时和平均有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数。

　　图2中每个ADC同时采样输入信号，无需复杂的DSP计算，传统算法需要重新调整采样数据，将这些数据组合到同时采样数组。

图2. 典型的电机控制系统

　　影响工业数据采集系统(DAS)的主要噪声和干扰源

　　DAS定义了两类噪声/干扰。

　　第一类噪声源于内部电子元件，噪声源包括ADC的转换处理噪声和谐波失真、缓冲放大器的噪声和失真，以及基准噪声和稳定性。

　　第二类干扰来自于系统外部，包括外部电磁噪声、电源噪声/纹波、I/O口串扰以及数字系统噪声和干扰。

　　图3列出了不同的噪声源。

图3. 典型的电力线监控板级框图，图中显示了影响系统分辨率和精度的不同噪声源和干扰源。

　　电力线DAS信号处理链路包含CT、PT测量变压器、抗混叠低通滤波器(LPF)、缓冲放大器、同时采样ADC和中央处理单元(CPU)。

　　同时采样ADC是系统的核心电路，用于测量调整在标准工业输入动态范围(如+5V、±5V或±10V)的电压和电流信号。MAX130x、MAX132x和MAX1104x及其衍生产品支持这些扩展测量范围，无需增加任何信号调理电路。

　　表1列出了这些器件的1 LSB数值和量化噪声，这些数值按照ADC的分辨率为设计人员提供了DAS能够容许的总噪声和干扰。

　　表1. 对应于ADC分辨率的量化值和量化噪声

　　ADC 通道数 分辨率 VREF (V) LSB (mV) 量化噪声(mV) SNR (dB)

　　MAX1308 8 12 2.5 0.6104 0.1762 71

　　MAX1320 8 14 2.5 0.1526 0.0440 76

　　MAX11046 8 16 4.096 0.0625 0.0180 85

　　ADC输入的总噪声和纹波应小于½ LSB，同时，量化噪声决定了系统的基本噪底。

　　注意：有些设计中，仅1mVRMS的总体噪声即可导致整个设计不达标，参考表2。

　　表2. 例：未经"校准"的整体噪声导致ADC精度下降

　　ADC 通道数 分辨率 输入噪声造成的分辨率损失(1mV) 下降后的分辨率

　　MAX1308 8 12 0.71 11.3

　　MAX1320 8 14 2.71 11.3

　　MAX11046 8 16 4.00 12.0

　　元器件选择：DAS信号处理链路

　　选择正确的输入缓冲放大器

　　MAX130x和MAX132x系列ADC的输入电路具有相当低的阻抗，如图4所示。相应地，大多数应用中，这些器件需要一个输入缓冲器以便达到12位和14位精度。

图4. MAX130x和MAX132x系列ADC的典型输入电路

　　为了达到12位至16位精度，选择放大器时需要考虑的关键因素是：适当的带宽、摆率、VP-P输出、低噪声、低失真和低失调。应保持尽可能低的缓冲放大器噪声-远远低于ADC的SNR。放大器的整体失调误差，包括漂移，在整个温度范围内都应小于所要求的精度误差。每个缓冲放大器应根据具体应用精心选择。

　　表3给出了几款推荐的高精度运算放大器。对于高精度ADC，不建议使用通用运放，请参考表4。

　　表3. 针对不同精度的ADC所推荐的高精度运放

　　型号 电源 单位增益 带宽(MHz) 摆率(V/µs) VP-P (V) 失调 (mV，最大值) 噪声密度(nV/√Hz) 说明

　　MAX410–MAX412 ±5V 28 4.5 7.2 0.25 2.4 适用于12位至16位分辨率

　　MAX4250 +5V 3 0.3 5 0.75 7.9 适用于12位至14位分辨率

　　表4. 对于高精度ADC，不推荐使用通用运放 型号 电源 单位增益带宽(MHz) 摆率(V/µs) VP-P (V) 失调(mV，最大值) 噪声密度(nV/√Hz) 说明

　　LF411 ±15V 4 15 20 2.0 25 适用于12位以下分辨率

　　LM124 ±15V 1.2 0.5 20 3.0 35 适用于11位以下分辨率

　　输入滤波电路的要求：MAX11046系列

　　MAX11046系列器件采用差分输入结构，这种结构通常不需要输入缓冲放大器(图5)。MAX11046的有效输入阻抗ZIN与输入电容、采样频率有关：

　　ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)

　　式中，FSAMPLE为采样频率，CIN = 15pF。

　　随着采样频率的降低，输入阻抗将增大：

　　250ksps时为266kΩ25ksps时为2.66MΩ

MAX11046系列产品具有极高的输入阻抗，可以直接与低阻