ADC在DAS傳感器信號調理中的應用-設計應用

精品文檔-下載后可編輯ADC在DAS傳感器信號調理中的應用-設計應用引言

許多高端工業(yè)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(yè)傳感器產生的實際信號，開放系統的直連式存儲（Direct-AttachedStorage，簡稱DAS）已經有近四十年的使用歷史，隨著用戶數據的不斷增長，尤其是數百GB以上時，其在備份、恢復、擴展、災備等方面的問題變得日益困擾系統管理員。DAS:DistributedAntennaSystem,是一個由分布于某個建筑物內、專門用于提供無線室內覆蓋的多個天線組成的網絡。這種系統既可以是有源系統，也可以是無源系統。

首先，我們考慮圖1所示一款高端三相電力線監(jiān)測系統。

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

SARADC在工業(yè)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，SARADC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(tài)信號監(jiān)測，并具有靈活的±10V、±5V或0至5V接口。表1列出了部分Maxim的SARADC產品的典型特性。

無論直連式存儲還是服務器主機的擴展，從一臺服務器擴展為多臺服務器組成的群集（Cluster），或存儲陣列容量的擴展，都會造成業(yè)務系統的停機，從而給企業(yè)帶來經濟損失，對于銀行、電信、傳媒等行業(yè)7×24小時服務的關鍵業(yè)務系統，這是不可接受的。并且直連式存儲或服務器主機的升級擴展，只能由原設備廠商提供，往往受原設備廠商限制。

表1.高性能、多通道SARADC產品的典型特性

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，在電網監(jiān)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(xù)時間低通濾波器的設計信息，請參考應用筆記733：“AFilterPrimer”和應用筆記738：“MinimizingComponent-VariationSensitivityinSingleOpAmpFilters”。

圖2.采用MAX130x和MAX132x系列ADC構建的電力線監(jiān)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。

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(jiān)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

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

表2數據表明，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等廠商采購元件。

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

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(fā)系統裝置。

圖5.基于MAX11046評估板的開發(fā)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(fā)生器產生的擺幅為±5V的信號通過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CSAMPLE100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(fā)生器產生的擺幅為±10V的信號通過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，這將產生大約0.12%的增益誤差。該指標符合歐盟（EU）通用標準IEC62053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(fā)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

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可以看出所測量的RMS（meas）是對發(fā)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IEC62053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(yè)應用對DAS的需求。正確選擇信號調理電路，可以獲得優(yōu)于歐盟標準和智能電網監(jiān)控規(guī)范要求的參數指標。

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