应用笔记4639

高性能同时采样ADC在工业多通道数据采集系统(DAS)的传感器信号调理中的应用

Joseph Shtargot, 应用工程师

摘要:本应用笔记旨在帮助设计人员在高性能多通道数据采集系统(DAS)设计中优化工业传感器与高性能ADC之间的连接电路。以电网监测系统为例,本文说明了使用MAX11046、MAX1320、MAX1308等多通道、高精度ADC时,如何选择外围器件,优化系统性能,文中给出了原理图。

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:MAX11046MAX1320MAX1308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
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
Part Channels Input Range (V) Resolution (Bits) Speed (ksps, max) SINAD (dB) Input Impedance
MAX1304   0 to 5        
MAX1308   ±5 12 456 71  
MAX1312   ±10       Medium, (approx 2kΩ)
MAX1316 8 0 to 5      
MAX1320   ±5 14 250 76.5  
MAX1324   ±10        
MAX11046   ±5 16 250 91.4 Very 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/MAX9944MAX4493/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。
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。
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 (%)
50 20000 0.12 0.05
50 15000 0.17 0.05
50 10000 0.25 0.10
50 6980 0.36 0.10
50 4990 0.50 0.10

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
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. 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:
R1MAX = (1/FSAMPLE - TCONV)/K(C1 + CSAMPLE) (式2)
式中:
R1MAX为最大源阻抗。
FSAMPLE为采样率。
TCONV为ADC转换时间(MAX11046的典型值为3µs)。
K为RC时间常数,须满足ADC分辨率的要求(16位ADC,时间常数选择为12)。
CSAMPLE为内部采样电容(MAX11046的采样电容约为20pF)。

从式2计算得到,采样率为2.5ksps时,R1MAX约为12.1kΩ、C1 = 2700pF。在设计限制的范围内,选择R1 = 10.0kΩ。C1 = 2700pF,大于CSAMPLE 100倍,能够为内部采样电容提供足够的电荷支持。

图5中,函数发生器产生的摆幅为±10V的信号通过Rd分压器和C2发送到MAX11046的输入通道8,Rd = 20.0kΩ,从表2可以看出,这将产生大约0.12%的增益误差。该指标符合欧盟(EU)通用标准IEC 62053对高精度电表测试设备的精度要求(0.2%级精度)。

上述测量的评估板设置如图6所示。

图6. MAX11046评估板的GUI,便于设计人员选择不同的测量条件,这里选择2.5ksps采样率和4096个采样点。
图6. MAX11046评估板的GUI,便于设计人员选择不同的测量条件,这里选择2.5ksps采样率和4096个采样点。

图7. 用Excel软件进行仿真,示波器波形显示了恢复后经过调理(分压和滤波)的来自函数发生器的±10V输入信号(参见图5中的框图)。
图7. 用Excel软件进行仿真,示波器波形显示了恢复后经过调理(分压和滤波)的来自函数发生器的±10V输入信号(参见图5中的框图)。

按照图5所示电路的要求搭建测试装置,可以得到高精度测量结果,如表3所示。

表3. 图5所示数据采集系统的测量结果
Generator Signal (VP-P) Measured Parameters from Processed Excel Files
RMS (gen, VRMS) RMS (meas, VRMS) RMS Error (%) Req (%)
Channel 1, ±4.950 3.50018 3.49704 0.08961 0.20
Channel 8, ±9.900 7.00036 3.49695 0.09227 0.20

从表3可以看出所测量的RMS (meas)是对发生器产生的输入信号RMS (gen)进行测量、处理后的结果,结果显示信号调理电路的RMS测试误差近似为0.09%,完全符合欧盟标准IEC 62053对电表测量设备的精度要求(0.2%)。

结论

MAX130x、MAX132x和MAX11046等高性能、多通道同时采样ADC非常适合现代工业应用对DAS的需求。正确选择信号调理电路,可以获得优于欧盟标准和智能电网监控高级规范要求的参数指标。

其它参考资料,参见应用笔记4595:“利用高性能同时采样ADC降低高级电力线监测系统的成本”。

Excel是Microsoft Corporation的注册商标。



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