应用笔记 4272

MAX11040K 24位同时采样Σ-Δ ADC综述

By: Sohail Mirza

摘要 : 本应用笔记重点介绍了同时采样Σ-Δ ADC MAX11040K的关键特性,讨论了四通道同时采样、独立设置各通道相位延时、8片转换器级联以及/FAULT和/OVERFLOW。本文给出了利用评估(EV)板得到的测试数据。

四通道同时采样

MAX11040K集成了四个24位Σ-Δ ADC,能够实现四个通道的同时采样。多路复用Σ-Δ ADC不能保持相位完整性,MAX11040K则不同,它不仅记录相位信息而且允许用户对每个独立通道的相位进行设置。

图1显示了同一模拟信号(零相位延时)作用到四个ADC输入端时所产生的采样数据。

图1. 同一正弦波作用到MAX11040K的四个输入端,同时采样输出如右侧所示
图1. 同一正弦波作用到MAX11040K的四个输入端,同时采样输出如右侧所示

独立设置每个通道的相位延时

用户可以分别设置每路ADC的相位延时,最大延时为333µs,步进值为1.33µs。通过设置ADC通道的相位延时,用户可以消除信号路径上由滤波器、延时线等引起的固有延迟,延时的步进调节低于数据速率。

图2显示了零相位延时的采样输出和改变相位延时后的采样输出。两种情况下,所有四个输入端作用同一信号源。

图2. 同一正弦波作用到MAX11040K的四个输入端。图2A所示为零相位延时情况下四个通道的同时采样输出;图2B所示为更改相位延时后,四个通道的同时采样输出
图2. 同一正弦波作用到MAX11040K的四个输入端。图2A所示为零相位延时情况下四个通道的同时采样输出;图2B所示为更改相位延时后,四个通道的同时采样输出

8片器件的级联

如果四个采样通道不能满足某些应用的需求,则可级联多片MAX11040K,最多可级联8片转换器实现32个通道的同时采样。这一功能对于EEG (监测脑电波)等需要对多个通道进行同时采样的应用十分理想。

图3给出了器件配置。
  • 第一颗芯片的/CASCOUT信号送入第二颗芯片的/CASCIN;第二颗芯片到第三颗芯片以及后续芯片的配置与此类似。最后一颗芯片的/DRDYOUT输出指示所有芯片的数据转换就绪。
  • 第一颗芯片的CLKOUT信号送入所有其它芯片的XIN引脚。
  • /FAULT和/OVRFLW按照“线或”逻辑连接在一起。
图3. MAX11040K级联配置,最多可级联8片
图3. MAX11040K级联配置,最多可级联8片

故障和溢出指示信号

一旦输入超出VREF的±0.88%或大于6V,MAX11040K将产生低电平有效的溢出和故障报警信号,这一功能对于需要饱和报警或过压(OV)保护的应用十分重要。

图4说明了快速变化输入的情形;图5说明了慢速变化输入的情形。对于高速信号,低电平有效的溢出和故障报警输出几乎同时发生跳变。值得注意的是:从信号跨越门限到低电平有效的溢出和故障报警信号置低,存在一个响应时间。同样,在信号返回高电平之前存在一个恢复时间。

图4. 高频模拟输入的OV检测和在快变化输入情况下的恢复时间
图4. 高频模拟输入的OV检测和在快变化输入情况下的恢复时间

图5. 高频模拟输入的OV检测和慢变化输入时的恢复时间
图5. 高频模拟输入的OV检测和慢变化输入时的恢复时间

测试数据举例

以下数据是对MAX11040K评估板进行测试得到的。

同时采样、可编程相位延时和器件级联配置

图6给出了两片ADC的应用电路图,电路配置能够设置不同的相位延时。8个输入端(每片4个输入端)作用相同的120Hz、4VP-P交流信号。每个输入通道的相位延时用以下代码设置:

CH1 0 0 0µs
CH2 36 36 46.88µs
CH3 2 × 36 72 93.75µs
CH4 3 × 36 108 140.62µs
CH1 4 × 36 144 187.50µs
CH2 5 × 36 180 234.38µs
CH3 6 × 36 216 281.25µs
CH4 7 × 36 252 328.12µs

图6. 各种相位延时输入到两片MAX11040K模数转换器
图6. 各种相位延时输入到两片MAX11040K模数转换器

图7图8给出了图6所示两片MAX11040K的数据采集结果。从结果可以看出,虽然同一信号作用到所有输入端,但由于设置的相位延时不同,所以输出波形的相位也不同。

图7. 图6所示两片ADC的数据采样结果
详细波形
(PDF, 279KB)
图7. 图6所示两片ADC的数据采样结果

图8. 图7放大后的波形
详细波形
(PDF, 269KB)
图8. 图7放大后的波形

故障和溢出检测(辅助应用)

如果设计人员需要使用低电平有效的溢出或故障报警信号作为中断,硬件电路中需要加入一个D触发器或使用内部锁存器。当溢出或故障报警信号触发/SD引脚时,信号将被锁存。中断控制器也可以通过驱动/RD引脚产生复位信号(图9)。

图9. 溢出和故障报警信号锁存
图9. 溢出和故障报警信号锁存

从以上对MAX11040K关键特性的讨论可以看出,该芯片非常适合以下应用:
  • 三相 + 零相功率测量和监测
    通过电压和电流变压器将电压降至可接受的电平,两片MAX11040K级联后监测三相和零相的电压、电流信号。由于Σ-Δ ADC具有24位精度,MAX11040K有足够的采样率监测24次以上的谐波(工业标准)。ENOB接近18位,采集电气噪声以及较大的瞬变信号有助于判断电网质量。同过调整相位延时能够补偿相移产生的功率因数偏差。另外,也可以很容易地检测到溢出和故障报警状态。

    图10

  • EEG/EKG信号监测

    图11

    动态范围较宽时,可以禁止第二级放大电路,以降低元器件数量和成本,提高系统可靠性。由于采用了具有五阶调制器的Σ-Δ架构,MAX11040K能够提供由于SAR及其它架构的噪声指标。该器件可以提供32个通道的同时采样,并可调整个通道的相位,用于监测脑电波的各个部分。